地面微地震監(jiān)測(cè)資料靜校正方法研究

姜宇東，宋維琪，郭曉中，劉太偉，馮 超

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京211103；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580）

由于地面微地震監(jiān)測(cè)檢波器布設(shè)在地表，微地震有效事件的初至?xí)艿降乇砥鸱偷徒邓賻Ш穸茸兓挠绊?。這些影響不利于微地震資料提高信噪比的處理效果［1－2］，還會(huì)影響最終微地震有效事件定位結(jié)果的精度。

實(shí)際地面微地震監(jiān)測(cè)資料處理中假設(shè)：每個(gè)微地震事件所用到的靜校正量都是由檢波器位置所決定的，也就是說每個(gè)微地震事件使用的靜校正量都是相同的。由于測(cè)線覆蓋面積相對(duì)較廣，而產(chǎn)生微地震事件的破裂源分布范圍有限，不同事件傳播路徑之間不會(huì)有巨大變化。因此，通常情況下這個(gè)假設(shè)是成立的。

由于缺少表層速度信息，因此相對(duì)于常規(guī)地震資料來說，地面微地震資料的靜校正處理難度更大［3－4］。目前，在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中，地面微地震資料的靜校正量要靠射孔事件的信息來求取。射孔事件是射孔彈在已知位置進(jìn)行強(qiáng)能量激發(fā)產(chǎn)生并由地面微地震資料采集系統(tǒng)接收到的地震信號(hào)。射孔事件能量要比大部分微地震事件的能量強(qiáng)，在記錄資料中易于識(shí)別，所以其初至走時(shí)大多可以拾取。這與井中微地震監(jiān)測(cè)方法相同。不同的是，由于井中微地震資料的信噪比較高，幾乎在每一個(gè)記錄道上都能準(zhǔn)確地拾取到射孔事件的相應(yīng)走時(shí)；而地面微地震資料的信噪比很低，微地震信號(hào)能量弱，并不是每個(gè)記錄道上都能拾取到準(zhǔn)確的初至走時(shí)。

針對(duì)上述情況，嘗試?yán)靡阎纳淇孜恢门c射孔事件初至走時(shí)，通過迭代調(diào)整地層速度模型，再根據(jù)射孔事件初至走時(shí)，計(jì)算各條測(cè)線上記錄道的靜校正量。

1 靜校正方法

1.1 初至拾取方法

1.1.1 射孔事件初至拾取與校正

初至拾取是近地表靜校正的前提和基礎(chǔ)，初至拾取的精確程度直接影響靜校正質(zhì)量的好壞，尤其是在地表起伏以及速度變化劇烈的地區(qū)，初至波的精確拾取尤為重要。

由于實(shí)際地面微地震數(shù)據(jù)信噪比通常很低，常用的自動(dòng)初至拾取方法拾取的事件初至精度往往較差。并且，每個(gè)事件能夠準(zhǔn)確拾取初至的記錄道是有限的，使得能求取靜校正量的記錄道數(shù)很少，或者不連續(xù)。在微地震波傳播過程中，由于不同事件的傳播路徑的不同，其靜校正值往往不一樣。造成的典型現(xiàn)象是用射孔和某些微地震強(qiáng)事件算出的靜校正量［5－7］應(yīng)用到其它強(qiáng)事件中去時(shí)，事件同相軸經(jīng)過校正后并不是呈嚴(yán)格的水平直線，而在局部存在抖動(dòng)。

