一种地面微地震事件信号增强方法与流程

1.本发明涉及石油勘探开发技术，尤其涉及一种地面微地震事件信号增强方法。


背景技术：

2.微地震压裂监测技术现在已成为非常规油气田开发中一项常用的监测技术，其最主要的应用是水力压裂裂缝分布的监测。微地震事件群的时空分布特性是后续压裂裂缝网络的空间展布特征及缝网发育过程推理解释的关键所在，因此微地震事件拾取至关重要。
3.在现有的工作流程中，有效信号事件的识别采用长短时窗特征值比方法，在信噪比较高条件下，通过设置合适的门槛值能够自动识别出有效的微地震事件。地面微地震资料具有信噪比低的特点，长短时窗特征比方法误识率较高，运用信号增强方法可以增强有效事件的能量比，而噪声无效事件基本保持不变。通过信号增强可以提高长短时窗特征值比方法的识别能力。也可以用于深度学习的地面微地震事件样本的筛选标记，防止错误的标签。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种地面微地震事件信号增强方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种地面微地震事件信号增强方法，包括以下步骤：
6.1)根据地面微地震事件信号，获取含有噪声的动校正后地面微地震信号，信号数据记为s(x,y,t)；
7.其中，x＝1,2,3,
…
,mx，为每条检波线上的检波点个数；y＝1,2,3
…
ny为检波线数；t＝1,2,3,
…
,ti为采样时间点；
8.2)对所述地面微地震信号在时间窗口内，在给定时间点t1时刻，获得时间切片数据s(x,y,t1)；
[0009][0010]
3)对时间切片数据构造每道的hankel矩阵；
[0011][0012]
式中，ri是大小为h
×
v的hankel矩阵，其中，
[0013][0014]
对每一个hankel矩阵ri，构造成hankel块矩阵hs,如下式所示：
[0015][0016]
式中，块hankel矩阵hs则是(i
×
h)
×
(j
×
v)阶的块hankel矩阵,其中
[0017]
4)对于每个时间切片经过重排后的hankel矩阵hs，进行随机奇异值分解；
[0018][0019]
都是对角阵，分别对应特征值大的部分与特征值小的部分；
[0020]
5)选取部分奇异值，作为信号重构部分的特征值，加入阻尼算子对残差的随机噪声进行压制；
[0021]
阻尼算子如下；
[0022][0023]
式中，γ表示阻尼算子操作，i为单位矩阵，γ表示的最大元素，d表示阻尼算子；
[0024]
截断奇异值重构后矩阵如下：
[0025][0026]
6)使用hankel矩阵逆变换，将通过截断奇异值重构后矩阵变换回时间切片数据s(x,y,t1)，从而实现对残余噪声的进一步压制，获得噪声压制后的信号数据。
[0027]
7)循环步骤2)到步骤6)，直到所有的时间切片处理完毕，获得地面微地震事件信号的增强信号。
[0028]
本发明产生的有益效果是：
[0029]
通过本发明方法，可以实现信号增强，凸显有效信号，提高信号的能量比。
附图说明
[0030]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0031]
图1是本发明实施例的方法流程图；
[0032]
图2是本发明实施例的信号增强前的微地震事件信号数据图；
[0033]
图3是本发明实施例的信号增强后的微地震事件信号数据图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035]
如图1所示，一种地面微地震事件信号增强方法，该方法的实现过程包括：
[0036]
步骤s1，获取含有噪声的动校正后地面微地震信号，并对所叙动校正后地面微地震信号进行hankel矩阵构造。信号数据为s(x,y,t)，其中x＝1,2,3,
…
,mx，为每条检波线上的检波点个数。y＝1,2,3
…
ny为检波线数。t＝1,2,3,
…
,ti为采样时间点，地面微地震数据大小为mx
×
ny
×
ti。
[0037]
步骤s2，给定采样时间t1时刻，则微地震信号记录的数据切片显示如下式(1)所示：
[0038][0039]
步骤s3，在给定的时间点t1有矩阵s(x,y,t1)，将矩阵的每一行排列成hankel矩阵。其切片的数据如下式所示：
[0040][0041]
对每一个hankel矩阵ri，构造成hankel块矩阵hs,如下式所示:
[0042][0043]
式(2)中ri是大小为h
×
v的hankel矩阵,其中，
[0044][0045]
式(3)中块hankel矩阵hs则是(i
×
h)
×
(j
×
v)阶的块hankel矩阵,其中
[0046]
步骤s4，对于每个时间切片经过重排后的hankel矩阵hs，进行随机奇异值分解；
[0047][0048]
通常信号的表现形式为s＝d+n，矩阵s表示含噪信号，矩阵d表示地面微地震事件有效信号、矩阵n表示噪声。其中，矩阵s和矩阵n是满秩的，rank(s)＝rank(n)＝j,矩阵d是不满秩的,rank(d)＝k《j。都是对角阵，分别对应特征值大的部分与特征值小的部分。
[0049]
步骤s5，选择和截断奇异值是实现去噪的关键步骤,选取部分奇异值，作为信号重构部分的特征值，加入阻尼算子对残差的随机噪声进行压制。
[0050]
阻尼算子通过对第n+1奇异值进行放大或者缩小，然后使用前n个奇异值对其相减，并对n+1个后的奇异值置0。
[0051]
阻尼算子如公式(4)所示。
[0052][0053][0054]
