XIE JIN E (CN)
JIA CHUNMEI (CN)
SONG LIN (CN)
XU LU (CN)
SINOPEC GEOPHYSICAL RES INST (CN)
US20130107666A1 | 2013-05-02 | |||
CN103076631A | 2013-05-01 | |||
CN102169190A | 2011-08-31 | |||
US20050256648A1 | 2005-11-17 |
北京聿宏知识产权代理有限公司 (CN)
权利要求书 1、 一种数字信号提频处理方法, 其特征在于, 所述方法包括以下步骤: 5101 , 输入一定时间里采集到的实信号道- 5102 , 对所述实信号道进行希尔 特变换以获取所述实信号道的瞬时振幅道; 5103 , 基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极性变换处理, 以获取提频信号 道。 2、 如权利要求 1所述的方法, 其特征在于, 在所述步骤 S103之后, 继续按照以下 步骤对所述提频信号道进一步优化处理: 5104 , 对所述提频信号道进行希尔 特变换以获取对应于所述提频信号道的瞬时余 弦相位函数道; 5105 , 将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提频信号道的瞬时余弦相位函数道进行 重构以优化所述提频信号道。 3、 如权利要求 2所述的方法, 其特征在于, 在歩骤 S105中, 按照以下公式来进行 重构: z(f) - cos ξ(ΐ) . α(ΐ) 其中, z ( t) 表示优化的提频信号道, ∞ 0表示提频信号道的瞬时余弦相位函数 道, a (t) 表示所述实信号道的瞬时振幅道。 4、 如权利要求 1-3所述的方法, 其特征在于, 在所述步骤 S103中, 按照以下公式进 行提频和极性变换处理; y(t) ^= kl -\ x(i) \ ~ k2 -a(t) 其中, 表示提频信号道, x 表示实信号道, 表示所述实信号道的瞬时振 幅道, 1¾和1¾分别为常数。 5、 如权利要求 4所述的方法, 其特征在于, 常数 kr¾ k2的比值在 1.2至 2.0范围内, 处理后的提频信号道的频率与原实信号道频率是倍频关系。 6、 如权利要求 5所述的方法, 其特征在于, 常数 1¾和1¾的取值分别为 4和^ 7、 一种数字信号提频处理装置, 其特征在于, 所述装置包括以下模块- 输入模块, 其用于输入一定时间里采集到的实信号道; 第一变换模块, 其用于对所述实信号道迸行希尔伯特变换以获取所述实信号道的瞬 时振幅道; 提频和极性变换处理模块, 其用于基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极性 变换处理, 以获取提频信号道。 8、 如权利要求 7所述的装置, 其特征在于, 还包括以下模块以对所述提频信号道进 一步优化处理: 第二变换模块, 其用于对所述提频信号道进行希尔伯特变换以获取对应于所述提频 信号道的瞬时余弦相位函数道; 重构模块, 其用于将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提频信号道的瞬时余弦相位 函数道进行重构以优化所述提频信号道。 9、 如权利要求 7所述的装置, 其特征在于, 在所述重构模块中, 按照以下公式来进 行重构: z(t) - οο?, ξ(ΐ) · a(t) 其中, z (t) 表示优化的提频信号道, eQS 0表示提频信号道的瞬时余弦相位函数 道, a (t) 表示所述实信号道的瞬时振幅道。 10、 如权利要求 7 所述的装置, 其特征在于, 在所述提频和极性变换处理模块中, 按照以下公式进行提频和极性变换处理: 其中, 表示提频信号道, x (t)表示实信号道, 《( 表示所述实信号道的瞬时振 幅道, ^和1¾分别为常数。 |
