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专利名称：一种基于形态滤波的微地震事件识别方法
技术领域：
本发明是关于石油地球物理勘探技术，特别是关于一种基于形态滤波的微地震事件识别方法。
背景技术：
用微地震方法对油田生产进行实时动态监测对油田开发具有重要意义。由于水力压裂需要比较快速的得到压裂结果，从而对压裂效果进行评价，进而对开采方案进行及时调整，这就需要对水力压裂微地震监测数据进行实时的处理解释。目前所采用的微地震监测数据处理方法主要以人工识别、初至反演为基础。由于微地震监测数据数据记录时间长、数据量大，采用人工识别并对微地震有效事件进行初至拾取会耗费很大的人力与时间，一方面处理一次水力压裂监测数据得到裂缝分布图像需要比较长的时间不能满足实时监测的需求；另一方面这种方法无法适用于油气开发监测。另外，微地震信号比较弱，信噪比低，微地震事件的识别比较困难。

发明内容
本发明提供一种基于形态滤波的微地震事件识别方法，以将微地震自动精确的拾取初至。为了实现上述目的，本发明提供一种基于形态滤波的微地震事件识别方法，该方法包括步骤1:对微地震数据进行频谱分析；步骤2 :对用来接收微地震信号的检波器进行校正；步骤3 :选取结构元素，将开启运算与闭合运算相结合形成形态学噪声滤波器，对经过频谱分析的所述地震数据进行形态滤波；步骤4 :根据进行形态滤波后的数据计算长短时间窗的能量比，将所述能量比与触发阈值进行比较以识别所述检波器是否存在微地震事件；步骤5 :根据所述微地震事件进行微地震拾取。进一步地，对用来接收微地震信号的检波器进行校正，包括将检波器的X分量的信号校正到直达P波的偏振方向上，将I分量校正到垂直于直达P波偏振方向的方向上。进一步地，将检波器的X分量的信号校正到直达P波的偏振方向上，将y分量校正到垂直于直达P波偏振方向的方向上，包括根据波的能量求出每个检波器接收到的初至直达纵波的偏振方向和检波器X分量的夹角e，然后把每个检波器的2个水平分量接收到的微地震信号都旋转每个检波器对应的e。进一步地，所述选取结构元素包括选取结构元素的宽度、高度及形状。进一步地，对于多级检波器，所述的步骤4还包括根据识别的微地震事件的有效地震数据在相邻道之间出现的规律在所述检波器之外的检波器上开一个小窗进行检测。进一步地，所述的步骤5包括利用腐蚀算法去除随机噪音；选取大小合适的半圆形结构元素，对形态滤波后所述的微地震数据取绝对值后进行腐蚀处理；选取腐蚀处理后的信号的能量值的平均值作为初至触发阈值；在触发阈值点处向前取一大小合适的时窗；选取大小合适的长短时窗，在所述时窗内以一个采样点为步长，进行长短时窗能量比运算；确定能量比值最大的点为初至点。本发明实施例的有益效果在于，本发明通过预处理和进一步的滤波处理可以提高数据的信噪比，利用能量比法能够快速准确地检测出微地震事件，并通过偏振分析识别出微地震事件的波动类型，利用设计的自适应阈值和长短时窗能量比法能够自动精确的拾取初至。


为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中图1为本发明实施例飞微地震事件识别方法流程图；图2为本发明实施例的检波器X、1、z分量接收的微地震信号的频谱示意图；图3为本发明实施例的带通滤波前后的一道微地震示意图；图4为本发明实施例抽取的三分量微地震信号记录示意图；图5为本发明实施例微地震观测时三分量检波器方位的变化示意图；图6a是射孔数据的一段水平分量示意图；图6b是根据图6a画出的矢端曲线示意图；图6c是是根据能量准则画出的曲线示意图；图7a是旋转0角后的水平分量示意图；图7b是旋转后根据水平分量做出的矢端曲线示意图；图8为水平分量定位前一段微地震数据做出的矢端曲线示意图；图9是将水平分量转换到以直达P波偏振方向为参考的坐标系后做出的矢端曲线示意图；图1Oa为利用半圆形结构元素的腐蚀信号示意图；图1Ob为利用半圆形结构元素的膨胀信号示意图；图11为灰度开启和闭合示意图；图12a为开闭运算结果示意图；图12b为闭开运算结果示意图；图12c为开闭运算与闭开运算的平均结果示意图；图12d为开闭运算与闭开运算的对比结果示意图；图13为本发明一实施例地震子波模型示意图；图14为本发明一实施例不同尺寸结构元素形态学滤波后的信号示意图；图15为本发明另一实施例地震子波模型示意图；图16为半径不同的半圆结构元素形态学滤波后的信号示意图；图17为本发明另一实施例地震子波模型示意图；图18为正弦形结构元素滤波效果示意图；图19为半圆形结构元素滤波效果示意图；图20为扁平结构元素滤波效果示意图21为三角形结构元素滤波效果示意图；图22是预处理后的一道微地震数据示意图；