微地震震源定位中目标函数的研究与应用

针对常规微地震震源定位中走时目标函数的多解性问题,基于三分量微地震数据,建立了联合走时和三分量微震数据方位信息的矢量目标函数,把矢量目标函数运用于Geiger定位方法中,得到了改进的Geiger定位法。模型数据测试表明:该方法对震源的方位信息敏感,定位精度更高。      

基于波形参数的微震P波到时拾取值质量控制方法

微震事件中常常包含一些异常信号、强噪声干扰信号和弱信号,这些通道信号的P波到时自动拾取精度往往很低,甚至拾取错误。目前国内外微震监测系统进行自动定位时,并不对各个P波到时拾取值预先筛选,而需要技术人员手动剔除或修正部分无效P波到时,然后才能进行正确定位。为此,首先引入了一种Akaike信息准则（AIC）两步骤拾取算法,并基于某深埋隧道微震监测案例定量分析了P波到时拾取误差与震源定位精度之间的关系,从而引入了P波到时拾取值容许误差的概念。然后,利用AIC两步骤拾取算法拾取微震波形的P波到时,并计算各项波形参数,进行大量统计,深入研究了影响P波到时拾取精度的波形参数。以容许误差为基准,将P波到时拾取值分为有效（标签为1）和无效（标签为?1）两类,并以相应的波形参数为数据输入,采用支持向量机方法（SVM）训练数据,最终建立了P波到时拾取值质量控制模型。实际应用表明：P波到时拾取值质量控制方法能有效剔除错误拾取值,从而大幅度提高数据自动处理效率和震源定位精度。     

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。     

基于稳健模拟退火-单纯形混合算法的微震定位研究

为提高矿井微震的定位精度,通过模拟试验对比分析常规定位及新方法在定位求解中的适用范围及优缺点,研究反演未知变量数目、检波器的密度、波速等对各自定位方法的影响。基于单纯形法的优点,并结合模拟退火法的全局收敛性,提出采用稳健的模拟退火-单纯形法进行微震定位。研究发现,该方法不必直接搜索发震时刻,只需通过稳健方法预先估算,利用较少的检波器就可进行微震定位,且基本不受初始波速影响,从而大大减少搜索步数,有效地提高定位精度及收敛速度。以柿竹园矿人工爆破定位测试试验为例,重点分析比较模拟退火-单纯形法、稳健模拟退火-单纯形法及其他定位方法的空间绝对距离及目标函数误差,认为检波器数量较多且可获得理想的P波信息时,应用非线性最小二乘法能求出可信的结果;其余定位方法的三维定位误差及目标函数误差相差不大,但稳健模拟退火-单纯形法目标函数误差最小,稳定性最高,可在矿井微震定位中推广使用。     

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。     

基于时窗能量比和AIC的两步法微震初至自动拾取

传统的微地震数据震源定位算法依赖于波至时间的拾取.由于微地震数据量较大且信噪比较低,手动拾取纵波和横波的波至时间很耗时,且引入的人为误差不易控制.笔者在分析已有方法特点的基础上,给出一种较快捷、准确的两步法微地震初至自动拾取方法.该方法首先使用时窗能量比法识别微震事件并大致确定波至时间,然后使用局部AIC精确拾取波至时间.与常规时窗能量比法相比,该方法减弱了时窗大小对拾取精度的影响;与常规的AIC法相比,由于只在局部使用AIC,避免了在低信噪比情况下AIC会出现多个局部极小从而难以准确拾取的问题,同时也提高了拾取效率.最后通过野外实际微地震数据进行了测试,分析了该方法的性能,验证了该方法的有效性和实用性.     

基于STA/LTA和分形维算法的微震事件初至自动拾取方法

精确拾取微地震事件初至是微震定位的关键技术之一。根据STA/LTA和分形维数两种微地震初至拾取方法的原理,采用理论模型数据对两种初至拾取方法进行了测试,并选取不同信噪比的实际数据从初至拾取精度、算法效率两个方面进行了对比。结果表明,对于高信噪比微震事件,两种方法都能获得精度较高的初至,但对于低信噪比微震事件,分形维数与STA/LTA比较其拾取精度相对要高。鉴此,运用STA/LTA和分形维两种算法相结合的微震事件初至拾取方法,对实际数据进行了处理,实现了微震事件初至较为准确的自动拾取。     

基于变步长加速搜索的微震源定位方法

微震定位方法是微震监测技术的重要组成部分,其关键是定位震源位置。利用空间网格划分并计算网格交点目标函数值,对微震定位目标函数二维及三维空间分布进行了分析,并据此获取了目标函数连续且极小值唯一、单轴收敛范围逐步减小、各轴收敛范围不一的规律。利用以上规律及模式搜索法、网格搜索法的优缺点,探索出了基于连续比较模块、变步长模块、加速模块的变步长加速搜索法。通过模拟算例与工程数据下收敛稳定性、结果精确度、计算速度以及参数初始值影响程度4个指标的效果对比,结果表明：模拟算例下,对比模拟退火算法、遗传算法,变步长加速搜索法的目标函数值标准差、定位误差标准差、波速误差标准差均为0;该算法的定位误差平均值分别为其余二者的0.7%、1.9%;该算法的计算时间平均值分别为其余二者的6.9%、33.2%。该算法单独更改各参数对定位误差的影响在0.005～0.025 m之间;减小搜索步长下限可有效提高结果精确度,并增加相应的计算时间。在规定初至到时与目标函数模型及检波器位置坐标下,搜索算法对定位精度无实质影响。     