本发明涉及数字信号处理技术, 具体而言, 涉及一种地震数字信号的提频方法及装 置, 更进一歩地说, 尤其涉及针对页岩气压裂幵采过程中产生的微 地震监测数据的分析 处理。 背景技术
页岩气是一种重要的非常规天然气资源, 其开采主要使用水力压裂法, 即将化学物 质和大量水、 泥沙的混合物, 用高压注入地下井, 压裂附近的岩石构造, 进而收集天然 气。 而岩石破裂会伴隨产生强度较弱的地震波,称 "徵地震"。
微地震监测技术就是通过观测、 分析生产活动中所产生的微小地震事件来监测 生产 活动的影响、 效果及地下状态的地球物理技术。 其基本做法是: 通过在井中或地面布置 检波器排列接收生产活动所产生或诱导的微小 地震事件, 并通过对这些事件的反演求取 微地震震源位置等参数。 在页岩气压裂徵地震监测领域, 微地震资料的信嗓比较低, 导 致弱事件的识别极其困难, 目前无法进行微地震弱事件的震源成像定位。 对此, 现有技 术还没有切实可行的方法。
为了微地震的震源成像定位, 在现有技术条件下, 可通过延长压裂施工时间, 增加 压裂液等方式试图获得更多的容易识别的强事 件。 但这样又将突出经济成本和环境保护 问题。
因此, 目前在微地震监测中, 针对采集的数据资料具有较低的信噪比的情况 , 迫切 需要一种能够准确提取有用弱事件的方法。
本发 ¾针对现有在页岩气压裂微地震监测领域中不 准确识别弱事件的不足, 提出 了一种新的数字信号提频处理方法, 该方法中的提频和极性变换处理方法本发明称 为零 极性变换。
本发明方法包括以下歩骤-
5101、 输入一定时间里采集到的实信号道;
5102、 对所述实信号道进行希尔 ^特变换以获取所述实信号道的瞬时振幅道;
5103、 基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提频和极 性变换处理, 以获取提频信号 道。
根据本发明的一个实施例, 在所述歩骤 S103之后, 继续按照以下歩骤对所述提频信 号道迸一步优化处理: 5104、 对所述提频信号道进行希尔 l特变换以获取对应于所述提频信号道的瞬时 弦相位函数道;
5105、 将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提频信号 道的瞬时余弦相位函数道进行 重构以优化所述提频信号道。
根据本发明的一个实施例, 在步骤 S105中, 按照以下公式来进行重构-
其中, z ( ί) 表示优化的零极性的提频信号道, eQ 表示提频信号道的瞬时余弦 相位函数道, Q (ΐ) 表示所述实信号道的瞬时振幅道。
根据本发明的一个实施例, 按照以下公式进行提频和极性变换处理:
y(t) ^ kl -\ x(t) \ - k2 -a{!)
其中, 表示提频信号道, Χ ( 示实信号道, " W 表示所述实信号道的瞬时振 幅道, 和 k 2 分别为常数。
根据本发明的一个实施例, 常数 k k 2 的比值在 1.2至 2.0范围內, 处理后的提频信 号道的频率与原实信号道频率是倍频关系。
根据本发明的一个实施例, 常数 和 k 2 的取值优选分别为 4和 π。
根据本发明的一个方面, 还提供了一种数字信号提频处理装置, 该装置包括以下模 块:
输入模块, 其用于输入一定时间里采集到的实信号道;
第一变换模块, 其用于对所述实信号道进行希尔伯特变换以获 取所述实信号道的瞬 时振幅道;
提频和极性变换处理模块, 其用于基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提 频和极性 变换处理, 以获取提频信号道。
根据本发明的一个实施例, 该装置还包括以下模块以对所述提频信号道进 一步优化 处理:
