缓倾地层微震定位算法探讨及其数值验证

倾斜层状地层中速度模型对于震源精确定位具有重要意义。基于水平层状地层两点间的快速射线追踪法,分析了应力波在倾斜地层中的传播路径及规律。结合网格搜索法,提出了针对倾斜地层的微震定位算法,并与传统的基于单一速度模型的定位算法进行对比分析;探索性地采用了颗粒流理论构建地层数值模型,通过颗粒间的相互作用模拟应力波传播进行定位算法有效性验证。研究结果表明：（1）对于倾斜地层,基于简化弹性波等速传播规律的定位算法精度较差,单一速度模型不能满足复杂介质的定位要求;（2）采用倾斜分层速度模型并改进应力波传播路径的计算方法能有效提高倾斜地层的震源定位精度,同时分析了地层倾角以及地层数对算法精度的影响,表明定位误差与倾角、地层数成正比;（3）通过减小网格搜索法的网格尺寸可在一定程度上提高定位精度,合理的尺寸大小和搜索策略有助于网格搜索法在实际工程中的应用。建立的倾斜地层震源定位及其验证方法可为进一步研究复杂地层定位监测技术提供重要的理论和技术支撑。     

基于快速行进迎风线性插值的微震定位算法研究

准确的微震定位方法是微震监测技术进行岩体稳定性分析的基础,而初至波走时计算方法是决定微震定位精度重要因素之一。引入一种由快速行进法(fast marching methods, FMM)与线性插值射线追踪法(LTI ray tracing)改进而来的线性插值算法,实现了在复杂岩体中相对准确的微震初至走时计算,并在均一速度模型和Marmousi模型中得到了验证。在此基础上,采用常微分方程数值算法中的单步高精度Runge-Kutta法,得到了震源点和传感器之间的射线路径,并在分层和带空洞的岩体模型中验证了其合理性。选取最小二乘法为目标函数,通过寻找目标函数值最小的方式来获得最优节点实现微震定位。在所建立的加入地下硐室的Marmousi岩体模型中,对于预设震源点的定位结果误差分别为1.41、1.00、2.83、1.41、1.41m,验证了所提方法在复杂岩体速度模型中能够实现较准确的微震定位,为进一步提高工程岩体的微震定位精度提供了新思路。     

Cache-efficient parallel eikonal solver for multicore CPUs

Numerical solution of the eikonal equation is frequently used to compute first-arrival travel times for a given velocity model in seismic applications. Computations for large three-dimensional models become expensive requiring the use of efficient parallel solvers. We present new parallel implementations of the fast sweeping and locking sweeping methods optimized for shared memory systems such as multicore CPUs; we call them block fast sweeping method (BFSM) and block locking sweeping method (BLSM). Proposed methods are based on the domain decomposition approach with a special attention paid to high efficiency of the cache utilization and task execution synchronization. Performance tests on realistic models show high parallel efficiency of 85–95% on modern multicore CPUs and require the same number of iterations to converge as do the serial sweeping methods. We also highlight the importance of properly selecting the stopping criterion in the iterative sweeping methods aiming for a balance between computational time and accuracy of the result required by an application. In particular, we show that in seismic applications one can reach reasonable accuracy of computed travel times while dramatically reducing the number of iterations compared to the case of using the full convergence stopping criterion.     

特殊地质结构层状岩体微震传播规律试验研究

矿山工程地质中往往存在断层和采空区,微震信号传播经过断层和采空区时,其传播规律必然会发生改变,因此研究特殊地质结构微震信号传播规律具有重要意义。基于惠更斯原理,考虑不同层状岩体中微震波传播速度不同,建立了非均匀介质条件下微震波的波面方程,进而获得波面半径与入射角之间的关系。结合室内相似材料模型实验,验证了波面方程的适用性,同时总结了断层、采空区对微震信号传播的影响特征。研究结果表明：微震信号穿过断层的用时更长,断层的存在导致信号的能量（最大振速）发生较大幅度的衰减;微震信号穿过断层后会以原来的速度继续传播,信号能量的衰减并不会使微震信号的传播速度发生衰减;微震波穿过断层时的入射角越大,穿过断层的用时越长,信号的能量衰减越多;采空区的存在导致微震信号的传播速度发生衰减,震源与监测点之间的距离越近,采空区对微震信号相对传播速度的影响越大。     

基于差分进化算法的微震定位

针对传统基于走时微震定位方法存在的定位精度依赖于走时精度问题,提出了改进定位目标函数的差分进化微震定位方法。基于传统微震P波走时定位方法,在定位目标函数中加入了误差加权系数,通过降低初至拾取精度低的微震信号道对定位误差的影响,减弱了初至拾取精度对微震定位的影响;利用差分进化算法,通过种群初始化、变异、交叉和选择等操作,求解改进的微震定位目标函数,实现微震定位;对模型数据和实测数据进行试处理,结果表明:改进的目标函数能明显降低误差较大分量对总误差的贡献;提出的改进定位目标函数的差分进化微震定位方法,在部分微震信号道走时拾取误差较大甚至错误的情况下,能很大程度减弱拾取误差对定位精度的影响,可以获得较好的定位结果。      

