一种利用微震信号的煤岩体压裂裂缝实时快速监测评价方法

摘要

一种利用微震信号的煤岩体压裂裂缝实时快速监测评价方法，首先计算得到任意时间窗口中的通道平均波形数、时窗最大幅值和、通道平均脉冲数、时窗波形平均持续时间、时窗波形平均主频等微震波形特征参数；在此基础上，分别得到

说明书

技术领域

本发明属于压裂裂缝监测技术领域，涉及煤岩体压裂裂缝的监测，具体涉及一种利用微震信号的煤岩体压裂裂缝实时快速监测评价方法。

背景技术

近年来，压裂技术在油气和干热岩开发、矿井动力灾害防治等方面得到了广泛应用。压裂技术通过压裂钻井或钻孔向煤岩体内部持续注入高压流体，使煤岩破裂并产生压裂裂缝；继续注入高压流体，裂缝就会向煤岩体内部扩展，形成以主裂缝和翼型分支裂缝为主的裂缝网络系统。其中压裂裂缝起裂、扩展及扩展的快速实时监测和评价对提高压裂效果、优化压裂方案设计、防治压裂诱发动力灾害等都具有重要意义。

现场最常用的煤岩体压裂监测方法是通过观测压力曲线进行压裂裂缝监测评价，然而现场煤岩层复杂多变，压力曲线仅仅能表明压裂管路中的压力大小，无法真实反映压裂过程中裂缝中及裂缝尖端的压力；且与压裂裂缝及裂缝尖端的压力存在较大差异，当压裂区域存在潜伏断层、孔洞、采空区等特殊结构时，压力曲线可能出现急剧降低，然而此时压裂裂缝并未起裂或扩展，在实际操作中易造成误判。现场煤岩体压裂前后还常采用在压裂钻井或钻孔周边布置检验孔，通过对比压裂前后检验孔的钻屑量、煤岩体含水率和应力等方法对压裂过程进行监测。首先上述方法只能集中在压裂潜在影响范围中的某一点，不能对整个压裂区域所有点位进行连续监测，在时间上也不能做到实时连续监测；其次，上述方法主要通过应力和含水率变化对压裂影响区域进行点评价，不能对压裂裂缝起裂扩展进行实时连续监测。还有人通过监测压裂后油气产量的变化对压裂效果进行评价，由于压裂后通常要经过一定时间的排水排气才能进行油气抽采，因此此类方法不能对压裂过程进行实时连续监测；而且此类方法只能通过压裂后油气产量变化对压裂效果好坏进行间接评价，不能对压裂裂缝起裂扩展过程进行实时连续监测评价。

近年来，国内外开始采用微震技术进行煤岩体压裂监测。目前微震监测技术主要通过震源定位方法对煤岩体压裂过程进行定位监测。然而由于微震定位计算量大，对监测计算系统以及从业人员的理论和技术要求都很高，监测效率低、监测成本高，也很难做到实时监测；更重要的是煤岩体压裂的微震震源定位结果只能反映压裂裂缝的形态，很难对压裂裂缝主裂缝、分支裂缝的起裂和扩展过程进行快速实时监测。

综上所述，目前急需一种煤岩体压裂裂缝起裂扩展快速监测方法，从而为压裂实施过程中压裂参数的实时调整提供依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用微震信号的煤岩体压裂裂缝实时快速监测评价方法，步骤简单、实时快速。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种利用微震信号的煤岩体压裂裂缝实时快速监测评价方法，具体步骤如下：

(1)煤岩体压裂环境的微震信号背景噪声及诱发的原始微震信号采集

在煤岩体压裂井或压裂钻孔周边布置N个微震传感器，并依次记作第 1,2,3,…,i,…,N号微震传感器(通道)。在压裂作业开始前，采集一段时间的压裂环境的微震信号的背景噪声，计算得到背景噪声的幅值绝对值的平均值和频率分布规律，为压裂诱发有效微震信号检测提供输入数据；启动煤岩体压裂，并实时连续采集煤岩体压裂全过程诱发的原始微震信号。

(2)煤岩体压裂诱发有效微震波形检测及其特征参数提取

根据煤岩体压裂实际情况，选取合理的时间窗口(简称时窗)，时间窗口的时间长度(简称时长)记为L，将煤岩体压裂全过程监测到的原始微震信号按照时间顺序依次划分为M(j＝1,2,3,…,M)个时间长度为L的时间窗口；

