随着全球能源需求的持续增长以及常规能源的日渐枯竭,非常规能源以其分布广泛、储量丰富的优势在缓解能源供需矛盾中发挥重要作用,但其渗透率低,需要借助水力压裂实现工业化开采。微地震监测技术是一种实时性强且信息量丰富的岩体稳定性监测手段,通过对裂缝的几何形态与动态延伸过程的刻画,可以指导压裂施工和评价储层改造效果。与井中监测相比,地面监测在地面布设检波器阵列,不需要观测井,施工成本低,具有经济高效的优势。然而,复杂环境噪声和地层吸收衰减效应显著降低了信号质量,增加了有效信号提取和震源精准定位的难度,限制了其在复杂地质条件下的规模化应用。震源定位是微地震监测的核心环节,直接决定了监测信息的应用价值,其准确性受制于初至拾取和速度模型构建精度等多重因素,提升震源定位精度是亟待解决的关键研究课题。 本文围绕地面微地震监测的应用需求与技术挑战,聚焦于数据处理环节,以提高初至拾取准确性和等效速度模型有效性、降低定位结果对两者的依赖性为目标开展相关研究以提升定位的精度与效率,进而提高监测结果的可靠性与时效性,为地面微地震监测技术的发展与应用提供理论支持与实践指导。主要研究内容及贡献如下: (1)研究了震源定位基本原理,明确了走时正演计算的重要作用,分析了走时计算的理论基础与主要方法,确定了适合本文研究的正演方法,通过理论推导和仿真测试分析了虚拟场优化方法的定位性能以及应用局限性,指出初至拾取、速度模型构建以及定位算法优化对定位精度提升的重要作用,为本文整体研究方案设计提供思路。 (2)针对地面微地震监测中信号质量差导致有效信号难以识别、初至拾取精度不足的难题,分析了有效信号与环境噪声在相关性及时域平稳性方面的差异,利用有效信号相关性强且持续时间短的特点,设计了一种基于互相关系数和峰均值功率比参数的双阈值筛选策略提升有效分量提取的准确性,并结合重构信号的AIC特征提出一种自动初至拾取方法,显著提高了低信噪比微地震信号中有效分量提取以及初至拾取的准确性。仿真和实测信号测试结果表明本文方法能够自适应的保留更多有效频率成分,在微地震信号的处理中具有巨大优势。在实测信号的应用中,将有效拾取比例提升为74.17%,其中拾取误差低于5 ms的比例显著提升至42.55%,为复杂环境中的微地震监测提供了重要技术支撑。 (3)针对速度模型构建精度不足导致定位精度低的难题,研究了速度模型校正的理论基础与影响因素,依据实际页岩地层结构的层理分布特征,在传统水平层状模型基础上引入分界面角度参数,结合非常快速模拟退火算法对速度模型中速度、分界面深度和角度参数进行全局优化,提出了基于三维缓倾斜层状介质的速度模型校正方法,在几乎不增加模型复杂度的前提下,显著提升了等效速度模型在定位中的有效性,为微地震监测中速度模型构建提供了一种有效方案。仿真和实测信号测试结果表明本文方法能够显著增强射孔真实位置周围的能量聚焦程度,显著提升定位精度。在3.7 km深度实测信号的应用中,将射孔定位精度提升至其深度的0.32%,为复杂地质条件下速度模型的构建与优化提供了全新思路。 (4)针对虚拟场优化方法(Virtual Field Optimization Method,VFOM)在定位中对到时误差的鲁棒性优势以及在非均质地层中应用的局限性,利用速度模型简化思想,分别通过修正目标事件观测到时和建立虚拟接收表面合理简化传播路径,实现定位问题从复杂介质到均匀介质的转化,分别提出基于到时修正策略和路径简化策略的震源定位方法,在保留均匀模型计算高效性的同时提高了定位精度。仿真和实测信号测试结果表明本文两种方法能够显著降低定位结果对初至到时以及速度精度的依赖性,改善虚拟场优化方法在复杂地质条件中的应用效果,显著提升定位精度。在5 km深度实测信号的应用中,分别将射孔平均垂向定位误差降低至26.36 m和10.01 m,降低了地面监测中垂直视角受限所带来的误差,为工程实践中微地震事件高效定位、裂缝空间分布及其延展形态的准确表征提供了可靠解决方案,对地面微地震监测规模化应用的推广具有重要意义。 综上所述,本文研究内容提升了地面微地震监测中震源定位精度,增强了对水力压裂裂缝空间分布和动态延伸过程的表征能力,为地面微地震监测技术在复杂环境下的应用奠定坚实基础,为其在油气开发中的规模化应用提供了重要支撑。