CN113885073A - 基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，包括对试验材料开展声发射监测下的三点弯断裂试验，分析该材料断裂过程中所释放弹性波的完整波形特征；计算波形同步与波形起振时间，构造非线性方程组的权函数并通过无约束优化算法进行求解；确定声发射事件波形参数及波速的空间分布特征，通过与岩石非线性断裂直接相关的特征参数：声发射能量、声发射事件波速、声发射频率及震源机制全面地刻画压裂裂缝的非线性断裂特征；显著提升了压裂的定位精度，进而确定与非线性断裂相关的波形参数空间分布，最终通过声发射精细化监测压裂裂缝扩展的非线性断裂特征，保障油气、地热、煤炭等地质能源安全高效开采。
Description
技术领域
本发明涉及压裂裂缝微震监测领域，具体涉及基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法。
背景技术
压裂是通过高压流体破裂岩石并驱动裂缝扩展的工艺方法，该方法目前已被广泛应用于地热、油气储层的增渗改造以及井工矿围岩控制与煤层增透抽采瓦斯。缝尖断裂过程区(微裂缝区)及裂缝面两侧微裂缝带的发育使压裂裂缝呈非线性断裂，因此，精细化监测压裂裂缝的非线性断裂是深化压裂理论与有效监测控制裂缝扩展的基础。
现有研究表明，在岩石类材料缝尖形成由大量微裂缝构成的断裂过程区是岩石断裂的突出特征，该特征不符合排布均匀原子依次断开致使裂缝扩展的线弹性假设，使岩石断裂呈现非线性。此外，深部地层高温、高应力、多相流体以及井工矿中的强扰动应力会加剧岩石的非线性断裂。当岩石中形成不同尺度的裂缝时，会释放不同频率的弹性波，该弹性波即声发射，其频率由低到高可分为地震、微震与地音等。因此，声发射监测被广泛应用于刻画岩石压裂裂缝的扩展，如现场压裂的微地震监测以及实验室内压裂物理模拟试验的声发射监测。
近年来，采用声发射监测方法刻画水力裂缝扩展的研究主要聚焦于统计水力裂缝扩展过程中声发射事件计数与波形参数演化规律、声发射源的空间分布特征以及声发射震源的断裂机制三方面，但仍存在两方面的局限性：(1)现有声发射定位多应用声发射设备供应商的商业软件，此类软件对金属材料及岩石类材料中的声发射定位具有极好的通用性，且具有较快的计算速度。但现有定位方法未考虑压裂裂缝突出的非线性断裂特性，缺少对岩石断裂波形的精细化分析，致使岩石断裂的声发射定位精度不足，难以支撑压裂裂缝扩展的量化分析与理论模型的建立。(2)现有刻画压裂裂缝扩展的声发射特征信息少，主要为特征参数随时间的演化特征以及声发射事件的空间分布特征，声发射特征参数与压裂裂缝非线性断裂特征的相关关系不明，通过声发射刻画压裂裂缝非线性断裂特征的精细化程度低。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，以多尺度裂缝形成时释放不同频率声发射(弹性波)的物理机制为切入点，采用声发射精细化分析对压裂裂缝断裂特征的刻画由线弹性深入到非线性，瞄准岩石非线性断裂特征，优化了高质量波形拾取、波形同步与起振时间计算以及定位算法等系列环节，较现有商业声发射定位程序显著提升了定位精度，进而可通过声发射特征参数的空间展布精细化刻画压裂裂缝断裂过程区与微裂带内能量耗散、损伤程度、多尺度断裂及拉-剪-塌断裂机制等空间演化特征。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，包括以下步骤：
(1)对试验材料开展声发射监测下的三点弯断裂试验，得到该材料断裂过程中所释放弹性波的完整原始波形信号；
(2)根据步骤(1)中得到的完整原始波形信号的特征，不断调整断裂试验的声发射波形采集参数同时编写断裂试验过程中高信噪比优质破裂信号的选取程序，丢弃长持续时间的噪音信号以及多个撞击叠加在一起的信号从而得到优化后的完整原始波形信号；