第二变换模块, 其用于对所述提频信号道进行希尔伯特变换以 获取对应于所述提频 信号道的瞬^余弦相位函数道;
重构模块, 其用于将所述实信号道的瞬时振幅道和所述提 频信号道的瞬时余弦相位 函数道进行重构以优化所述提频信号道。
根据本发明的一个实施例, 在所述重构模块中, 按照以下公式来进行重枸-
其中, z ( t) 表示优化的零极性的提频信号道, ∞ 0表示提频信号道的瞬时余弦 相位函数道, a (t) 表示所述实信号道的瞬时振幅道。
根据本发明的一个实施例, 在所述提频和极性变换处理模块中, 按照以下公式进行 提频和极性变换处理:
y(t) x(t) | - k'l -a(t)
其中, y(t)表示零极性的提频信号道, X (t)表示实信号道, 表示所述实信号道 的瞬时振幅道, 和 k 2 分别为常数。
本发明带来了以下有益效果-
( 1 ) 由于消除了事件信号的极性, 并且提高了频率, 有效的弱事件信号与无效的千 扰信号更容易区分, 因此不需要大量强事件便能识别出微弱信号源 , 这在页岩气压裂微 地震监测领域中彰显了环境保护和降低成本的 优点;
( 2 ) 本发明的零极性变换和提频处理的歩骤简单、 通用性强, 一旦常数 kl和 k2给 定, 可以实现任何信号的信频和零极性处理;
( 3 ) 由于本发明的公式简单, 因此采用计算机实现的自动化程度高。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中 阐述, 并旦部分地认说明书中变得显 而易见, 或者通过实施本发明而了解。 本发明的目的和其他优点可通过在说明书、 杈利 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和 获得。 對图说明
图 1是模拟微地震资料的理论模型道集及其叠加 ;
图 2是在图 1所示的模型上增加了随机噪声后的理论模型 集及其叠加道; 图 3是根 据本发明的一个实施例进行零极性变换提频处 理的方法步骤流程图;
图 4a— 4f分别对应于按图 3所示的步骤执行信号变换后的结果;
图 5a显示了含有一个正极性子波和一个负极性子 的信号道;
图 5b显示了对图 5a所示的信号道作零极性变换后的无极性子波 号道- 图 6a显示了含有 ·个主频为 30Hz子波的信号道;
图 6b显示了对应于图 6a的子波的频谱图;
图 7a显示了对图 6a的信号道迸行零极性变换后的信号道;
图 7b显示了对应于图 7a的信号道的频谱图;
图 8a显示了含有不同频率子波的信号道;
图 8b显示了对图 8a的各子波进行零极性变换后的信号道;
图 9为根据本发明的实施例对图 1所示的模型进行零极性变换的结果及其叠加 ; 图 10为根据本发明的实施例对图 2所示的模型迸行零极性变换的结果及其叠加 ; 图 l la—l lc显示了现有技术中页岩气压裂施工某工区实 的徵地震强事件识别图; 图 12a— 12c显示了根据本发明对图 1 1进行零极性变换后的微地震强事件识别图; 图】3a— 13c显示了现有技术中页岩气压裂施工某工区实 际的徵地震弱事件识别图; 图 Ma— 14c显示了根据本发明对图 13迸行零极性变换后的微地震弱事件识别图; 图 15是压裂事件的发震时间与震源垂直深度关系 应图;
图 16是强压裂事件的震源定位 3D图;
图 17是页岩气压裂施工井的测井图。 具体实施方式 以下将结合附图来详细说明本发明的实施方式 , 借此对本发明如何应用技术手段来 解决技术问题, 并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以 实施。 需要说明的是, 只 要不构成冲突, 本发明各实施例以及各实施例中的各个特征可 以相互结合, 所形成的技 术方案均在本发明的保护范围之内。