采用基于瞬时频率和能量的长短时窗法，对所有时间窗口中各个传感器监测的原始微震信号进行扫描检测，自动识别出煤岩体压裂全过程诱发的有效微震波形(有效微震波形信号)；在此基础上，分别计算得到各个有效微震波形的到达时间、结束时间、波形持续时间、最大振幅和主频；将第j个(j＝1,2,3,…,M) 时间窗口内各个微震传感器监测到的有效微震波形个数定义为波形数，并用字母W表示，并记第j个时间窗口中第i号微震传感器的波形数为在此基础上，将任意时间窗口中平均每个微震传感器监测到的有效微震波形个数记为该时间窗口中的通道平均波形数，用表示，则第j个时间窗口中的通道平均波形数用表示，通过以下公式计算得到：

计算得到各微震传感器监测到的有效微震波形的最大振幅A_max；计算得到各微震传感器监测到的有效微震波形的持续时间T_d；计算得到各微震传感器监测到的有效微震波形的主频F_p；将微震信号的背景噪声的幅值绝对值的平均值作为门槛值，分别计算各微震传感器监测到的有效微震波形中超过门槛值的波峰次数，并将其定义为脉冲数H；

将任意时间窗口中所有微震传感器监测到的有效微震波形的最大幅值之和记为该时窗最大幅值和，用表示，则第j个时间窗口中的时窗最大幅值和用表示，通过以下公式计算得到：

上式(2)中，i＝1,2,3,…,N，表示第j个时间窗口中第i号微震传感器的第k个有效微震波形的最大振幅；

将任意时间窗口中平均每个微震传感器监测到的脉冲数记为该时间窗口中的通道平均脉冲数，用表示，则第j个时间窗口中的通道平均脉冲数用表示，通过以下公式计算得到：

上式(3)中，i＝1,2,3,…,N，表示第j个时间窗口中第i号微震传感器的第k个有效微震波形中的脉冲数；

将任意时间窗口中所有微震传感器监测到的全部有效微震波形的平均持续时间记为时窗波形平均持续时间，用表示，则第j个时间窗口中的时窗波形平均持续时间用表示，通过以下公式计算得到：

上式(4)中，i＝1,2,3,…,N，表示第j个时间窗口中第i号微震传感器的第k个有效微震波形的持续时间；

将任意时间窗口中所有传感器监测到的全部有效微震波形的平均主频记为时窗波形平均主频，用表示，则第j个时间窗口中的时窗波形平均主频用表示，通过以下公式计算得到：

上式(5)中，i＝1,2,3,…,N，表示第j个时间窗口中第i号微震传感器的第k个有效微震波形的主频。

(3)基于微震波形特征参数的煤岩体压裂裂缝实时快速监测评价

分别绘制通道平均波形数时窗最大幅值和通道平均脉冲数时窗波形平均持续时间时窗波形平均主频随时间窗口序号j(其本质为时间)的曲线图，并分别记为曲线、曲线、曲线、曲线和曲线；

根据曲线、曲线、曲线、曲线和曲线纵坐标值的大小和各曲线变化趋势对煤岩体压裂主裂缝起裂、扩展、贯通以及分支裂缝起裂进行监测评价。

当曲线和曲线的斜率同时出现显著增大的转折点，且曲线和曲线出现局部突降，且曲线出现局部突增时，表明煤岩体压裂主裂缝起裂；

此后，当曲线或曲线中任意一条曲线的斜率出现增大；或曲线斜率增大，且同时曲线斜率降低时，表明煤岩体压裂出现分支裂缝起裂；

当煤岩体压裂主裂缝起裂后，曲线、曲线和曲线持续增加；且时窗波形平均持续时间持续大于压裂主裂缝起裂阶段的时窗波形平均持续时间即时窗波形平均主频持续小于压裂主裂缝起裂阶段的时窗波形平均主频即表明煤岩体压裂主裂缝进入稳定扩展阶段；

当曲线、曲线、曲线同时出现全局突降，并下降到全局最低值且持续位于最低值；并且曲线突增到全局最大值，曲线突降到全局最小值，此时表明煤岩体压裂主裂缝贯通已有断层、大裂隙或巷道断面等，继续进行压裂已经失去意义，可将其作为结束压裂作业的微震信号前兆特征。

煤岩体压裂裂缝是在高压流体作用下产生的。与无流体参与的仅由应力造成的煤岩体破裂裂缝诱发的微震波形相比，由于高压流体的参与，压裂裂缝诱发的微震波形幅频、时频、持续时间、脉冲数等参数具有独特的特征。此外，煤岩体压裂过程中会产生压裂主裂缝和分支裂缝，主裂缝和分支裂缝起裂也会产生不同的微震波形信号；裂缝在起裂、扩展和贯通等不同阶段，由于应力、流体压力、流体流动状态等也会造成诱发的微震波形特征参数各不相同。本发明首次系统地根据煤岩体压裂诱发的微震波形参数的差异性特征对煤岩体压裂裂缝起裂、扩展和贯通等进行实时快速监测，主要具有以下有益效果：

