一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法

技术领域

本发明涉及一种煤岩体压裂监测评价方法，具体涉及一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法，属于岩体破裂及工程地球物理监测技术领域。

背景技术

随着煤炭资源开采深度和强度的增加，瓦斯灾害，特别是煤与瓦斯耦合的动力灾害愈来愈严重；而瓦斯(煤层气)虽是井下重大危险源，但它也是一种宝贵的清洁能源；对低透气性煤层进行卸压增透，提高储层的渗透率和抽采瓦斯率是深部瓦斯灾害治理与瓦斯资源高效开发利用的重要途径；水力压裂是石油、页岩气等油气资源开发的核心技术，已经广泛应用于低透气性储层渗透率的改造；近年来，水力压裂技术在煤矿井下煤层卸压增透防治瓦斯灾害及提高瓦斯抽采效率等方面得到了较为成功的应用；然而煤矿井下煤岩体水力压裂裂缝监测及压裂效果评价方面一直没有有效的技术手段，严重制约着煤岩体水力压裂理论、技术及应用进一步发展；微震定位监测技术通过采集煤岩体破裂产生的弹性波信号，根据震源定位结果对煤岩体破坏进行监测评价；目前，微震监测技术主要用来对矿井冲击地压、岩爆等动力灾害进行监测预警；作为一种能够对煤岩体破裂进行有效监测的手段，在煤岩体水力压裂监测评价方面的研究和应用较少；煤矿井下煤岩体水力压裂作业的同时，在压裂区域附近同时存在着煤层工作面回采、巷道掘进、爆破等采掘活动，水力压裂及上述采掘活动都会造成煤岩体损伤破裂，从而诱发微震波形信号；此外，在实验室煤岩试样水力压裂微震监测实验研究过程中，煤岩试样在受水压力作用破坏的同时，其外加载荷也会对煤岩试样造成破坏，产生微震波形信号；若不加区别的直接利用监测的微震波形信号对水力压裂裂缝形态和扩展过程进行监测，可能会造成与真实的水力压裂裂缝存在较大偏差；因此，如何区分水力压裂诱发和采掘等其它活动产生的微震信号，对于煤岩体水力压裂裂缝微震定位监测结果真实可靠性至关重要；近年来，一些学者和现场工程师也开始关注煤岩体水力压裂微震监测，提出了一些水力压裂微震监测装置与方法，然而现有的技术并没有涉及到上述提到的问题，也没有考虑到精细化处理微震的每一个环节；实际上实验室与现场传感器布置位置、有效微震事件的准确识别、高精度到时信息与震源定位结果都会影响煤岩体水力压裂裂缝微震真实可靠性；更为重要的是现有的各类压裂监测方法主要采用微震震源定位结果对水力压裂进行监测，较少涉及同时采用震源定位及震源机制反演结果联合表征水力压裂裂缝时空分布及扩展机理。目前这些问题仍然存在，并没被很好的解决。

目前迫切需要一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明提供一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法，具体包括以下步骤：

(a)根据煤岩体压裂的作业地点确定需要监测的重点区域；根据井下巷道的几何形状、施工现场环境和岩体的性质，布置X个微震传感器，记做C

(b)在开启高压注水泵的同时打开微震监测系统，实时不间断的采集水力压裂全过程的原始波形信号并求出背景噪音的振幅平均值

(c)对微震传感器采集的原始波形信号进行滤波预处理，滤波的频率范围是由水力压裂诱发微震信号的频率来确定；所述原始波形信号滤波结束后，基于背景噪音振幅的平均值

(d)采用长短时窗法对事件筛选窗口W

(e)顺序扫描时刻T

(f)利用波形敏感值对E个有效微震事件进行筛选；

具体包括：(1)将第j个事件筛选窗口内所有微震传感器采集的有效微震波形的平均频率定义为波形平均频率，用

上式中，

(2)将有效微震波形包络线拐点的曲率半径定义为波形偏离值，用P

上式中，

(3)将波形最大幅值和起跳点幅值的差值与上升时间的比值定义为幅值增长速率，用GA表示，则第W

上式中，

(4)将波形的峰后衰减时间和持续时间定义为衰减比，用DA表示，则第W

上式中，

(5)计算波形敏感参数总权重，波形敏感参数总权重＝(1|0)*w

(g)利用局部赤迟信息准则法(AIC)拾取煤岩体水力压裂诱发微震事件的高精度P波到时、P波初至振幅及初动信息；

(h)在已知高精度P波到时的基础上，构建目标函数；引入迭代法，在三维空间坐标系中构建一个四面体，并以四面体的四个顶点作为破裂源，计算目标函数的最大值和最小值，所述最大值和最小值计算完毕后进行比较，抛弃使得目标函数取得最大值的点，同时按照一定变换规则寻求新的顶点构建新的四面体；重复上述步骤直至求得目标函数的最小值满足迭代结束的条件，即为定位事件点；