由于微地震資料初至拾取的這些特點(diǎn)，需要對(duì)初步拾取的走時(shí)進(jìn)行校正。首先用人工初步拾取的初至校正對(duì)應(yīng)的強(qiáng)事件數(shù)據(jù)，如果拾取的走時(shí)是完全準(zhǔn)確的，則經(jīng)校正后的有效事件同相軸完全水平，在各道上的初至波相位是一樣的，那么用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)子波對(duì)每道數(shù)據(jù)做互相關(guān)時(shí)，變量為走時(shí)的互相關(guān)函數(shù)的最大值所對(duì)應(yīng)的走時(shí)。如果拾取的走時(shí)存在擾動(dòng)，則擾動(dòng)量即為互相關(guān)函數(shù)最大值對(duì)應(yīng)走時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)值的差值。在實(shí)際處理中，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的事件子波是得不到的，而且不同事件的子波波形也不相同?；诖?，選定一個(gè)初至拾取較準(zhǔn)確即信噪比較高的道作為標(biāo)準(zhǔn)道，在這個(gè)道對(duì)應(yīng)初至的地方選取一個(gè)合適大小的時(shí)窗，用該時(shí)窗道與測(cè)線中的每一道進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到與最大互相關(guān)值對(duì)應(yīng)的時(shí)移量是一樣的，在對(duì)每一道做時(shí)移后，將每一條測(cè)線的所有道疊加起來就得到一個(gè)初始引導(dǎo)道。然后，用此引導(dǎo)道與測(cè)線中的所有道做互相關(guān)。如此往復(fù)，直到最后算出的時(shí)移量達(dá)到要求。圖1為微地震原始記錄預(yù)處理剖面。圖2為用強(qiáng)能量微地震事件初步拾取到的初至對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拉平后的結(jié)果，可以看到利用初步拾取的初至進(jìn)行拉平后的剖面局部存在著一些抖動(dòng)。圖3為應(yīng)用校正后的初至對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拉平后的結(jié)果，顯示拉平后這些抖動(dòng)得到了糾正。由拉平后的同相軸的一致性可以看出校正后的初至信息更加準(zhǔn)確。

1.1.2 強(qiáng)能量有效事件初至拾取

對(duì)于射孔事件，通常不可能在全部記錄道中都拾取到初至走時(shí)。因此，計(jì)算出的靜校正量是部分道的，將其應(yīng)用到實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)，雖然可以對(duì)這些道數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，但是當(dāng)?shù)罃?shù)較少或者不連續(xù)時(shí)，對(duì)處理的影響較大?？紤]到地面微地震數(shù)據(jù)中有一些比較強(qiáng)的微地震事件，可將這些強(qiáng)微地震事件的初至拾取后，用射孔事件走時(shí)算出的速度模型進(jìn)行基于走時(shí)的反演，計(jì)算出這些強(qiáng)事件的理論走時(shí)，從而得到這些強(qiáng)事件拾取道所對(duì)應(yīng)的靜校正量。這樣，通過射孔事件和部分強(qiáng)事件，就可得到大多數(shù)記錄道的靜校正量。

1.1.3 利用疊加處理資料拾取初至

在未進(jìn)行疊加處理的微地震資料上拾取的初至包含了局部和區(qū)域的微地震波走時(shí)信息，這種初至拾取方法固然精度較高，但是初至拾取過程太繁瑣。另一方面，即便是準(zhǔn)確地拾取了初至，因其包含了局部和區(qū)域的微地震波走時(shí)信息，進(jìn)行校正量計(jì)算時(shí)未必能準(zhǔn)確地利用這個(gè)局部走時(shí)信息，因?yàn)榫植孔邥r(shí)信息是由局部不均勻速度引起的，而這個(gè)局部速度模型很難建立。如果通過疊加或擬合處理，在把局部初至走時(shí)信息去掉的同時(shí)，又不影響區(qū)域初至走時(shí)信息，則利用區(qū)域初至走時(shí)更容易進(jìn)行靜校正量的計(jì)算。其實(shí)，事件的初至走時(shí)信息應(yīng)該是區(qū)域信息，局部走時(shí)信息只是干擾信息，可作為剩余靜校正量。