(3)利用任选两个传感器时，震源信号纵波传递至两个传感器的时差一定不高于纵波在两个传感器间的传播时间的基本法则，根据步骤(2)中得到的完整原始波形信号的过门限的时间将所述完整原始波形信号划归为若干组同步波形即声发射事件，舍弃一组波形不足4个撞击的声发射事件，通过AIC算法计算剩下的声发射事件的同步与起振时间，拾取对应同一个破裂事件的一组同步波形作为定位的基础；
(4)根据步骤(3)中作为定位基础的一组同步波形的起振时间，将无约束优化算法与动态波速反演相结合进行声发射定位，通过构造非线性方程组的权函数并通过无约束优化算法进行求解，确定声发射源；
(5)根据步骤(4)中确定的声发射源来确定用于全面地刻画压裂裂缝的非线性断裂特征的声发射事件波形参数及波速的空间分布特征。
优选地，步骤(2)中的声发射波形采集参数包括峰值鉴别时间、撞击鉴别时间、门限。
优选地，步骤(5)中的声发射事件波形参数包括声发射能量、声发射事件波速、声发射频率及震源机制。
优选地，所述声发射能量即声发射源的能量是以声发射源到不同传感器的距离为加权量，通过式(1)将所述加权量的平均值作为声发射源的能量；
式(1)中，Eae为声发射源的能量，单位v·s；n为声发射事件的同步波形数目，
为单个声发射波形的能量，单位v·s；di为声发射源到某个声发射传感器之间的距离，单位m。
优选地，所述声发射事件波速是刻画压裂裂缝断裂过程区及水力微裂缝带中震源周围损伤程度的特征参量，所述声发射波速越低则表明声发射源距离微裂缝区中心越近且其周围微裂缝区损伤程度越高。
优选地，所述声发射频率为步骤(5)中的声发射事件中超过门限的峰值数与持续时间的比值。
优选地，所述震源机制为拉-剪-塌断裂机制与增渗效果表征参量，所述震源机制用于识别岩石微破裂的断裂机制，包括拉张型、剪切型与坍塌型，能够刻画压裂裂缝断裂过程区及水力微裂缝带内的微破裂机制。
优选地，所述微破裂机制通过公式(2)进行判别，
式(2)中，pol为声发射事件的极性值，无因次；Api为单个声发射波形的初动幅值，单位v；n是声发射事件的同步波形数目。
优选地，步骤(4)中一组同步波形对应的波形数目不少于5个。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明以岩石断裂过程中缝尖形成断裂过程区(微裂缝区)且释放声发射的物理机制为切入点，采用声发射精细化分析对压裂裂缝断裂特征的刻画由线弹性深入到非线性。
(2)本发明瞄准岩石非线性断裂特征，优化了波形拾取、波形同步与起振时间计算的计算流程，提出了采用动态波速与无约束优化算法的定位方法，较现有商业声发射定位程序显著提升了定位精度。
(3)本发明确定了声发射特征参数与岩石断裂的相关关系，在提高定位精度的基础上得到了压裂裂缝声发射特征参数空间展布特性，进而精细化地刻画了压裂裂缝断裂过程区与微裂带内能量耗散、损伤程度、多尺度断裂及拉-剪-塌断裂机制等时空演化特征，有效监测压裂裂缝的扩展，进而保障油气、地热、煤炭等地质能源安全高效开采。
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是本发明实施例的基于全波形分析的声发射定位方法流程图；
图2是对应于岩石断裂的优质波形及波形参数；
图3是声发射事件所对应的一组撞击波形；
图4是AIC算法拾取起振点示意图。
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。
参阅图1基于全波形分析的声发射定位方法主要流程，本实施例提供基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，具体包括如下步骤：
(1)对试验材料开展本领域技术人员所熟知的声发射监测下的三点弯断裂试验，得到该材料断裂过程中所释放弹性波的完整原始波形信号；
