一种基于动态地质工程大数据的页岩气地震监测智能评估方法

摘要

本发明涉及一种基于动态地质工程大数据的页岩气地震监测智能评估方法，以实现对页岩气开采区地震事件的实时监测和预警。该方法包括：步骤S1，建立页岩气开发区“三库”，即“地质库”、“地震库”、“工程库”；步骤S2，以步骤S1中的“三库”为大数据支撑，建立地质‑地震‑工程综合动态模型；步骤S3，以S2中动态模型为指导，布设地震监测网络；步骤S4，利用S3中监测网络所监测的事件信息，持续扩容“三库”，建立页岩气勘探开发全覆盖、动静结合的地震监测体系，并选定指标，形成相应的评价标准；步骤S5，以S4中的评价标准为基础，建立以“三库”动态模型为依托，以“评价标准”为指南的大数据可视化地震实时评估、预警系统。

说明书

技术领域

本发明属于页岩气开发环境监测领域，具体设计页岩气开发区地震监测、评估和预警方法。

背景技术

随着我国对天然气需求的不断上涨，2009年8月，我国启动了国内首个国家财政出资的页岩气资源勘查项目，由此也拉开了我国页岩气勘探开发的序幕，目前已在四川、重庆、新疆等地进行了大规模的勘探开发。但是页岩气开发过程中压裂工艺的使用给工区及周边地区带来了诸如水环境、土壤环境、生态地质环境以及工程地质环境影响等许多不稳定的因素，其中工程地质环境影响中的诱发地震灾害风险由于社会层面、经济层面的广泛关注，而显得尤为凸出。

从页岩气地震诱发机制上来看，来自国内外多位学者、专家的研究报告显示，大量的液体通过增压的方式注入地层，会对地层的原始状态产生影响，具体表现在两个方面，一是通过孔隙压力传导，激活连通断层，诱发地震；二是通过地层压力传导，激活未连通、但在地层压力波及范围内的断层，从而诱发地震。而从页岩气开发工程上来看，页岩气开发呈现出以下特点：一是开发区井位密度大导致压裂液注入地层集中；二是压裂液自身特性、注入量、注入速率等并不统一，会随着工程方案而变更；三是开发区本身地质构造特征决定工程施工方案。这两大方面的特征基本上回答了在一个具有某种地质构造特征的开发区，采用某种工艺标准的压裂施工是否增大发生诱发地震几率的问题。

然而，在页岩气地震监测评估方面，除了极个别开发区通过布置少量且分散的地震监测点来监测页岩气地震之外，处于动态变化中的工程因素并未被考虑进去，因此目前尚未形成一套集工程、地质、地震三种元素于一体的页岩气地震动态监测、评估和预警方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于动态地质工程大数据的页岩气地震监测智能评估方法，以实现对页岩气开采区地震事件的实时监测、评估和智能预警。

本发明的技术方案为：

本发明实施例提供了一种页岩气开发区地震监测、评估和预警方法，包括：

步骤S1，建立目标页岩气开发区“三库”，包括：

收集页岩气开发区地质构造数据资料，重点确定断层、裂隙以及构造应力分布特征，建立动态“地质库”。

确定页岩气开发区地震活动性分区，收集历史地震目录以及近期地震目录，按照震级、烈度以及破坏力进行分级统计，建立动态“地震库”；

调查页岩气开发区工程地质活动，对每一项工程活动的范围、工艺标准、工程进度、实施程度进行实时追踪，建立页岩气开发“工程库”。

以上“三库”的建立和后期维护，是基于实时地质构造特征、震例的增减以及工程进度的变化进行自动更新来实现的。

步骤S2，以步骤S1中的“三库”为大数据支撑，建立地质-地震-工程综合动态模型：

分别以地质资料库为基础，建立地质力学模型；以地震库为基础，建立地震活动性模型；并辅以“工程库”，联动“三库”，以实现“三库”中任何一个的变化就会导致模型的相应调整，从而形成地质-地震-工程综合动态模型。

步骤S3，参考动态模型，布设地震监测网络：

以在不断优化中的综合动态模型为指导，布设地震监测台网及相应信息处理系统，并将记录到的工程地质事件、地震事件反馈到对应的“工程库”和“地震库”中，进而对“页岩气动态开发模型”和“地震活动性模型”进行再优化，最终优化指导地震监测网络的布设。

步骤S4，持续扩容“三库”，建立页岩气勘探开发全覆盖、动静结合的地震监测体系，并选定指标，形成相应的评价标准：

以步骤S3中的闭环优化模式为基础，通过“三库”、综合动态模型、监测网络的互相反馈、不断优化，建立页岩气勘探开发全覆盖、动静结合的地震监测体系；并同时在此过程中提炼出对反馈和优化影响较大的不确定性因子，形成台网监测能力评价指标；综合地质影响因子、工程影响因子、地震影响因子，制定出评价标准。