基于快速匹配法的VTI介质走时计算

地震波全波形反演是当今地质构造反演的潮流。在层析成像等为其提供初始模型的预处理中,地震波初至走时是一个非常重要的物理量。因而,高效高精度且稳定的走时计算方法对于各向异性建模具有重要的研究意义。为实现高效高精度且稳定的走时计算,首先利用扰动理论及泰勒公式将具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质程函方程展开,得到走时解;然后引入各向同性快速推进法（fast marching method,FMM）,运用改进后的迎风差分格式求取差分格式黏滞解获取单点走时。结合窄带推进技术,得到了一种新的基于快速匹配法的VTI介质走时计算方法。通过对均匀弱各向异性模型计算结果和解析值的对比,评估了其误差,相对误差稳定于0.5%以下。针对该方法的有效性和稳定性,对层状介质模型和盐丘模型反射波走时进行了试算,取得了较好的效果。理论分析和模型试算表明,该方法对VTI介质走时计算具有较高的精度,能够应用于各向异性层析成像和全波场偏移等研究中。     

Hankel矩阵滤波在微地震数据处理中的应用

针对微地震信号能量弱、信噪比偏低的问题,将基于Hankel矩阵的滤波算法引入微地震信号处理中,用于衰减微地震信号中的随机噪音,提高微地震事件波至时间的拾取精度;采用Akaike信息准则(AIC)自动选取信号特征值,能适用于微地震事件的实时自动处理。与常规滤波方法相比,该方法在压制噪音的同时保护了微地震信号,其有效性和实用性在模型数据和实际微地震数据测试中得到了验证。      

地面微地震监测技术在页岩油水平井压裂效果评价中的应用——以松页油2HF井为例

地面微地震监测是评价水平井压裂效果的有效手段.采用矩形观测系统、高灵敏度检波器深浅结合埋置、覆土耦合压实的采集技术,在2000 m之下的松页油2HF井水平段泥页岩储层中获得明显的压裂微地震信号.利用数据归一化、噪声压制、速度建模、震源定位等关键处理技术,有效提高了泥页岩储层低频信号成像精度.采用高精度反演定位解释技术,...     

微地震震源定位方法综述

微地震震源定位方法是微地震监测领域的一项核心技术,而考量微地震技术应用效果好坏的准则在于震源定位方法的精确程度。针对非常规油气开发过程中微地震震源定位方法的应用,本文对微地震震源定位方法进行阐述。其中：几何作图法具有稳健、效率高的优势,但震源位置较深时定位精度较低;线性定位法无需速度模型精度,但对初至拾取的精度有较大影响;非线性定位法对初至拾取较为敏感,对速度模型的精度要求较高,但计算量较小;混合优化定位法在一定程度上提高了定位的精度和效率,但在低信噪比、速度模型精度较低时优势不明显;基于波形偏移的定位方法无需考虑初至拾取的精度,但计算量较大;基于神经网络的定位方法采用训练网络进行训练,定位精度高,误差小。同时,本文还介绍了多方法多参数信息融合技术在油气藏微震震源定位中的应用。     

基于Hyposat和HypoDD的山东地区地震波一维速度模型

本文收集了2009—2016年山东地区M≥0.1的1 554次地震事件及其走时数据,对该地区地震波一维速度模型进行了研究。首先,使用走时曲线拟合、折合走时曲线分析等方法给出了山东地区地震波一维速度结构模型的初始模型以及参考变化范围;然后,精选55次震相较为丰富的地震事件,用Hyposat方法进行批量重定位,根据残差以及地球物理背景给出P波参考模型,之后对理论波速比加入合理的扰动,对所有P波和S波速度模型组合进行批量地震重定位,根据残差结果极小值获得了最优的P波和S波速度模型;最后,利用多重检验方法对最优模型进行检验,包括天然及非天然地震事件检验、3种定位水平差异检验、4种定位深度差异检验以及乳山和长岛震群的双差定位检验,最终获得了较为可靠的山东地区地震波一维速度模型:vP1=6.13km/s,vP2=6.88km/s,vP3=7.93km/s,H1=22km,H2=33km,vS1=3.54km/s,vS2=3.95km/s,vS3=4.46km/s。另外,本文发现,单纯型等非线性算法的定位结果对于速度模型依赖性较低,反之Geiger类型的线性迭代定位方法则较为依赖速度模型。