(2)分析完整原始波形信号特征，根据原始波形信号特征不断优化压裂试验的声发射波形采集参数(峰值鉴别时间、撞击鉴别时间以及门限等)，提升信号采集质量，避免采集的一个波形包含多个撞击信号；同时根据试样破裂的信号形态特征，编写压裂试验过程中高信噪比优质破裂信号的选取程序，丢弃长持续时间的噪音信号以及多个撞击叠加在一起的信号，得到优化后的完整原始波形信号；上述原始波形信号的采集与处理可为提高后续定位精度提供优质波形，同时避免了对劣质信号的无效计算，在信号采集源头上保障定位精度和计算效率的提升，参照图2。
(3)利用任选两个传感器时，震源信号纵波传递至两个传感器的时差一定不高于纵波在两个传感器间的传播时间的基本法则，即符合三角形两边之差小于第三边的基本法则，根据步骤(2)中得到的完整原始波形信号的过门限的时间将所述完整原始波形信号划归为若干组同步波形即声发射事件，舍弃一组波形不足4个撞击的声发射事件，一组波形中的单个信号为撞击，通过AIC算法计算剩下的声发射事件的同步与起振时间，拾取对应同一个破裂事件的一组同步波形作为定位的基础，参照图3，舍弃一组波形不足4个撞击的事件，进一步滤掉了无效波形，节约了后续计算时间，选用经典的AIC算法作为拾取起振时间的有效方法，该算法实质为对原始同步波形的时域波形中每个数据点前后数据方差对数值求和，得到的结果为AIC值，AIC的最小值对应的时间可确定为起振时间，参照图4；
(4)根据步骤(3)中作为定位基础的一组同步波形的起振时间，将无约束优化算法与动态波速反演相结合进行声发射定位，通过构造非线性方程组的权函数并通过无约束优化算法进行求解，确定声发射源；
(5)根据步骤(4)中确定的声发射源来确定用于全面地刻画压裂裂缝的非线性断裂特征的声发射事件波形参数及波速的空间分布特征；所述声发射事件波形参数包括声发射能量、声发射事件波速、声发射频率。
本实施例所采用的数据处理方法可克服AIC拾取到时在实际应用中存在的两方面局限性，(a)在原始数据中拾取优质波形的处理方法一方面为AIC到时拾取提供了高质量源数据，有利于避免劣质信号干扰并提升到时拾取精度，另一方面可根据断裂试验确定的声发射信号特征选定单个波形的AIC计算区域，仅需在信号峰前头部计算，大大降低了计算量，提升了计算效率；(b)先进行波形同步然后开展到时拾取的计算流程，可避免对无效波形的到时拾取计算，进一步提升计算效率。因此，本实施例所采用的计算方法能够显著提升到时拾取精度及计算效率。
将无约束优化算法与动态波速反演相结合对声发射源进行定位，通过构造非线性方程组的权函数并通过无约束优化算法进行求解，将声发射事件波速视为未知量求解，其中声发射事件对应的一组波形数目应不少于5个，使声发射事件波速成为压裂过程中声发射的特征动态参量，可用于刻画压裂裂缝扩展过程中断裂过程区与水力微裂缝带的演化规律。
当声发射源确定后，可以确定声发射事件波形参数及波速的空间分布特征，可用于全面地刻画压裂裂缝的非线性断裂特征。其中，声发射能量、声发射事件波速、声发射频率及震源机制是与岩石非线性断裂直接相关的特征参数。
声发射能量即声发射源的能量是同步波形超过门限部分的积分面积，具体参照图2，且声发射能量是与岩石非线性断裂相关关系最密切的参量。在岩石断裂过程区发育过程中，微裂缝的形成具有能量耗散，当断裂过程区完全发育后，单位长度断裂过程区的耗散能达到临界值时，真实裂缝面形成，其中耗散能的临界值即断裂能。声发射能量是岩石非线性断裂过程中能量耗散的一部分，声发射能量与岩石断裂能大致呈正比。因此，声发射能量是表征压裂裂缝扩展过程中耗散能与断裂能的参量，进而岩石断裂过程中的声发射能量时空演化特征可支撑非线性断裂模型的建立。本实施例所分析的声发射能量均为可定位的声发射事件能量，但因不同声发射事件所包含的撞击波形数目不等，且声发射源到不同传感器距离的差异会对信号造成程度不等的衰减，不能简单的将一组波形的能量求和或求平均值作为声发射能量，本实施例以声发射事件源到不同传感器的距离为加权量，通过式(1)将上述加权量的平均值作为声发射源的能量。