(i)在微震事件高精度定位的基础上，利用微震传感器采集的P波初至振幅信息结合定位事件点的坐标、微震传感器坐标反演震源矩张量，并在主轴坐标系下将震源矩张量分解为同性部分ISO、纯剪破坏部分DC、其他部分CLVD，同时根据P波初动信息绘出震源沙滩球，表示定位事件点的空间方位信息(走向、倾向、断层夹角)；

(j)将定位事件点的坐标和空间方位信息结合起来，准确绘出裂缝的空间形态，分析裂缝的延伸与贯通，判断起裂时的破坏类型，裂缝延伸时的破坏类型，延伸的裂缝遇到天然节面和层理时的破坏类型。

优选地，所述步骤(a)中微震传感器放置的数量至少为5个，对于室内水力压裂实验，微震传感器应至少布置在样品的两个表面上；对于现场煤岩体水力压裂，微震传感器应采用钻孔安装方式布置在稳定性较好的岩层中。

优选地，所述步骤(c)中，对微震传感器采集的波形信号进行滤波预处理时，采用带通滤波器，滤波器的带宽为f

优选地，所述步骤(d)中，波形信号的特征函数值依照如下公式计算：

式中：STA代表短时窗、LTA代表长时窗，n

优选地，所述步骤(f)中，波形敏感值包括波形平均频率、波形偏离值、平均幅值增长速率、平均衰减比。

优选地，所述步骤(h)中，所述目标函数是利用每个微震传感器采集走时与理论走时之差的绝对值来获得，具体采用以下公式：

上式中，f(x)为目标函数，t为发震时刻，t

优选地，所述步骤(i)、(j)中，所述P波初至振幅信息反演水力压裂裂缝的破裂类型，需已知6个或6个以上微震传感器采集到的P波初至振幅，有效微震事件的破裂类型是根据纯剪切破坏部分M

本发明的有益效果在于：

1、本发明考虑到现场压裂与实验室压裂微震传感器布置的区别，针对实际情况提出合理的传感器布置方式，提高波形信息采集完整性。

2、与传统的微震事件检测相比，本发明提出可更新长度的事件筛选窗口，避免固定时间窗口微震事件拾取精度低、事件丢失率高的问题；同时由于事件筛选窗口的存在，改善了赤迟信息准则法(AIC)在低信噪比的情况下拾取P波到时不唯一的情况，帮助相关从业人员获得高精度的P波到时。

3、本发明利用煤岩体压裂诱发的微震信号具有相对低频、持续时间偏长、起跳不明显等独特的特征，根据波形敏感参数(波形平均频率、波形偏离值、平均幅值增长速率、平均衰减比)，可以区别水力压裂诱发和采掘等其它活动产生的微震信号，极大提高了煤岩体水力压裂裂缝微震定位监测结果真实可靠性，同时也降低时间成本与计算工作量，为后续震源机制反演提供便利。

4、引入了迭代法对震源的位置进行求解，避免通过增加微震传感器个数求解微震位置所带来的成本，提高了经济效益，与传统的水力压裂定位监测方法相比，引入迭代法可更为精确的求解震源的位置，由于迭代算法总是寻找目标函数的最优解，故求解的破裂源位置唯一，不会出现不收敛的情况。

5、本发明将微震定位结果与震源机制参数信息结合起来，能够表征煤岩体压裂裂缝扩展形态、空间分布特征和破裂机理。这对确定破裂半径、破裂面积、水力压裂模型的建立、压裂参数动态调整、现场指导等方面具有重要意义，同时也能够为石油气、天然气、页岩气等致密油气开采监测提供参考和对比，此外也可以拓展到地铁、井下巷道、桥隧开挖等岩体工程造成的裂缝评价与监测。

6、本发明是完整的一套煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法，包括微震传感器的布置、滤波处理、微震事件识别、高精度到时获取、震源定位与震源机制反演，这可以为相关从业人员进行微震数据处理提供经验借鉴。