图23是对其经过开启闭合、闭合开启处理后的数据示意图；图24为某道检波器三分量的能量比曲线示意图；图25为某道原始信号与腐蚀处理后的信号示意图；图26为腐蚀后信号能量值示意图；图27为局部放大的腐蚀后信号能量图；图28是一段未处理的原始微地震数据示意图；图29是经过带通滤波处理后的数据示意图；图30是对应图4变换后的地震数据示意图；图31为本发明一实施例地震子波模型示意图；图32至图34是三种滤波器对随机噪声压制的效果示意图；图35至图38是三种滤波器对脉冲噪声的压制效果图；图39是预处理后的一段微地震数据示意图；图40为经过开启闭合、闭合开启处理后的能量示意图；图41为能量比法计算出的十二道检波器的能量比曲线示意图；图42为十二道检波器的偏振系数曲线示意图；图43为能量比值图示意图；图44为时差法定位的理论模型结果示意图；图45为基于偏振分析的射线追踪定位算法理论模型结果示意图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。为了适应微地震数据的实时处理，快速准确的得到压裂结果，进而对开采方案进行及时调整，本实施例提供一种基于形态滤波的微地震事件识别方法，从而为后续的震源定位提供准确的基础数据。如图1所示，该方法包括步骤SlOl :对微地震数据进行频谱分析。步骤S102 :对用来接收微地震信号的检波器进行校正。步骤SlOl及步骤S102属于微地震数据的预处理步骤。野外采集到的微地震数据和常规地表地震剖面数据一样，都要先经过预处理，即道编辑、去废道、增益恢复，然后才能进行后续的数据处理。但由于微地震信号自身的特点，它的预处理技术不同于常规的处理方法，有着其自身的特殊性。通过步骤SlOl对微地震数据进行频谱分析，做带通滤波处理，滤掉信号频带以外的噪声。图2是在某勘探区采集到的三个分量微地震信号的频谱，从图中可以看出，本发明将要处理的微地震数据信号频谱大概在1(T600Hz ;高于600Hz的微地震信号可能是由于波在地层中传播时被地层吸收损耗了。知道信号的频谱范围后，可以利用带通滤波对微地震数据进行处理。图3是带通滤波前后的一道微地震数据，对比可以看出带通滤波处理之后信噪比明显提高了。步骤S102的检波器校正包括包括将检波器的X分量的信号校正到直达P波的偏振方向上，将y分量校正到垂直于直达P波偏振方向的方向上。具体细节描述如下用于接收微地震信号的三分量检波器，其在井中下放的过程中，虽然能使Z方向垂直向下，但却不能保证各个检波器的两个水平分量的方位一致，实际上是随机的，这就导致了不同检波器上的各个水平分量接收到的微地震信号振幅相差很大，如图4所示，从图中可以看出，原始的三分量微地震数据中水平分量的波形差异很大，基本上看不出任何的同相轴。因此，在后续处理之前，必须对检波器进行旋转定位，使各个检波器的水平分量方位一致。具体思想是由于射孔压裂激发的微地震信号的源位置和速度是已知的，而且能量比较大，信噪比高，因而就可以利用射孔压裂激发的第一个地震直达波，根据波的能量求出每个检波器接收到的初至直达纵波的偏振方向和检波器X分量的夹角0，然后把每个检波器的2个水平分量接收到的微地震信号都旋转每个检波器对应的0。对检波器水平分量进行方位校正只能利用射孔数据求取偏振角。所谓射孔数据是指在井下利用射孔枪射穿套管激发的地震波，其能量比较强，初至明显。利用射孔数据进行水平分量定向建立在这样一个假设的前提上从P波震源传到井下检波器的第一个直达P波，其质点运动方向和波的传播方向一致，都在由震源和井确定的平面内，这种直达P波的偏振是线性的，它在水平面内的投影也是直线。根据这一假设，就可以用直达P波偏振方向在水平面内的投影作为参考，测出三轴检波器观测时水平分量的相对方位，并将观测的水平分量的信号转换到以直达P波偏振方向在水平面内的投影为参考的一致坐标系统。图5所示为微地震观测三分量检波器的方位简图，检波器的水平分量的方位随深度随机变化，但是第一个P波的水平投影Hp大致不变。将观测的水平分量(x，y)转换到以Hp为参考的坐标投影系(x’，y’)。转换公式为x，=Xcos 9 + y sin 9y' =-xsin 9 +ycos 9 (I)式中，0为X与Hp的夹角，又称为直达P波的偏振角。能量准则法是使能量达到最大时求取初至直达纵波的偏振方向和检波器X分量的夹角的一种方法。在时窗内顺序地取一对样值(Xi, yi)，其中i为从时窗起点到时窗终点所编的序号。设能量的表达式为_ = X (X, C°S 6 + ^ Sin(2)