(1)本发明利用煤岩体压裂诱发的微震波形特征参数及其随时间的变化特征，实现了对煤岩体压裂裂缝起裂、扩展和贯通等不同阶段的实时快速监测与评价，适用于油气、矿井、干热岩等领域中的煤岩体水力压裂、二氧化碳等气体压裂等各类压裂裂缝的监测与评价技术；此外也可扩展应用至矿山、隧道等地下工程开挖导致的煤岩层裂缝监测与评价中。

(2)传统的煤岩体压裂微震监测方法需要进行微震震源定位、微震波波速成像和震源机制等复杂且计算量庞大的计算工作，传统微震监测时间成本和经济成本都非常高；此外，微震定位、波速成像和震源机制等监测结果的分析解释也晦涩难懂，传统微震监测对相关从业人员专业理论和技术要求很高。本发明的利用微震波形信号特征的煤岩体压裂裂缝实时快速监测方法，计算量小、计算速度快，结果分析解释简单易懂；不仅极大的降低了微震监测的计算工作量、经济成本和时间成本，而且极大降低了监测结果的分析解释难度，从而降低了对相关作业人员的专业技术要求。

(3)本发明得到的煤岩体压裂诱发微震波形特征参数及其随时间的变化特征能够对压裂裂缝微震震源定位和震源机制反演等提供参考和对比，对煤岩体压裂方案设计和实施过程中的压裂参数实时调整具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为煤岩体压裂诱发微震波形特征参数示意图：(a)煤岩体压裂诱发有效微震波形；(b)有效微震波形对应的频谱图；

图3为煤矿井下煤岩体钻孔压裂过程中实际监测到的第j(j＝29)个时间窗口的第i(i＝8)号微震传感器监测的煤岩体压裂诱发的有效微震波形：(a)煤岩体钻孔压裂诱发的9个有效微震波形；(b)1#有效微震波形放大图；(c)1#有效微震波形对应的时频曲线；

图4为煤岩体压裂钻孔诱发的各个微震波形特征参数随时间窗口序号的变化曲线：(a)曲线，(b)曲线，(c)曲线，(d)曲线，(e)曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示为利用微震信号的煤岩体压裂裂缝实时快速监测评价方法流程图。图2是煤岩体压裂诱发微震波形特征参数示意图，从图中可以看出，背景噪声的幅值绝对值的平均值为压裂诱发有效微震波形到达时间为t_a、结束时间为t_e，该波形持续时间为T_d＝t_e-t_a；该波形的脉冲数H＝12；该波形的最大幅值为A_max；该波形的主频为F_p。

图3是煤矿井下煤岩体钻孔压裂第j(j＝29)个时间窗口的第i(i＝8)号微震传感器监测到的煤岩体压裂诱发的有效微震波形。从图3(a)可知，时间窗口长度为120秒，该时间窗口中第8号微震传感器共监测到9个压裂诱发的有效微震波形。图3(b)是该时间窗口中1#有效微震波形放大图，图3(c)是1# 有效微震波形对应的时频曲线，从图3(b)和(c)可知，背景噪声幅值绝对值的平均值背景噪声频率主要分布在15Hz左右，1#有效微震波形的主频为109Hz。

本次煤矿井下煤岩体钻孔压裂微震监测共布置12个微震传感器，即N＝12；将微震传感器依次编号为1～12号传感器。

根据煤岩体压裂裂缝微震监测流程，本次煤矿井下煤岩体钻孔压裂前，进行了微震信号背景噪声测试，计算得到了背景噪声的幅值绝对值的平均值背景噪声的频率主要集中在是15Hz左右，上述背景噪声幅值和频率信息为煤岩体压裂诱发有效微震信号检测提供了输入数据。

根据本次煤矿井下煤岩体钻孔压裂微震监测实际情况，确定了合理的时间窗口，时间窗口时长L＝2分钟＝120秒。将煤岩体压裂监测到的原始微震信号按照时间顺序依次划分为M(j＝1,2,3,…,M)个时长为L的时间窗口。

采用基于瞬时频率和能量的长短时窗法，对所有时间窗口中各个传感器监测的微震信号进行扫描检测，自动识别出煤岩体钻孔压裂全过程诱发的有效微震波形，在此基础上，分别计算得到各个有效微震波形的到达时间、结束时间、波形持续时间、最大振幅和主频。计算得到各个时间窗口中各个微震传感器监测到的有效微震波形个数，即计算得到第j个时间窗口中第i个微震传感器监测到的有效微震波形个数，记为将背景噪声的幅值绝对值的平均值设置为门槛值，计算得到各个有效微震波形持续时间内的脉冲数。