根據(jù)地震波傳播理論，微地震事件地面記錄的時(shí)距曲線是二次曲線，可設(shè)計(jì)二次曲線疊加方法。對(duì)實(shí)際資料進(jìn)行疊加處理，疊加原則是沿著期望初至方向達(dá)到疊加能量最大，且互相關(guān)最大。疊加窗口的大小應(yīng)隨著不同局部干擾空間范圍而不同，如果局部干擾空間橫向范圍大，則疊加窗口應(yīng)隨之增大。

1.2 利用射孔資料進(jìn)行靜校正量計(jì)算

對(duì)于地面微地震監(jiān)測(cè)，觀測(cè)測(cè)線高程隨地形變化，并不在一個(gè)水平面上，而且，由于聲波測(cè)井資料缺乏淺層數(shù)據(jù)，以及地表風(fēng)化層、低降速帶資料和近地表速度均未知，導(dǎo)致靜校正量難以確定，給資料處理以及微地震事件反演定位造成了困難。

為此，需要針對(duì)這種情況，進(jìn)行靜校正處理方法研究。以一實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)為例，觀測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，10條地面測(cè)線呈放射狀排列。圖5為微地震事件射線路徑示意圖，紅色點(diǎn)為射孔點(diǎn)，綠色點(diǎn)為某一微地震事件點(diǎn)位置，藍(lán)色三角形為地面檢波點(diǎn)，曲線為地表觀測(cè)面，紫色虛線為水平基準(zhǔn)面。如前所述，由于基準(zhǔn)面至地表的地層速度未知，導(dǎo)致靜校正量無法直接確定。這里將借助射孔資料進(jìn)行靜校正量計(jì)算。

1.2.1 射孔事件實(shí)際走時(shí)差

針對(duì)不同測(cè)線，分別拾取各測(cè)線上的射孔事件初至，根據(jù)拾取的各測(cè)線上的射孔初至tperf（i），計(jì)算相鄰檢波器的射孔事件走時(shí)差dtperf（i），i為道號(hào)。

1.2.2 射孔事件理論走時(shí)差

根據(jù)聲波測(cè)井資料建立初始水平層狀速度模型，通過射線追蹤正演方法，求取射孔事件理論走時(shí)tm（i），計(jì)算相鄰觀測(cè)點(diǎn)在基準(zhǔn)面上的射孔事件理論走時(shí)差dtm（i），i為道號(hào)。

1.2.3 初始靜校正量

實(shí)際射孔記錄的初至走時(shí)差減去理論計(jì)算的射孔點(diǎn)的初至走時(shí)差，作為初始靜正量δt0（i），即

1.2.4 靜校正量的反演校正

由于利用測(cè)井聲波時(shí)差建立的速度模型和實(shí)際的速度模型不盡相同［8－10］，必然存在一定的誤差，因此，計(jì)算的理論初至走時(shí)也存在誤差，為了使這個(gè)誤差盡量小，利用反演方法進(jìn)行速度模型調(diào)整。速度模型調(diào)整得越精確，計(jì)算的走時(shí)就越準(zhǔn)確，靜校正量的計(jì)算也就越精確。

一般情況下，淺層速度變化比深層速度變化對(duì)走時(shí)曲線的影響大，因此，建立準(zhǔn)確的淺層速度模型更為重要。為此，在建立速度模型時(shí)，將淺層速度模型建立為二維速度模型，深層速度模型建立為一維水平層狀速度模型。這里把測(cè)井聲波時(shí)差范圍內(nèi)（基準(zhǔn)面以下）的速度視為深層速度模型，其上的速度模型作為淺層速度模型。

淺部地層的速度較低，假定在基準(zhǔn)面之上的地震波的射線近似垂直于水平面，則淺部地層初始速度為

式中：i為道號(hào)；m 為總道數(shù)；h（i）為基準(zhǔn)面到第i檢波器處地表觀測(cè)面的高度。

為了求取最佳靜校正量，利用反演方法，通過淺部和深部地層速度模型的不斷調(diào)整，使理論計(jì)算的整個(gè)地層速度模型下的理論走時(shí)差和實(shí)際射孔走時(shí)差的均方差值最小，即