步骤S5，建立以“三库”动态模型为依托，以“评价标准”为指南的大数据可视化地震实时评估、预警系统：

对步骤S4中形成的评价指标和评价标准进行可视化分析，从指标数值本身的变化以及其蕴含的地震信息，提炼出数值区间等级及对应的地震信息，并以此形成不同地震危险等级的阈值范围，对处于不同阈值区间的指标给出评估和预警信息，从而指导工程地质活动和规避地震风险。

优选地，步骤S1中：

“地质库”是目标页岩气开发区地质数据资料库，包括地质模型、断裂系统、一维地质力学模型，其中地质模型涵盖了开发区地层、构造、页岩气资源量等基础地质特征；断裂系统是将断层按不同活动时代进行分类而形成的，并根据断层活动事件进行实时更新。

“地震库”是目标页岩气开发及影响区范围的所有已记录到地震的合集，并分别根据震级大小、烈度、波及范围进行了主（影响）分类，再根据震源深度、发震时间、发震位置进行了次（元素）分类。

“工程库”是目标页岩气开发区内所有页岩气工程活动的合集，并分别对不同施工进度、施工标准进行分类管理。

优选地，步骤S2中：

地质力学模型是基于地质模型、断裂系统和一维地质力学、时间元素而形成的四维动态地质力学模型，并考虑了页岩的横观各向同性模型（TIV）和地应力场。

地震活动性模型的建立，首先将断裂系统中的每一条断层视为潜震源，利用地震危险性分析与灾害风险评估软件OpenQuake建立断层（震）源分区模型；接着利用“地震库”中的历史地震目录，在空间分布的基础上添加时间元素，建立页岩气开发区历史地震四维分布模型；最后耦合断层（震）源分区模型和历史地震四维分布模型，形成动态的地震活动性模型。

页岩气动态工程模型是在页岩气工程施工及影响范围区划分的基础上，重点关注压裂施工阶段，将压裂工艺水平（压力、深度）、压裂液（特性、注入速率、注入量）、工程进度（时间）以及实施程度（阶段）作为4个影响因子，并根据每个因子特征赋予权重值，建立动态工程模型，形成综合影响系数因子。

优选地，步骤S3中：

闭环优化模式是基于事件对模型的再优化、模型对事件记录的再指导而形成的闭环行为模式，其特点在于将新地震事件与工程事件视作新元素，添加到数据库中，实时生成新的数据库，并同时对模型进行更新，形成新的模型，最后在人工的决策下，剔除影响因素，及时优化地震监测网络的布设和预警信息的准确性。

优选地，步骤S4中台网能力评价指标具体为：

P1，某段时间内记录到的天然地震与非天然地震数量之比，用来反映台网整体记录非天然地震的能力；

P2，台网辖区内记录到某一非天然地震的台站数量与未记录到的数量之比，用来反映台网中某部分台站对非天然地震的记录能力；

P3，台网辖区内记录到地震三要素误差较小的地震数量与误差较大数量之比，用来反映每一个台站的地震定位分析能力；

P4，台网辖区内记录到的工程地质事件数量与辖区内实际发生的事件数量之比，用来反映台网识别工程地质事件的能力。

D，台网综合监测能力，D=α*P

步骤S4中，评价标准的影响因子赋分具体为：

F

F

F

优选地，步骤S5中，阈值不是一个静态的值，而是随着新地震事件或工程事件的加入而不断更新变化的，因此步骤S5具体流程如下：

①基于历史地震目录、地质特征以及工程概况，布置地震监测台网，台网监测能力视之为本底监测能力D，对应划分出来的阈值区间视之为本底阈值Y；

②基于本底阈值Y，获得监测区阈值分布特征；

③加入新地震事件、工程事件，引入GBDT（梯度提升树）算法，对本底监测能力D以及对应的阈值进行迭代计算，获取一系列监测能力D

④形成残差集，并对不断补充更新的残差集进行拟合，形成最终的残差系数，并带入原始本底数据，并重复②、③步骤，生产最终的学习循环模式；

⑤通过以每一次迭代、循环后所形成的监测能力D和阈值范围Y为指导，合理布置台网，并实时给出预警信息。

本发明的有益效果为：能实时对页岩气开发区地震进行监测、评估，并给出预警，通过给出的预警信息，指导页岩气开发方案的实时调整，促进页岩气的绿色、可持续开发。本发明能弥补当前页岩气开发区地震监测、评估、预警体系的空缺，能较好的达到页岩气开发实时管控的效果。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为台网监测能力评价指标构成说明；