式(1)中，Eae为声发射源的能量即校正后的声发射能量，单位v·s；n为声发射事件的同步波形数目，
为单个声发射波形的能量，位v·s；di为声发射源到某个声发射传感器之间的距离，单位m。
声发射事件波速为震源周围损伤程度的表征参量，在岩石力学中波速可用于表征岩石动态弹性参数，是刻画压裂裂缝断裂过程区及水力微裂缝带中震源周围损伤程度的特征参量，声发射事件波速的减小与增大则可表征岩石的损伤及压实。本实施例将在定位过程中反演岩石断裂过程中的动态波速本实例为纵波波速，纵波波速越低则表明震源距离微裂缝区中心越近且其周围微裂缝区损伤程度越高。
声发射频率为破裂尺度表征参量，岩石破裂尺度与声发射频率呈反比，因此声发射频率的空间演化可用于刻画压裂裂缝断裂过程区及水力微裂缝带中微裂缝的萌生及融合规律；本实施例所采用的频率为平均频率即振铃计数，所述振铃计数为同步波形中超过门限的峰值数与持续时间的比值，见图2。
声发射震源机制为拉-剪-塌断裂机制与增渗效果表征参量，声发射的震源机制主要用于识别岩石微破裂的断裂机制，包括拉张型、剪切型与坍塌型三类。通过震源机制分析可以刻画压裂裂缝断裂过程区及水力微裂缝带内的微破裂机制，具有两方面的意义：(a)通过统计压裂不同阶段的拉张、剪切及坍塌微破裂信号所占比例，可定量研究压裂裂缝非线性断裂的微破裂演化规律；(b)剪切型裂缝在缝内压裂液流出后依旧可以在地应力作用下保持张开，因此压裂裂缝水力微裂缝带中剪切型微裂缝的比例是评价储层压裂增渗有效性的重要指标。本实施例采用纵波的初动极性判别方法用于识别声发射源微裂缝的断裂机制。如果大多数声发射传感器接收到的声发射波形初动极性为压缩型即负极性型则该声发射事件表征拉伸型微裂缝信号源微裂缝源，如果大多数声发射传感器接收到的声发射波形初动极性为膨胀型即正极性型，则该声发射事件表征坍塌型微裂缝信号源微裂缝源，而其他形式的声发射事件均产生于剪切源微裂缝源。
微裂缝的断裂机制可通过声发射事件的极性值(pol)进行判别，如式(2)所示。
在式(2)中，pol为声发射事件的极性值，无因次；Api为单个声发射波形的初动幅值，单位v；n是声发射事件的同步波形数目。pol可用于判别声发射事件的断裂机制：-0.25≤pol≤0.25表征剪切源，-1≤pol＜-0.25表征拉伸源，0.25＜pol＜1表征塌陷/内破裂源。
本实例的声发射精细分析方法能够实现两个目标：1、提升压裂的定位精度，进而确定与非线性断裂相关的波形参数空间分布。
2、通过声发射精细化监测压裂裂缝扩展的非线性断裂特征。
本实例以岩石断裂过程中缝尖形成断裂过程区即微裂缝区且释放声发射的物理机制为切入点，采用声发射精细化分析对压裂裂缝断裂特征的刻画由线弹性深入到非线性。
本实施例瞄准岩石非线性断裂特征，优化了波形拾取、波形同步与起振时间计算的计算流程，提出了采用动态波速与无约束优化算法的定位方法，较现有商业声发射定位程序显著提升了定位精度。
本实施例确定了声发射特征参数与岩石断裂的相关关系，在提高定位精度的基础上得到了压裂裂缝声发射特征参数空间展布特性，进而精细化地刻画了压裂裂缝断裂过程区与微裂带内能量耗散、损伤程度、多尺度断裂及拉-剪-塌断裂机制等时空演化特征，有效监测压裂裂缝的扩展，进而保障油气、地热、煤炭等地质能源安全高效开采。
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。
Claims (9)
1.基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对试验材料开展声发射监测下的三点弯断裂试验，得到该材料断裂过程中所释放弹性波的完整原始波形信号；