式(4)中，γ表示阻尼算子操作，i为单位矩阵，γ表示的最大元素，d表示阻尼算子。
[0055]
步骤s6，使用hankel矩阵逆变换，将通过截断奇异值重构后矩阵变换回时间切片数据s(x,y,t1)，从而实现对残余噪声的进一步压制，得噪声压制后的信号数据。
[0056]
步骤s7，循环步骤s2到步骤s6，直到所有的时间切片处理完毕，通过此方法，可以实现信号增强，凸显有效信号，提高信号的能量比。
[0057]
综上，本实施例的本发明的一种地面微地震信号增强的方法，利用动校正后，地面微地震事件信号被拉平，近似的具有水平同相轴。对信号构造hankel块矩阵，利用随机奇异值分解的方法提高算法运行速度，通过随机奇异值分解获得矩阵奇异值，选择合适的奇异值，将噪声空间与信号空间分离。并通过阻尼算子对分离的信号空间中的残余噪声进行压制，最后将重构后的hankel块矩阵逆变换为噪声压制后的信号，凸显有效信号，实现信号增强，提高信噪比。相比其他信号增强方法，可以更加凸显地面微地震事件有效信号，压制噪声信号，增强地面微地震事件的能量比，可以用于传统的长短时窗识别，也可以用于深度学习的地面微地震事件识别。图2是的信号增强前的微地震事件信号数据图，图3是信号增强后的微地震事件信号数据图。
[0058]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
[0059]
本技术还提供一种计算机可读存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，sd或dx存储器等)、随机访问存储器(ram)、静态随机访问存储器(sram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、可编程只读存储器(prom)、磁性存储器、磁
盘、光盘、服务器、app应用商城等等，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时实现方法实施例中的一种地面微地震拾取事件有效性的识别方法。
[0060]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0061]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种地面微地震事件信号增强方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据地面微地震事件信号，获取含有噪声的动校正后地面微地震信号，信号数据记为s(x,y,t)；其中，x＝1,2,3,
…
,mx，为每条检波线上的检波点个数；y＝1,2,3
…
ny为检波线数；t＝1,2,3,
…
,ti为采样时间点；2)对所述地面微地震信号在时间窗口内，在给定时间点t1时刻，获得时间切片数据s(x,y,t1)；3)对时间切片数据构造每道的hankel矩阵；式中，r
i
是大小为h
×
v的hankel矩阵，其中，对每一个hankel矩阵r
i
，构造成hankel块矩阵h
s
,如下式所示：式中，块hankel矩阵h
s
则是(i
×
h)
×
(j
×
v)阶的块hankel矩阵,其中，4)对于每个时间切片经过重排后的hankel矩阵h
s
，进行随机奇异值分解；5)选取奇异值分解中特征值大的部分奇异值，作为信号重构部分的特征值，加入阻尼算子对残差的随机噪声进行压制；6)使用hankel矩阵逆变换，将通过截断奇异值重构后矩阵变换回时间切片数据s(x,y,t1)，获得噪声压制后的信号数据；7)循环步骤2)到步骤6)，直到所有的时间切片处理完毕，获得原始地面微地震事件信号的增强信号。2.根据权利要求1所述的地面微地震事件信号增强方法，其特征在于，所述步骤4)中，进行随机奇异值分解具体如下：
都是对角阵，分别对应特征值大的部分与特征值小的部分。3.根据权利要求1所述的地面微地震事件信号增强方法，其特征在于，所述步骤5)中，加入阻尼算子对残差的随机噪声进行压制具体如下：阻尼算子如下；式中，γ表示阻尼算子操作，i为单位矩阵，γ表示的最大元素，d表示阻尼算子；截断奇异值重构后矩阵如下：4.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任一所述的一种地面微地震信号增强方法的步骤。5.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3任一所述的一种地面微地震信号增强方法。

技术总结
本发明公开了一种地面微地震事件信号增强方法，包括以下步骤：1)根据地面微地震事件信号，获取含有噪声的动校正后地面微地震信号；2)在给定时间点t1时刻，获得时间切片数据；3)对时间切片数据构造每道的hankel矩阵；4)对于每个时间切片经过重排后的Hankel矩阵，进行随机奇异值分解；5)加入阻尼算子对残差的随机噪声进行压制；6)使用Hankel矩阵逆变换，将通过截断奇异值重构后矩阵变换回时间切片数据，获得噪声压制后的信号数据；7)循环步骤2)到6)，直到所有的时间切片处理完毕，获得原始地面微地震事件信号的增强信号。本发明可以凸显地面微地震事件有效信号能量，压制噪声干扰，提高地面微地震事件信号能量比，增强有效信号识别能力。识别能力。识别能力。


技术研发人员：彭连滔 霍浩 陈鹏 周开明 郭利荣 卢延静
受保护的技术使用者：中国石油化工股份有限公司江汉油田分公司
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/12