I当能量E( 0 )取最大值时对应的角度就是检波器的偏振角。图6a是射孔数据的一段水平分量，图6b是根据图6a画出的矢端曲线，图6c是是根据能量准则画出的曲线，最大值对应的就是角度就是所要求的偏振角。从图中可以看到能量最大时对应的角度(大约74度)与矢端曲线中幅度极大的方向对应的角度大致一致。求出偏振角后，按照式(I)将地震记录水平分量旋转0角，图7a是旋转0角后的水平分量，图7b是旋转后根据水平分量做出的矢端曲线，由图可以看出X’分量的记录就代表直达波水平分量Hp。
根据能量准则法求出12个检波器的角度后，按照变换公式将水平分量转换到以直达P波偏振方向为参考的坐标系中。图8和图9分别是变换前和变换后根据一段微地震数据做出的矢端曲线示意图，可以看出变换后检波器的水平分量被校正到了同一个方向。步骤S103 :选取结构元素，将开启运算与闭合运算相结合形成形态学噪声滤波器，对经过频谱分析的所述地震数据进行形态滤波。完成步骤S102的频谱分析及步骤S103的检波器校正之后，就可以进行形态滤波操作。下面详细介绍介绍。(I)数学形态学基本运算形态滤波的理论基础是数学形态学。数学形态学是一种以集合论与逻辑运算为基础的非线性图像处理理论，其基本思想是用具有一定形态的结构元素对目标图像进行变换、量度和提取其中的对应形状，简化图像数据，保持图像基本的形状特性，排除不相干的图形结构，从而达到形态滤波的目的。二值图像的数学形态学的基本变换有四种即腐蚀、膨胀、开启和闭合，它们可以组合成复杂的图像处理技术。设A为目标图像的集合；B为结构元素的集合，则腐蚀运算定义为
权利要求
1.一种基于形态滤波的微地震事件识别方法，其特征在于，所述的方法包括 步骤1:对微地震数据进行频谱分析； 步骤2 :对用来接收微地震信号的检波器进行校正； 步骤3 :选取结构元素，将开启运算与闭合运算相结合形成形态学噪声滤波器，对经过频谱分析的所述地震数据进行形态滤波； 步骤4 :根据进行形态滤波后的数据计算长短时间窗的能量比，将所述能量比与触发阈值进行比较以识别所述检波器是否存在微地震事件； 步骤5 :根据所述微地震事件进行微地震拾取。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对用来接收微地震信号的检波器进行校正，包括将检波器的X分量的信号校正到直达P波的偏振方向上，将y分量校正到垂直于直达P波偏振方向的方向上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将检波器的X分量的信号校正到直达P波的偏振方向上，将y分量校正到垂直于直达P波偏振方向的方向上，包括根据波的能量求出每个检波器接收到的初至直达纵波的偏振方向和检波器X分量的夹角0，然后把每个检波器的2个水平分量接收到的微地震信号都旋转每个检波器对应的0。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述选取结构元素包括选取结构元素的览度、闻度及形状。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于多级检波器，所述的步骤4还包括根据识别的微地震事件的有效地震数据在相邻道之间出现的规律在所述检波器之外的检波器上开一个小窗进行检测。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的步骤5包括 利用腐蚀算法去除随机噪音； 选取大小合适的半圆形结构元素，对形态滤波后所述的微地震数据取绝对值后进行腐蚀处理； 选取腐蚀处理后的信号的能量值的平均值作为初至触发阈值； 在触发阈值点处向前取一大小合适的时窗； 选取大小合适的长短时窗，在所述时窗内以一个采样点为步长，进行长短时窗能量比运算； 确定能量比值最大的点为初至点。
全文摘要
本发明提供一种基于形态滤波的微地震事件识别方法，该方法包括对微地震数据进行频谱分析；对用来接收微地震信号的检波器进行校正；选取结构元素，将开启运算与闭合运算相结合形成形态学噪声滤波器，对经过频谱分析的所述地震数据进行形态滤波；根据进行形态滤波后的数据计算长短时间窗的能量比，将所述能量比与触发阈值进行比较以识别所述检波器是否存在微地震事件；根据所述微地震事件进行微地震拾取。本发明通过预处理和进一步滤波处理可以提高数据的信噪比，利用能量比法能够快速准确地检测出微地震事件，通过偏振分析识别出微地震事件的波动类型，利用自适应阈值和长短时窗能量比法能够精确的拾取初至。
文档编号G01V1/28GK103064111SQ201210536918
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者王润秋, 宋炜, 崔晓杰, 牟培杰, 徐刚 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油大学(北京)