1.3 總靜校正量計(jì)算

速度模型校正后的正演走時(shí)與實(shí)際觀測(cè)的射孔事件拾取走時(shí)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。校正后速度模型的正演走時(shí)不可能與實(shí)際走時(shí)完全吻合，即反演迭代最終誤差不可能為零，將這個(gè)不為零的誤差視為剩余靜校正量ε（i）［11］。高程靜校正量Δth（i）等于檢波器高度h（i）除以校正后的淺層速度vq。總校正量為剩余靜校正量與高程靜校正量之和［12］，即

具體的靜校正值計(jì)算流程為：

1）通過聲波測(cè)井資料，建立基準(zhǔn)面以下的深部初始速度模型；

2）拾取各條測(cè)線的射孔事件初至；

3）利用射孔初至減去基準(zhǔn)面之下的理論初至得到初始靜校正量；

4）利用初始靜校正量建立淺部地層初始速度模型；

5）利用反演方法調(diào)整地層速度模型和靜校正量；

6）如果達(dá)到誤差精度，則輸出速度模型與靜校正量；若未達(dá)到誤差精度，則返回步驟5）；

7）輸出總靜校正量。

圖6 速度模型校正之后正演走時(shí)與實(shí)際走時(shí)對(duì)比

2 實(shí)際應(yīng)用效果分析

圖7 靜校正前地面微地震數(shù)據(jù)（兩相鄰測(cè)線）

按照上述靜校正量計(jì)算流程，得到了大部分?jǐn)?shù)據(jù)道對(duì)應(yīng)的靜校正量。為了驗(yàn)證求取靜校正量方法的正確性，進(jìn)行了實(shí)際微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的靜校正處理試驗(yàn)。圖7為靜校正之前的地面微地震剖面。為了方便顯示，選取了其中2條測(cè)線。從校正前的數(shù)據(jù)剖面可以看出同相軸局部抖動(dòng)相當(dāng)嚴(yán)重（紅圈）。圖8為靜校正處理后的地面微地震數(shù)據(jù)剖面。從靜校正處理前后結(jié)果的對(duì)比可以看出，通過計(jì)算出的靜校正量將原先起伏的有效事件同相軸校正為符合透射波走時(shí)的雙曲線形狀，處理后的剖面面貌得到明顯改善，局部抖動(dòng)不再存在。

圖8 靜校正后地面微地震數(shù)據(jù)（兩相鄰測(cè)線）

3 結(jié)束語

對(duì)于地面微地震監(jiān)測(cè)資料，接收到的有效事件一般為透射波，信噪比低，甚至出現(xiàn)看不到同相軸的情況，因此，初至難以拾取。由于表層速度資料的缺乏，很難利用常規(guī)的方法進(jìn)行地面微地震資料的靜校正。本文提出的引導(dǎo)道方法可以拾取不可見同相軸的記錄道初至。由于淺層速度變化比深層速度變化對(duì)走時(shí)曲線的影響大，在建立速度模型時(shí)，淺層速度模型采用二維速度模型，深層速度模型采用一維水平層狀速度模型，較好地體現(xiàn)不同深度速度變化對(duì)初至?xí)r間的影響。同時(shí)，速度的反演校正過程也分為相對(duì)應(yīng)的兩部分，避免反演迭代時(shí)由于深、淺部速度變化不同，使得變化相對(duì)大的數(shù)據(jù)吃掉變化小的數(shù)據(jù)，從而提高反演的敏感性和精度。根據(jù)初至走時(shí)和聲波測(cè)井資料反演出地下速度模型，同時(shí)得到近地表速度模型。由速度模型正演得到的理論走時(shí)和事件實(shí)際走時(shí)的殘差作為剩余靜校正量，高程靜校正量與剩余靜校正量之和即為總靜校正量。實(shí)際地面微地震數(shù)據(jù)的處理結(jié)果驗(yàn)證了本文所研究靜校正方法的應(yīng)用效果。

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