另外, ^图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算 可 m行指令的计算机系统中 执行, 并且, 虽然在流程图中示出了逻辑顺序, 但是在某些情况下, 可以以不同于此处 的顺序执行所示出或描述的步骤。
以下就页岩气压裂微地震监测领域中的微地震 事件来说明本发明的原理, 但是, 本 发明并不限于此。 因为, 对于数字信号处理技术领域的普通技术人员而 言, 看到本发明 之后可以想到其可应用于任何数字信号处理中 对于有用信号的处理上。
实施倒 - 图 1是模拟徵地震资料的理论模型道集及其叠加 。 在该图中, 0.2秒处有一组扭曲 的 40Hz规则千扰同相轴; 在 0.6秒处有另一组具有相同扭曲度的 20Hz规则千扰同相轴; 在 0,4秒处则有一组水平的极性不统一的 30Hz事件同相轴。 通过图中的叠加道显示可以 看出, 在没有随机噪声的背景下, 两组规劑千扰同相轴均能叠加成像, 而事件同相轴却 不能叠加成像。 事件同相轴不能叠加成像的原因主要是极性不 统 ·, 在叠加的过程中出 现了抵消的现象。
图 2是在图 i基础上增加随机噪声后的理论模型道集及其 加道。 通过该图中的叠加 道显示可看出, 仅在 0.6秒处的 20l;Ld氏频规則干扰同相轴能够叠加成像。 很显然, 这将 造成事件识别的误判。 但是, 注意到在 0.2秒处的 40Hz高频规则干扰同相轴并没有叠加 成像, 这是本发明人所希望的。 该现象可根据菲涅耳带原理加以解释, 具有相同扭曲度 的两组规则干扰同相轴, 低频同相轴更容易叠加成像。
根据上述发现, 可以得到以 T启示: 如果将事件同相轴的极性统一, 并且提高含噪 信号道的频率, 就能够获得事件同相轴的叠加成像, 减少干扰同相轴的叠加成像, 从而 降低事件识别的误判率。
如图 3 所示, 其中显示了根据本发明的一个实施例的方法流 程图。 在该图中, 如步 骤 S 101所示, 输入一定时间里采集到的实信号道。
然后, 在步骤 S102中, 对实信号道进行希尔侣特变换, 以获取实信号道的瞬时振幅 道。
希尔伯特变换 是信号分析中的重要工具。 假定一个连续的^间信号为 其希尔 l特变换为 ί ) , 则希尔 ^特变换表达式为-
瞬时振幅表达式为; 瞬^相位表达式为-
瞬时余弦相位函数为:
CO Si -(
"(0 (4)
故 - ( " cos 0(t) . a(t) (5)
可以看到, χ Ο可分解为瞬时余弦相位函数 eQsi? 0和瞬时振幅" O。
图 4b显示了图 4a所示的信号道希尔伯特变换后得到的瞬时振 。
接下来, 在步骤 S103 中, 基于瞬时振幅道对实信号道 χ Ο进行提频和极性变换处 以获取零极性的提频信号道。 根据本发明的一个实施^, 可以基于实信号道 Ο的 瞬时振幅道" ^对实信号道 频和极性变换处理。 更具体地说, 可以按照以下公式 迸行提频和极性变换处理;
: ^1·!χ()| k2'
(6)
其中, y(t)表示零极性的提频信号道, x (t)表示实信号道, 表示实信号道 x (t) 的瞬时振幅道, ¾ 和 k 2 分别为常数。 如上处理后的提频信号道的频率是原实信号道 的频 率的二倍。 如图 4c和 4d分别显示了经过上述变换后的信号道。 在此实施例中, 常数 和1¾的取值优选分别为 4和^ 这里, 常数的取值并不限于此具体值。 事实上, 常数 和 k 2 之间的比值可'以在 1.2〜2.0之间。
在本发明的一个实施例中, 步骤 S103之后, 还可以继续对零极性的提频信号道进一 步优化处理。 例如, 在步骤 S104中, 对零极性的提频信号道进行希尔伯特变换以获 取对 应于零极性的提频信号道的瞬时振幅道。 在歩骤 S105中, 将实信号道的瞬时振幅道和零 极性的提频信号道的瞬时余弦相位函数道进行 重构以优化零极性的提频信号道。
