煤巖體水力壓裂裂縫微震監(jiān)測軟件開發(fā)研究

蔡 超，李 楠，蘭學(xué)槿，秦艷麗，溫耀林，張園惠，王承淳，劉 鵬

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；5.中國礦業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

水力壓裂技術(shù)最早應(yīng)用于油氣及地?zé)衢_發(fā)領(lǐng)域[1]。近年來，水力壓裂技術(shù)在煤礦堅硬頂板控制、沖擊地壓和煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害防控、煤層瓦斯高效抽采等方面得到了廣泛應(yīng)用，對于煤礦安全高效開采具有重要意義[2-4]。水力壓裂是通過向目標(biāo)煤巖層注入高壓流體，在水壓力作用下，煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生壓裂裂縫，起到卸壓增透改性效果，從而達(dá)到煤巖動力災(zāi)害防控和促進(jìn)瓦斯高效抽采的作用[5-7]。在水力壓裂過程中，研究裂縫的幾何形狀及裂縫的擴展規(guī)律對壓裂工程師制定壓裂方案、評價壓裂效果和預(yù)測產(chǎn)氣量具有重要意義，同時也為現(xiàn)場壓裂鉆孔數(shù)量的調(diào)整、定向壓裂等提供依據(jù)。目前國內(nèi)外學(xué)者針對水力壓裂裂縫的擴展，采用實驗室實驗、力學(xué)模型、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行研究，然由于現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，上述研究成果與真實的水力壓裂裂縫存在差異[8-10]。

微震監(jiān)測技術(shù)是指利用材料內(nèi)部失穩(wěn)破壞產(chǎn)生的震動波信號來分析研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性、破壞過程及機理的一種地球物理監(jiān)測手段[11，12]。1978年，Schuster C L.[13]將微震監(jiān)測技術(shù)引入石油領(lǐng)域，用于研究水力壓裂裂縫傳播的幾何形狀和激發(fā)范圍，并取得較好的效果。此后微震監(jiān)測技術(shù)被不斷的發(fā)展，產(chǎn)生一系列的理論成果，同時也逐漸商業(yè)化，產(chǎn)生較多的微震監(jiān)測公司[14]。美國的MicroSeismic (MSI)、南非的ISS、加拿大的ESG、道爾頓、中國的東方地球物理勘探等公司開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的微震監(jiān)測系統(tǒng)軟件，能夠?qū)τ蜌馓锼毫蚜芽p的空間位置、長度、高度、寬度、傾角等進(jìn)行定量計算，在油氣儲層改造壓裂監(jiān)測中得到了廣泛應(yīng)用，極大地推動了非常規(guī)油氣田的勘探開發(fā)進(jìn)程。但這些商用軟件大多數(shù)應(yīng)用于油氣開采領(lǐng)域。與油氣開采領(lǐng)域相比，煤礦井下水力壓裂的范圍和規(guī)模很小，產(chǎn)生的波形更微弱。利用這些軟件進(jìn)行微震數(shù)據(jù)處理效果不明顯，不能很好的拾取微弱波形的高精度到時，對裂縫定位效果較差。

因此，開發(fā)一款適用于煤礦領(lǐng)域煤巖體水力壓裂裂縫微震監(jiān)測軟件已成為當(dāng)務(wù)之急。本文針對煤巖體水力壓裂微震信號高精度到時拾取、裂縫定位監(jiān)測難題，開發(fā)了一款煤巖體水力壓裂裂縫微震監(jiān)測軟件，并通過開展原煤真三軸水力壓裂實驗，采集壓裂全過程數(shù)據(jù)，進(jìn)行到時拾取與震源定位，驗證該軟件的可靠性及準(zhǔn)確性。

1 煤巖水力壓裂誘發(fā)信號特征及處理

1.1 煤巖水力壓裂誘發(fā)信號特征

煤巖體水力壓裂在較短時間內(nèi)會產(chǎn)生大量的波形信號，這些波形信號與傳統(tǒng)的礦震信號在幅值、頻率、信噪比等方面存在很大的差異，傳統(tǒng)的礦山微震監(jiān)測不能適用于煤巖體水力壓裂微震監(jiān)測。與致密砂巖、頁巖等致密巖層相比，煤層較為松軟、節(jié)理裂隙發(fā)育、非均質(zhì)性較強，煤巖體水力裂縫擴展過程及水力壓裂誘發(fā)的微震信號具有獨特的特征。大量的研究表明，煤層水力壓裂誘發(fā)的信號具有低信噪比、高頻率、低幅值、能量低的特點[15，16]。

