1.一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法,其特征在于: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Ci,i=1、2、3...X,所布置的微震传感器能够监测整个压裂区域;
(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波形信号的频率来确定;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 对微震传感器Ci采集的波形数据进行扫描,当任意微震传感器Cj采集波形信号的幅值超过 时,将该微震传感器波形信号幅值超过 的采样点记为起跳点Sj,起跳点所对应的时间点为Tj,然后从起跳点Sj前置一段时间Tb,后置一段时间Ta,将时间区间[Tb,Ta]定义为事件筛选窗口Wj;
(d)采用长短时窗法对事件筛选窗口Wj中所有微震传感器采集的波形信号进行扫描,j=1、2、3...,若微震传感器Ci中波形信号的特征函数值大于触发阈值λ时,判定微震传感器Ci内存在有效微震波形;当事件筛选窗口Wj内的有效微震波形数B≥m且m≥4时,确定该事件筛选窗口中存在有效微震事件,同时存储该有效微震事件的波形数据,否则,丢弃该事件筛选窗口内有效微震事件的波形数据;
(e)顺序扫描时刻Tj+Tb之后的微震波形信号,统计得到所有的有效微震事件数为E;
(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 表示, 按照如下公式计算:上式中, 表示第j个事件筛选窗口内第i个微震传感器采集的有效微震波形数, 代表第j个事件筛选窗口内第i个微震传感器采集到的第k个有效微震波形的频率;当波形平均频率 时,判定为优选信号,输出结果为1,反之输出结果为0;并对最终输出结果赋予权重w1;
(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Ps表示,则第Wj个事件筛选窗口内平均每个微震传感器采集的有效微震波形的波形偏离值用 表示, 按照如下公式计算:
上式中, 表示第j个事件筛选窗口内第i个微震传感器采集到的第k个有效微震波形包络线的曲率半径,当波形偏离值 判断为优选信号,输出结果为
1,反之输出结果为0,并对最终输出结果赋予权重w2;
(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Wj个事件筛选窗口内每个微震传感器采集的有效微震波形的平均幅值增长速率用 表示, 按照如下公式计算:
上式中, 代表第j个事件筛选窗口内第i个微震传感器采集到的第k个有效微震波形最大幅值和起跳点幅值的差值, 表示第j个事件筛选窗口内第i个微震传感器采集到的第k个有效微震波形的上升时间;当平均幅值增长速率 介于m3~m4,判断为优选信号,输出结果为1,反之输出结果为0,并对最终输出结果赋予权重w3;
(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Wj个事件筛选窗内每个微震传感器采集到的有效微震波形的平均衰减比用 表示, 按照如下公式计算:
上式中, 表示第j个事件筛选窗口内第i个微震传感器采集的第k个有效微震波形的衰减时间, 表示第j个事件筛选窗口内第i个微震传感器采集的第k个有效微震波形的持续时间;当平均衰减比 介于m5~m6,判断为优选信号,输出结果为1,反之输出结果为0;
并对最终输出结果赋予权重w4;
(5)计算波形敏感参数总权重,波形敏感参数总权重=(1|0)*w1+(1|0)*w2+(1|0)*w3+(1|0)*w4,当波形敏感参数总权重>w,判定这个事件为煤岩体水力压裂诱发产生的有效微震事件,按照时间顺序,依次对E个有效微震事件进行筛选,最终得到N个煤岩体水力压裂诱发产生的有效微震事件;
(g)利用局部赤迟信息准则法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出震源矩张量,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,表示定位事件点的空间方位信息;
(j)将定位事件点的空间方位信息和坐标结合起来,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。
2.权利要求1所述的一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法,其特征在于: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。
3.如权利要求1所述的一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法,其特征在于:所述步骤(c)中,对微震传感器采集的原始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f1~f2Hz,仅允许高于较低的频率f1且低于较高的频率f2的特定频段的波形信号通过。
4.如权利要求1所述的一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法,其特征在于: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,nl、ns分别为长时窗长度、短时窗长度,Xi为第i个采样点对应的波形信号的幅值。
5.如权利要求1所述的一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法,其特征在于: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。
6.如权利要求1所述的一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法,其特征在于: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,ti为第i个微震传感器的采集到时,υp为P波波速,经过多次迭代,当目标函数的最小值小于预设的范围,迭代结束。
7.如权利要求1所述的一种煤岩水力压裂裂缝微震定位及扩展机理监测方法,其特征在于: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DC
坏部分M 占震源矩张量比重PDC来确定,其中,PDC>60为剪切破裂,40