具体地说, 在歩骤 S105中, 按照以下公式来迸行重构,
z{t)^-- ο ?>ξ(ΐ)·α(ΐ)
( / )
其中, z ω表示优化的零极性的提频信号道, 表示提频信号道 y(t)的瞬时余 弦相位函数道, a (t)表示实信号道 X (t) 的瞬时振幅道。 变换的过程可参见图 4e和 4f 所示。
通常, 在步骤 S102之前, 还会对实信号道 x (t)迸行动校正等预处理以校平曲线。 NMO动校正的目的是消除同一地震道上的各子波 到达地面的时差, 从而校平共深度点震 源波时距曲线的轨迹。 这样, 可以达到利用水平叠加技术压制干扰的目的。
通过上述处理后, 无论信号的极性是正极性还是负极性均变换为 无极性, 信号的频 率提高了一倍, 且其物理位置保持不变。 通过理论模型及实际微地震数据试验, 本方法 提频效果明显, 具有较强的针对性。
如图 5a所示, 其显示了含有一个正极性子波和一个负极性子 波的信号道, 而图 5b 显示了零极性变换后的无极性子波信号道。 图中可见, 零极性变换没有改变子波的物理 位置。 图 6a是含有一个主频为 30Hz子波的信号道, 图 6b是其频谱图。 图 7a是对图 6a进 行零极性变换后的信号道, 图 7b是其对应的频谱图, 频谱显示子波主频为 60Hz。 按照 本发明的方法进行零极性变换后将信号频率提 高了一倍。
正如图 7b 所示, 零极性变换同样受采样定理的最高频率 限制, 当原信号频率 / > ^5_ ∞ 时, 零极性变换后将出现假频现象。 但这种假频现象并不影响实质。
图 8a是含有不同频率子波的信号道, 其中在 0.3秒处有一个 20Hz子波, 在 0.7秒处 有一个 40Hz子波。 图 8b是对图 8a的零极性变换处理的信号道, 其中在 0,3秒处的子波 频率变换为 40Hz, 而在 0.7秒处的子波频率变换为 80Hz。 说明零极性变换是对整个信号 道进行提频, 信号道中的各个子波在各自频率基础上实现频 率翻倍。
图 9是对图 1中的理论模型道集进行零极性变换的结果及 叠加道。 其中, 在 0.2秒 处的一组扭曲的规则干扰同相轴的频率由 40Hz变换为 80Hz ; 在 0.6秒处的另一组具有相 同扭曲度的规则千扰同相轴的频率由 20Hz变换为 40Hz; 在 0.4秒处的一组水平的极性不 统一的事件同相轴的频率由 30Hz变换为 60Hz, 且统一了事件同相轴的极性。 图 9中的 叠加道显示, 在没有随机噪声的背景下, 组同相轴均能叠加成像。
图 10是在图 2中的含噪理论模型道集基础上进行零极性变 的结果及其叠加道。 其 中, 叠加道显示仅在 0.4秒处的一组水平的事件同相轴能够叠加成像 。 图 10和图 2的对 比结果表明, 在低信噪比条件下, 高频率规则干扰同相轴是不容易叠加成像的, 如果在 图 10的基础上迸行自动识别或人工识别, 将大大降低事件识别的误判率。
图 11a— 11c是页岩气压裂施工某工区实际的微地震强事 件识别图。 其中, 图】 la为 微地震道集的扫描叠加能量团速度谱。 图 l ib是未进行正常时差校正 NMO) 的徵地震 超道集, 由于事件极性的不统一造成了部分极性抵消现 象。 图 11c为图 l i b进行 NMO后 的水平叠加道。 由于该事件是强事件, 在高信噪比条件下, 对图 1 1中的强事件识别是非 常容易的。
图】 2a— 12c是对图 11进行零极性变换后的微地震强事件识别图。 其中, 图 12a为零 极性变换后的微地震道集的扫描叠加能量团速 度谱。 其中, 强事件能量团变得更加清 晰。 图 12b为零极性变换后未作 NMO的徵地震超道集, 极性抵消现象己消失。 图: 2c为 图 2b经 NMO后的水平叠加道, 叠加成像结果的物理位置没有发生变化。