图3为危险等级阈值构成说明；

图4为GBTD迭代下的D、Y构成说明；

图5是建立地质力学模型的状态图；

图6是建立地震活动性模型过程中，增添地震和时间元素的示意图；

图7是在地震活动性模型的基础上，添加工程信息形成的地质-地震-工程综合动态模型；

图8是地震监测网络布设的优化模式。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参见图1，本发明提出的页岩气开发区地震监测、评估、预警方法包括如步骤：

步骤S1，建立页岩气开发区“地质库”、“地震库”、“工程库”三库。

建立动态“地质库”：根据目标页岩气开发区所处构造背景，结合现有的区域地质资料，研究并收集目标页岩气开发区地质构造数据资料，重点确定断层、裂隙以及构造应力分布特征，建立动态“地质库”。该“地质库”是目标页岩气开发区地质数据资料库，包括地质模型、断裂系统、一维地质力学模型，其中地质模型涵盖开发区地层、构造、页岩气资源量等基础资料；断裂系统是将断层按不同活动时代进行分类而形成的，并根据断层活动事件进行实时更新。例如在断裂系统分类中，将断层按照活动时代、断层性质、走向、倾向和长度进行分类，并形成活动断层分布动态系统，具体形式可以参考中国地震灾害防御中心地震活动断层数据中心所展示的活动断层分布图。

建立动态“地震库”：根据中国地震局关于地震活动性的分区结果，确定目标页岩气开发区所处分区，并收集分区内历史地震目录以及近期地震目录，按照震级、烈度以及破坏力进行分级统计，建立动态“地震库”。该“地震库”是目标页岩气开发及影响区范围的所有已记录到地震的合集，并分别根据震级大小、烈度、波及范围进行了主影响分类，再根据震源深度、发震时间、发震位置进行了次元素分类。

建立页岩气开发“工程库”：调研页岩气开发区工程地质活动，对每一项工程活动的范围、工艺标准、工程进度、实施程度进行实时追踪，建立页岩气开发“工程库”。该“工程库”是目标页岩气开发区内所有页岩气工程活动的合集，并分别对不同施工进度、施工标准进行分类管理。

基于实时地质构造特征、震例的增减以及工程进度的变化，来对“三库”进行自动更新和后期维护。

步骤S2，以步骤S1中的“三库”为大数据支撑，建立地质-地震-工程综合动态模型：即分别以地质资料库为基础，建立地质力学模型；以地震库为基础，建立地震活动性模型；并辅以“工程库”，联动“三库”，以实现“三库”中任何一个的变化就会导致模型的相应调整，从而形成地质-地震-工程综合动态模型。

具体地，建立地质力学模型之前，需要通过地震反演、断裂系统、一维地质模型等手段获取三维地质力学参数，并考虑目标开发区的地应力分布特征，最终加入时间元素，建立四维地质力学模型。

例如，在图5的模型中，展示了地层、断裂、地应力等关键性元素，并随着时间连续性变化，例如时间2相对于时间1地应力发生了变化、断裂错动程度发生变化，都可以在模型上得到很好的展示。

建立地震活动性模型是在地震活动性分区的结果上，划分潜在震源区，分背景源和构造源，分别确定背景源震级上限和构造源震级上限，并最终建立地震活动性模型。具体是：首先将断裂系统中的每一条断层视为潜震源，建立断层（震）源分区模型；再利用“地震库”中的历史地震目录，在空间分布的基础上添加时间元素，建立目标页岩气开发区历史地震四维分布模型；最后耦合断层（震）源分区模型和历史地震四维分布模型，形成动态的地震活动性模型。在建立地震活动性模型的过程中，我们会在已建立好的地质模型的前提下，增添地震和时间元素，如图6所示，例如在时间1的基础上，由于新震源（震源3）的增加或者新断裂的产生，及时在原模型上增加新震源区，形成时间2的新地震活动性模型。

在地质力学模型和地震活动性模型的基础上，加入“工程库”，通过工程事件数量、进度、强度的变化，影响地质力学模型和地震活动性模型元素的变化，从而产生联动变化，形成地质-地震-工程综合动态模型。具体是在页岩气工程施工及影响范围区划分的基础上，重点考虑压裂工艺水平（压力、深度）、压裂液（特性、注入速率、注入量）、工程进度（时间）以及实施程度（阶段）4个方面，并将实时工程信息添加至地震活动性模型，形成地质-地震-工程综合动态模型。地质-地震-工程综合动态模型是在地震活动性模型的基础上，添加工程信息形成的，参见图7，例如时间2相对于时间1来说，施工压裂进度的深入，作业影响范围会随着产生变化，这是一个动态变化的过程，都能通过连续模型的变换得到反映。

步骤S3，参考地质-地震-工程综合动态模型，布设地震监测网络：

主要是以在不断优化中的综合动态模型为指导，布设地震监测台网及相应信息处理系统，并将记录到的工程地质事件、地震事件反馈到对应的“工程库”和“地震库”中，进而对“页岩气动态开发模型”和“地震活动性模型”进行再优化，最终优化指导地震监测网络的布设。