根据以下公式计算得到第j个时间窗口中的通道平均波形数

根据以下公式计算得到第j个时间窗口中所有传感器监测到的有效微震波形的最大幅值之和，即时窗最大幅值和

根据以下公式计算得到第j个时间窗口中平均每个传感器监测到的脉冲数，即通道平均脉冲数

根据以下公式，计算得到第j个时间窗口中所有传感器监测到的全部的有效微震波形的平均持续时间，即时窗波形平均持续时间

根据以下公式，计算得到第j个时间窗口中所有传感器监测到的全部的有效微震波形的平均主频，即时窗波形平均主频

根据以上计算结果，分别绘制通道平均波形数时窗最大幅值和通道平均脉冲数时窗波形平均持续时间时窗波形平均主频随时窗序号j的曲线图，并分别记为曲线、曲线、曲线、曲线和曲线，各个曲线图详见图4所示。

根据图1中详细给出的利用微震波形信号及随时间的变化特征对煤岩体压裂主裂缝起裂、扩展、贯通以及分支裂缝起裂进行监测评价，具体过程和监测评价结果如下：

(1)图4(a)中，曲线OA段曲线斜率为g_w,1，AB段曲线斜率为g_w,2，>w,3，CD段曲线斜率为g_w,4，DE段曲线斜率为g_w,5，EF段曲线斜率为g_w,6，且曲线各段斜率满足：>w,5＜g_w,6＜g_w,1＜g_w,2＜g_w,3＜g_w,4；图4(b)中曲线OA段曲线斜率为g_H,1，AB段曲线斜率为g_H,2，BD段曲线斜率为g_H,3，DE段曲线斜率为>H,4，EF段曲线斜率为g_H,5，且曲线各段斜率满足：>H,4＜g_H,5＜g_H,1＜g_H,3＜g_H,2。

(2)当曲线和曲线的斜率同时出现显著增大的转折点，且曲线和曲线出现局部突降，且曲线出现局部突增时，表明煤岩体压裂主裂缝起裂。从图4可知，在第a个时窗时，即各个曲线上A点时，曲线和曲线的斜率同时出现增大，且此时曲线和曲线出现局部突降，曲线出现局部突增，由此可知，此时煤岩体钻孔压裂主裂缝起裂。

(3)煤岩体钻孔压裂主裂缝起裂后，当曲线或曲线中任意一种曲线的斜率出现增大；或曲线斜率增大，且同时曲线斜率降低时，表明煤岩体压裂出现分支裂缝起裂。从图4可知，在第b个时窗处，即曲线和曲线上B点时，曲线的斜率出现增大，且同时曲线斜率降低，表明此时煤岩体钻孔压裂出现分支裂缝起裂。另外在第c个时窗时，曲线斜率出现增大，此时表明煤岩体钻孔压裂过程再次发生分支裂缝起裂。

(4)当煤岩体压裂主裂缝起裂后，曲线、曲线和曲线持续增加；且时窗波形平均持续时间持续大于压裂主裂缝起裂阶段的时窗波形平均持续时间即时窗波形平均主频持续小于压裂主裂缝起裂阶段的时窗波形平均主频即表明煤岩体压裂主裂缝进入稳定扩展阶段。从图4可知，煤岩体钻孔压裂主裂缝在第a个时窗处主裂缝起裂后一直到第d个时窗，该过程中曲线、曲线和曲线持续增加；且在该过程中，时窗波形平均持续时间一直大于压裂主裂缝起裂阶段的时窗波形平均持续时间即时窗波形平均主频一直小于压裂主裂缝起裂阶段的时窗波形平均主频即这表明从第a个时窗到第d个时窗，煤岩体钻孔压裂主裂缝处于稳定扩展阶段。

(5)当曲线、曲线、曲线同时出现全局突降，并下降到全局最低值，之后持续在最低值附近波动；并且曲线突增到全局最大值，且曲线突降到全局最小值，此时表明煤岩体压裂主裂缝贯通，继续进行压裂已经失去意义，可将其作为结束压裂作业的微震信号前兆特征。从图4 可知，在第d个时窗之后，曲线、曲线、曲线同时出现突然的急剧降低，并在很短的时间内，即在第e个时窗处下降到全局最小值，此后一直到压裂结束，都持续在最小值；并且曲线在第d个时窗后快速增大到第e个时窗时的全局最大值，曲线在第d个时窗后快速下降到第e个时窗时的全局最小值，这表明在第d个时窗之后，煤岩体钻孔压裂主裂缝开始加速扩展，直至第e个时窗时，煤岩体钻孔压裂主裂缝贯通。煤矿井下现场观测也表明在第e个时窗时，在压裂钻孔周边的巷道顶板出现淋水现象，表明煤岩体钻孔压裂主裂缝贯通了巷道顶板破碎带，同时也说明本发明提供的监测评价方法是可行的，对煤岩体压裂方案设计和实施过程中的压裂参数实时调整具有重要意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。