附图说明

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。

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明含有背景噪音的原始波形信号示意图；

图3(a)为煤岩体水力压裂过程中采集到的第j(j＝3)个事件筛选窗，第i(i＝9)个微震传感器采集的有效微震波形与事件筛选窗口示意图；

图3(b)为煤岩体水力压裂过程中采集到的第j(j＝3)个事件筛选窗口，所有微震传感器采集的有效微震波形与事件筛选窗口示意图；

图4波形特征参数示意图；

图5为煤岩体穿层钻孔水力压裂示意图；

图6为煤岩体水力压裂裂缝微震定位及扩展机理表征图；

图中：1-有效微震波形；2-长时窗；3-短时窗；4-起跳点；5-事件筛选窗口；6-曲率半径；7-包络线；8-煤层；9-泥岩；10-泥岩与砂岩；11-巷道；12-水力压力钻孔；13-封孔器；14-微震传感器；15-定位事件点；16-水力压裂裂缝；17-天然弱面或节理；18-震源沙滩球；19-破裂半径。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-6所示，本实例提供一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法，具体包括以下步骤：

(a)根据煤岩体压裂的作业地点确定需要监测的重点区域；根据井下巷道的几何形状、施工现场环境和岩体的性质，布置X个微震传感器，记做C

(b)在开启高压注水泵的同时打开微震监测系统，实时不间断的采集水力压裂全过程的原始波形信号并求出背景噪音的振幅的平均值

(c)对微震传感器采集的原始波形信号进行滤波预处理，滤波的频率范围是由水力压裂诱发微震信号的频率来确定；所述原始波形信号滤波结束后，基于背景噪音振幅的平均值

(d)采用长短时窗法对事件筛选窗口W

(e)顺序扫描时刻T

(f)利用波形敏感值对E个有效微震事件进行筛选；

具体包括：(1)将第j个事件筛选窗口内所有微震传感器采集的有效微震波形的平均频率定义为波形平均频率，用

上式中，

(2)将有效微震波形包络线拐点的曲率半径定义为波形偏离值，用P

上式中，

(3)将波形最大幅值和起跳点幅值的差值与上升时间的比值定义为幅值增长速率，用GA表示，则第W

上式中，

(4)将波形的峰后衰减时间和持续时间定义为衰减比，用DA表示，则第W

上式中，

(5)计算波形敏感参数总权重，波形敏感参数总权重＝(1|0)*w

(g)利用局部赤迟信息准则法(AIC)拾取煤岩体水力压裂诱发微震事件的高精度P波到时、P波初至振幅及初动信息；

(h)在已知高精度P波到时的基础上，构建目标函数；引入迭代法，在三维空间坐标系中构建一个四面体，并以四面体的四个顶点作为破裂源，计算目标函数的最大值和最小值，所述最大值和最小值值计算完毕后进行比较，抛弃使得目标函数取得最大值的点，同时按照一定变换规则寻求新的顶点构建新的四面体；重复上述步骤直至目标函数的最小值满足迭代结束的条件，即为定位事件点；

(i)在微震事件高精度定位的基础上，利用采集的P波初至振幅信息结合定位事件点的坐标、微震传感器坐标反演震源矩张量，并在主轴坐标系下将震源矩张量分解为同性部分ISO、纯剪切破坏部分DC、其他部分CLVD，同时根据P波初动信息绘出震源沙滩球，表示破裂点的空间方位信息(走向、倾向)；

(j)将定位事件点的坐标和空间方位信息结合起来，准确绘出裂缝的空间形态，分析裂缝的延伸与贯通，判断起裂时的破坏类型，裂缝延伸时的破坏类型，延伸的裂缝遇到天然节面和层理时的破坏类型。

如图2是含有背景噪音的原始波形信号示意图，由图可知背景噪音幅值的平均值

如图3(a)、图3(b)是煤岩体底板穿层钻孔水力压裂过程中监测到的第j(j＝3)个事件筛选窗口，第i(i＝9)个微震传感器采集的有效微震波形。其中samples STA＝20ms，samples LTA＝50ms，采样率100HZ/s。由图3(a)和(b)可知波形起跳点对应的时间是1360ms，事件筛选窗口为[1210ms，1560ms]，前置时间为150ms，后置时间为200ms；从图3(b)可知第j(j＝3)个事件筛选窗口共采集到8个有效微震波形(1#～8#)。

图4是波形特征参数示意图。由图可知该有效微震波形的最大振幅为A

图6是煤岩体水力压裂裂缝微震定位及扩展机理表征图，由图可知水力压裂裂缝分布在以钻孔为轴线，破裂半径为400m的椭圆体范围内。

根据井下巷道的几何形状、施工现场环境以及岩体的性质，本次煤矿井下煤层底板穿层钻孔水力压裂微震监测共布置12个微震传感器14，记做C

在开启高压注水泵的同时打开微震监测系统，实时不间断的采集水力压裂全过程的原始波形信号，同时打开高压液体泵和微震监测系统是为了保证信号不丢失，只要开始压裂作业就会有信号产生。煤岩体水力压裂产生的微震信号不同于煤层工作面回采、巷道掘进、爆破等采掘活动诱发的微震信号。煤岩体水力压裂微震信号是流体渗入与岩石破裂共同耦合产生，而上述采掘活动诱发的微震信号不涉及流体渗入；