图 13a— 13c是页岩气压裂施工某工区实际的微地震弱事 件识别图。 其中, 图 13a为 微地震道集的扫描叠加能量团速度谱。 图 13b为经过 NMO后的微地震超道集, 由于事件 极性的不统一造成极性抵消现象, 从而导致事件水平同相轴的不可见。 图 13c 为图 13b 的水平叠加道, 同理, 因极性抵消现象, 使该弱事件不能叠加成像。 很显然, 在低信噪 比条件下, 对图 13中的弱事件识别是非常困难的。
图 14 a - i4c是对图 13进行零极性变换后的微地震弱事件识别图。 其中, 图 1½为零 极性变换后的微地震道集的扫描叠加能量团速 度谱。 在 26.1秒处出现了一个清晰的能量 团。 图】 4b为经 NMO和零极性变换后的微地震超道集, 在相同 ^间处可见事件水平同相 轴。 图 14c为图 Mb的水平叠加道, 叠加成像结果进一歩证实了在 26.1秒处发生了一个 压裂弱事件。
理论模型及实际徵地震数据试验结果表明: 零极性变换统一了事件同相轴的极性, 消除了极性抵消现象, 使事件同相轴能够获得正常的叠加成像; 零极性变换将含噪信号 道的频率提高了一倍, 在高频率状态下, 随机噪声或干扰同相轴均难以成像; 零极性变 换保持了信号的物理位置不变, 从而保证了震源反演结果的正确性。
实施例二
根据本发明的一个方面, 上述方法可以实现于计算机设备中。 与计算机设备及其它 外围电路构成一种数字信号处理装置。 该装置包括以下模块;
输入模块, 其用于输入一定时间里采集到的实信号道;
第 ·变换模块, 其用于对所述实信号道进行希尔伯特变换以获 取所述实信号道的瞬 时振幅道;
提频和极性变换处理模块, 其用于基于所述瞬时振幅道对实信号道进行提 频和极性 变换处理, 以获取零极性的提频信号道。
优选地, 该装置还包括以下模块以对所述零极性的提频 信号道进一步优化处理- 第二变换模块, 其用于对所述零极性的提频信号道进行希尔伯 特变换以获取对应于 所述零极性的提频信号道的瞬时余弦相位函数 道;
重构模块, 其用于将所述实信号道的瞬时振幅道和所述零 极性的提频信号道的瞬时 余弦相位函数道迸行重构以优化所述零极性的 提频信号道。
在重枸模块中, 按照以下公式来进行重构-
其中, z ( ί) 表示优化的零极性的提频信号道, eQ 表示提频信号道的瞬时余弦 相位函数道, Q (ΐ) 表示所述实信号道的瞬时振幅道。
在提频和极性变换处理模块中, 基于实信号道的瞬时振幅道对实信号道进行提 频和 极性变换处理。 具体说, 按,照以下公式进行提频和极性变换处理;
y(i) = kl - 1 χ(ΐ) \ - ίϊ2· α(ί) . .
1 ! ( 6 )
其中, y(t)表示零极性的提频信号道, X (t)表示实信号道, )表示实信号道的瞬 时振幅道, 和1¾分别为常数。
实施倒三
使用本发明的方法对某工区页岩气井压裂监测 数据进行批量处理, 共获得 879 个压 裂事件及震源定位, 其中, 强压裂事件 127个, 其余均为弱压裂事件。 图 15为全部 879 个压裂事件的发震时间与震源垂直深度关系对 应图。 图 16为 127个强压裂事件的震源定 位 3D图。
图 15表明, 在垂直深度 2132m (测量深度 2141m) it近有一个低应力水平薄层, 弱 压裂事件集中发生在该层位中, 这一结论得到该井测井图 (图 17) 的验证 (图中的深度 为测量深度) 。
虽然本发明所揭露的实施方式如上, 但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用 的实施方式, 并非用以限定本发明。 任何本发明所属技术领域内的技术人员, 在不脱离 本发明所揭露的精神和范围的前提下, 可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与 变 化, 但本发明的专利保护范圈, 仍须以所 ^的权利要求书所界定的范 I为准。