压裂微震数据初至拾取的时频谱熵法

在油气田开发过程中,微震监测是获得水力压裂引起裂缝分布的一种较为有效的方法。微震的定位成像与裂缝解释需要利用有效微震信号位置,而微震信号具有低信噪比的特点,传统信号拾取方法无法有效实现较低信噪比条件下初至时刻的准确拾取。本文提出一种基于时频谱熵的初至拾取新方法,该方法首先通过S变换获取含噪信号的时频谱;然后对谱内各个采样点沿频率方向进行分帧操作,并计算每帧频段内的近似负熵值,以最小近似负熵值作为该谱点的负熵值;最后沿时间方向比较各谱点的负熵值,最小值对应的时刻即为初至时刻。本文利用不同信噪比的合成地震数据对该方法进行效果验证,并与长短时窗能量比（STA/LTA）法进行拾取结果对比,结果表明：信噪比在-5 dB时,两种方法拾取效果都很好;信噪比在-10 dB时,时频谱熵法拾取效果更好。时频谱熵法更适合低信噪比情况下的信号初至拾取。     

基于粒子群优化算法的未知波速声发射定位数值模拟

针对岩石力学试验中基于时差定位算法中声发射定位精度受岩石波速等诸多因素的影响问题,提出基于粒子群优化的未知波速声发射定位算法。该算法将岩石波速作为未知值,根据拾取到的时差建立基于最小二乘法原理的目标函数,利用粒子群优化算法,求解目标函数,寻得目标位置和波速。权重系数是影响该算法精度及其稳定性的重要因素,首先通过数值试验模型确定最优权重系数为0.729 8,可以满足算法精度及其稳定性。数值仿真结果表明,由选取的权重系数最后计算精度高于传统已知波速算法。为验证该算法的实际应用效果,进行断铅试验,结果表明该算法优于传统已知波速算法。     

Downhole Microseismic Source Location Based on a Multi-Dimensional DIRECT Algorithm for Unconventional Oil and Gas Reservoir Exploration

Downhole microseismic data has the significant advantages of high signal-to-noise ratio and well-developed P and S waves and the core component of microseismic monitoring is microseismic event location associated with hydraulic fracturing in a relatively high confidence level and accuracy. In this study, we present a multidimensional DIRECT inversion method for microseismic locations and applicability tests over modeling data based on a downhole microseismic monitoring system. Synthetic tests inidcate that the objective function of locations can be defined as a multi-dimensional matrix space by employing the global optimization DIRECT algorithm, because it can be run without the initial value and objective function derivation, and the discretely scattered objective points lead to an expeditious contraction of objective functions in each dimension. This study shows that the DIRECT algorithm can be extensively applied in real downhole microseismic monitoring data from hydraulic fracturing completions. Therefore, the methodology, based on a multidimensional DIRECT algorithm, can provide significant high accuracy and convergent efficiency as well as robust computation for interpretable spatiotemporal microseismic evolution, which is more suitable for real-time processing of a large amount of downhole microseismic monitoring data.     

微地震监测数据压缩技术

微地震监测数据海量,给数据的长距离实时无线传输带来了很多困难,而且还占用很多磁盘空间。笔者首先采用自适应阈值的STA/LTA算法,选取合适的特征函数,从海量的监测数据中自动快速准确地识别微地震有效信号;然后准确确定有效信号的起止时间,完整地截取有效信号的波形数据,去除大量冗余数据,使得数据减少为原来的20%以下;最后再采用STEIM2算法对截取后的有效信号进行压缩,使监测数据的压缩比达到10∶1。研究结果表明:该方法能够通过去除冗余数据和无损压缩,大幅减少微地震监测数据的传输量,使得最终的数据仅为原数据的10%,从而减少了微地震监测数据的长距离无线实时传输困难,同时也减少数据存储所需要的磁盘空间,取得了较好的应用效果。     

Microseismic Monitoring at a Limestone Mine

Improving microseismic monitoring efficiency and accuracy at a mine requires an integrated effort. This article discusses a case study which demonstrates that the monitoring efficiency and accuracy can be drastically improved through optimally using the existing array, efficient techniques for signal processing and noise separation, and the advanced location algorithm which not only offers a robust search scheme, but also features the techniques for efficient data utilization and further error detection and minimization. The study is a collaborated research between Penn State and NIOSH researchers for the better use of microseismic technique for mine safety, ground control and roof fall prediction.