步骤S3的创新之处在于，地震监测网络布设的优化是一个闭环的模式，具体流程如下：将基于历史地震目录、地质特征以及工程概况布设的地震监测网络视之为本底网络，当有新地震事件发生或者工程事件出现时，可以根据台网记录到的事件质量，及时调整台站布设方式，提高监测能力，进而更加准确地记录下一个新事件，形成每一个旧事件对新事件监测准确性不断优化的闭环模式。参见图8，例如，在增加新工程平台的同时，增加了地震监测台站进行监测，新台网在兼顾新工程平台的基础上，扩大了监测范围，增添了地震事件，补充了地震目录。

步骤S4中，通过步骤S3中动态优化的地震监测网络所监测到的地震事件和工程事件，

提取出台网能力评价指标P、评价标准影响因子，并通过事件实时更新指标系数。

其中，参见图2，台网能力评价指标P包括：天然地震与非天然地震数量之比P

评价标准影响因子包括地质影响因子（F

F

F

F

步骤S5中，通过综合步骤S4中划定的评价指标系数，形成不同地震危险等级的阈值范围，并对不同的阈值范围给出对应的预警信息。

此步骤的创新之处在于，阈值不是一个静态的值，而是随着新地震事件或工程事件的加入而不断更新变化的，具体流程如下：

①基于历史地震目录、地质特征以及工程概况，布置地震监测台网，台网监测能力视之为本底监测能力D，对应划分出来的阈值区间视之为本底阈值Y；

②基于本底阈值Y，获得监测区阈值分布特征；

③加入新地震事件、工程事件，引入GBDT（梯度提升树）算法，对本底监测能力D以及对应的阈值进行迭代计算，获取一系列监测能力D

④形成残差集，并对不断补充更新的残差集进行拟合，形成最终的残差系数，并带入原始本底数据，并重复②、③步骤，生产最终的学习循环模式；

⑤通过以每一次迭代、循环后所形成的监测能力D和阈值范围Y为指导，合理布置台网，并实时给出预警信息。以上迭代参见图4。

参见图3，不同地震危险等级的阈值（Y）确定方法具体如下：

根据专家经验对地质影响因子（F

步骤S5中，不同地震危险等级的阈值范围（Y）具体为：

阈值为6时：当监测到3级及以下非破坏性地震处于构造活跃区，震源1-5km范围内有高强度工程施工，并有历史地震表明该区属于地震活跃区6。

阈值范围为3-5时：a. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于构造活跃区，震源1-5km范围内有中等强度工程施工，地震数据表明该区进入地震活跃区5；b. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于非构造活跃区，震源1-5km范围内有高强度工程施工，地震数据表明该区进入地震活跃区5；c. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于构造活跃区，震源1-5km范围内有低强度工程施工，地震数据表明该区进入地震活跃区4；d. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于构造活跃区，震源1-5km范围内有中等强度工程施工，地震数据表明该区进入地震活跃区4；e当监测到3级及以下非破坏性地震处于非构造活跃区，震源1-5km范围内有低强度工程施工，地震数据表明该区进入地震活跃区3。

阈值范围为0-2时：a. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于构造活跃区，震源1-5km范围内有中等强度工程施工，地震数据表明该区未进入地震活跃区2；b. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于非构造活跃区，震源1-5km范围内有高强度工程施工，地震数据表明该区未进入地震活跃区2；c当监测到3级及以下非破坏性地震处于构造活跃区，震源1-5km范围内有低强度工程施工，地震数据表明该区未进入地震活跃区1；d. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于非构造活跃区，震源1-5km范围内有中等强度工程施工，地震数据表明该区未进入地震活跃区1；e. 当监测到3级及以下非破坏性地震处于非构造活跃区，震源1-5km范围内有低强度工程施工，地震数据表明该区未进入地震活跃区0。

其中，地震活跃区是根据目标区范围内各震级段的地震频次，并结合历史地震划分的相对地震活跃区。

步骤S5中，不同阈值范围对应给出的预警信息具体为：

阈值6：红色预警，表示若继续高强度工程施工，有较大风险会引发更大震级或破坏性地震。

阈值3-5：橙色预警，表示若保持该强度工程施工，有较小风险会引发更大震级或破坏性地震。

阈值0-2：绿色预警，表示若保持该强度工程施工，不易引发更大震级或破坏性地震。

本发明能实时对页岩气开发区地震进行监测、评估，并给出预警，通过给出的预警信息，指导页岩气开发方案的实时调整，促进页岩气的绿色、可持续开发。本发明能弥补当前页岩气开发区地震监测、评估、预警体系的空缺，能较好的达到页岩气开发实时管控的效果。