如图2所示，根据微震传感器14采集的波形信号求出背景噪音振幅的平均值

原始波形信号滤波结束后，基于背景噪音振幅的平均值

按照上述方法扫描所有微震传感器14采集的波形信号，统计得到E＝6988个有效微震事件。

为了能够区分煤岩体水力压裂诱发和煤层工作面回采、巷道掘进、爆破等采掘活动产生的有效微震事件，利用波形敏感值(波形平均频率、波形偏离值、平均幅值增长速率、平均衰减比)对E＝6988个有效微震事件进行筛选；

根据以下公式计算得到第W

当波形平均频率

根据以下公式计算得到第W

当波形偏离值

根据以下公式计算得到第W

当平均幅值增长速率

根据以下公式计算得到第W

当平均衰减比

根据波形敏感参数(波形平均频率、波形偏离值、平均幅值增长速率、平均衰减比)可求出第j(j＝3)个事件筛选窗5，有效微震事件的波形敏感参数总权重为：1*0.30+1*0.28+0*0.25+0*0.18＝0.58，由于该波形敏感参数总权重>0.55，所以判定第j(j＝3)个事件筛选窗5采集的有效微震事件是煤岩体底板穿层钻孔水力压裂诱发产生的有效微震事件而并非煤层工作面回采、巷道掘进、爆破等采掘活动诱发的产生的有效微震事件。

如图3(b)，利用上述方法对第j(j＝5)个事件筛选窗口5进行扫描并利用波形敏感参数进行判断，第j(j＝5)个事件筛选窗口5内有效微震事件的波形敏感参数总权重为：0*0.30+0*0.28+1*0.25+1*0.18＝0.43，由于该波形敏感参数总权重＜0.55，所以判定该有效微震事件是煤层工作面回采、巷道掘进、爆破等采掘活动诱发产生。

接着利用波形敏感参数对所有微震传感器14采集的波形数据进行判别，最终得到4870个煤岩体底板穿层钻孔水力压裂诱发产生的有效微震事件；并采用局部AIC法拾取这些微震事件的高精度P波到时、P波初至振幅及初动信息。

在已知高精度P波到时的基础上，构建目标函数。引入迭代法，反复迭代，求得2178个定位事件点15，如图5所示。

由图6可知，根据定位事件点15可以粗略的绘出水力压裂裂缝的空间分布形态，判断出压裂的半径为400m，即水力压裂裂缝16分布在以水力压裂钻孔12为轴线，破裂半径19为400m的椭圆体范围内，仅利用定位事件点15分布情况来评价水力压裂的过程不具有说服力。震源机制蕴含着丰富的空间参数信息，因此利用P波初至振幅对2178个定位事件15进行震源矩张量反演，并把震源矩张量分解为同性部分ISO、纯剪切破坏部分DC、其他部分CLVD，统计剪切破坏部分占震源矩张量的比重，同时用P波初动信息绘出震源沙滩球18，从震源沙滩球18中可以获取定位事件点15的空间方位信息(走向、倾向、断层滑移夹角)。

如图6所示，将定位事件点15和震源沙滩球18所表示的空间方位信息结合起来，能够准确的绘出水力压裂裂缝16的空间形态；在煤岩体底板穿层钻孔水力压裂过程中，水力压裂裂缝16的扩展机制以剪切型占优，其中剪切破裂源1787个，占总事件数的81.6％；张拉破裂源266个，占事件总数的12.67％；混合破裂源125个，占事件总数的5.73％。由图6可知，裂缝起裂时发生的破裂类型为剪切破裂，这是由于压裂液的持续注入，在封孔器13中形成憋压环境，当封孔器13内部压裂液的压力大于周围应力环境时，就会将煤层8撑开裂缝；裂缝延伸时发生的破坏类型主要为剪切破裂但同时也出现了混合破裂与张拉破裂，出现混合破裂可能由于裂缝延伸时遇到了天然的弱面或节理17，延伸的裂缝直接贯穿弱面，产生混和破裂；在天然的弱面或节理17附近，定位事件点15颇多，这是因为天然的弱面或节理17本身就存在很多的微小裂纹，在压裂液作用下，更容易受到影响而贯通。

将震源定位和震源机制信息结合起来分析水力压裂裂缝延伸和扩展机理，这对确定破裂半径、破裂面积、水力压裂模型的建立、压裂参数动态调整、现场指导等方面具有重要意义，有益于压裂工程师评价水力压裂的过程。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。