(2)根据步骤(1)中得到的完整原始波形信号的特征，不断调整断裂试验的声发射波形采集参数同时编写断裂试验过程中高信噪比优质破裂信号的选取程序，丢弃长持续时间的噪音信号以及多个撞击叠加在一起的信号从而得到优化后的完整原始波形信号；
(3)利用任选两个传感器时，震源信号纵波传递至两个传感器的时差一定不高于纵波在两个传感器间的传播时间的基本法则，根据步骤(2)中得到的完整原始波形信号的过门限的时间将所述完整原始波形信号划归为若干组同步波形即声发射事件，舍弃一组波形不足4个撞击的声发射事件，通过AIC算法计算剩下的声发射事件的同步与起振时间，拾取对应同一个破裂事件的一组同步波形作为定位的基础；
(4)根据步骤(3)中作为定位基础的一组同步波形的起振时间，将无约束优化算法与动态波速反演相结合进行声发射定位，通过构造非线性方程组的权函数并通过无约束优化算法进行求解，确定声发射源；
(5)根据步骤(4)中确定的声发射源来确定用于全面地刻画压裂裂缝的非线性断裂特征的声发射事件波形参数及波速的空间分布特征。
2.如权利要求1所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，步骤(2)中的声发射波形采集参数包括峰值鉴别时间、撞击鉴别时间、门限。
3.如权利要求1所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，步骤(5)中的声发射事件波形参数包括声发射能量、声发射事件波速、声发射频率及震源机制。
4.如权利要求3所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，所述声发射能量即声发射源的能量是以声发射源到不同传感器的距离为加权量，通过式(1)将所述加权量的平均值作为声发射源的能量；
式(1)中，Eae为声发射源的能量，单位v·s；n为声发射事件的同步波形数目，
为单个声发射波形的能量，单位v·s；di为声发射源到某个声发射传感器之间的距离，单位m。
5.如权利要求3所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，所述声发射事件波速是刻画压裂裂缝断裂过程区及水力微裂缝带中震源周围损伤程度的特征参量，所述声发射波速越低则表明声发射源距离微裂缝区中心越近且其周围微裂缝区损伤程度越高。
6.如权利要求3所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，所述声发射频率为步骤(5)中的声发射事件中超过门限的峰值数(振铃计数)与持续时间的比值。
7.如权利要求3所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，所述震源机制为拉-剪-塌断裂机制与增渗效果表征参量，所述震源机制用于识别岩石微破裂的断裂机制，包括拉张型、剪切型与坍塌型，能够刻画压裂裂缝断裂过程区及水力微裂缝带内的微破裂机制。
8.如权利要求7所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，所述微破裂机制通过公式(2)进行判别，
式(2)中，pol为声发射事件的极性值，无因次；Api为单个声发射波形的初动幅值，单位v；n是声发射事件的同步波形数目。
9.如权利要求1所述的基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法，其特征在于，步骤(4)中一组同步波形对应的波形数目不少于5个。
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2021
- 2021-08-24 CN CN202110977061.3A patent/CN113885073B/zh active Active
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