1.2 聲發(fā)射信號處理

聲發(fā)射波形的初至到時是震源定位必不可少的數(shù)據(jù)，其精度直接影響震源定位的準(zhǔn)確性[17]。目前波形到時拾取算法眾多，使用最為廣泛的是長短時窗法(STA/LTA)。該方法是一種類似于信噪比的衡量方式，其中STA對時間序列振幅的快速變化比較敏感，而LTA則反映的是背景噪聲的信息[18]。當(dāng)兩者的比值大于預(yù)設(shè)的閾值時，判定為有效聲發(fā)射波形并記錄到時。但該方法在信號信噪比較低時，拾取誤差較大。此外，Akaike 信息準(zhǔn)則法(AIC)，也使用比較廣泛。AIC法是基于聲發(fā)射/微震信號是非平穩(wěn)的概念，利用自回歸過程，求取時窗內(nèi)聲發(fā)射/微震波形的AIC值[19]。AIC的求解過程包括三步：

1)通過式(1)計算背景噪音信號的閾值T：

T=m±3σ

(1)

式中，m、σ分別表示所選取噪音信號片段的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

2)選擇AIC計算窗口，將微震/聲發(fā)射波形中，第一次超過背景噪音閾值T的點記為參考點，以參考點為起始點，向前、向后分別選取一定量的采樣點，構(gòu)成時間窗口。需要注意的是，該時間窗口內(nèi)需同時包含有效信號與背景噪音信號。

3)根據(jù)式(2)計算AIC(k)函數(shù)的最小值。

AIC(k)=klog(var{x(1，k)})+(N-k-1)

log(var{x(k+1，N)})

(2)

式中，k是輸入微震/聲發(fā)射波形的樣本數(shù)據(jù)；var{x}為方差函數(shù)。

在微震/聲發(fā)射波形記錄中，到時以前被認(rèn)為是背景噪聲信號。噪聲信號與有效微震波形信號具有不一樣的統(tǒng)計特性，在最小二乘法的意義下，兩者擬合效果最差，對應(yīng)的AIC值最小，該點是噪音信號和有效波形信號最佳的分界點，即到時點。

AIC法拾取波形到時較為準(zhǔn)確，但波形信噪比較低時，會計算出多個局部最小值，導(dǎo)致波形到時拾取的結(jié)果有明顯錯誤。因此軟件在后續(xù)編程時，先采用STA/LTA法拾取微震/聲發(fā)射波形的大致到時點，在通過AIC法，獲取波形精確到時。此外，為克服AIC存在的問題，增加到時驗證。從AIC法拾取到時點開始，在后續(xù)40個采樣點內(nèi)，聲發(fā)射波形的幅值至少存在4次大于背景噪聲信號閾值T的情況，且在AIC法拾取到時點位置后100個采樣點，聲發(fā)射波形幅值的符號至少變化5次。當(dāng)上述條件滿足時，認(rèn)為AIC法拾取的到時不存在較大偏差。

在已知波形高精度到時的基礎(chǔ)上，方可進(jìn)行震源定位。震源定位是指利用傳感器接收的震動波形信號，通過定位方法確定震源的發(fā)震時刻和空間位置[20，21]。定位過程可以用式(3)來描述。

式中，ti為微震傳感器接收到信號的時間；t0為震源的起震時刻；(x，y，z)為震源坐標(biāo)，傳感器坐標(biāo)為(xi，yi，zi)；v為P波波速。

當(dāng)P波波速已知，式(3)中存在四個未知數(shù)，故震源定位需要不少于四個傳感器采集的波形信息。為了增加方程的可解性，通常使用較多的微震傳感器構(gòu)建超定方程組。然方程組求解過程中，可能會出現(xiàn)不收斂、數(shù)值不穩(wěn)定、甚至無解等問題。單純形定位算法可以很好地避免這類問題。單純形定位算法是一種多維搜索尋優(yōu)的迭代方法，具有迭代收斂和迭代過程快速穩(wěn)健的優(yōu)點。單純形定位算法的實施需要經(jīng)過四個步驟：①首先在三維空間中選取4個點構(gòu)成初始單純形；②其次，選取合適的目標(biāo)函數(shù)，將初始單純形的四個頂點作為破裂源，計算四種情況下目標(biāo)函數(shù)的最值；③根據(jù)拉伸、收縮、映射等基本變換準(zhǔn)則，不斷構(gòu)造新的單純形；④當(dāng)目標(biāo)函數(shù)滿足迭代終止條件時，此時使得目標(biāo)函數(shù)取得最優(yōu)解的點即為破裂點的最佳位置。因此，軟件采用單純形定位算法，求解破裂源的空間坐標(biāo)。為了能清晰地刻畫水力壓裂裂縫的空間形態(tài)，增加了定位事件點的篩選。當(dāng)聲發(fā)射傳感器采集的波形大于6個且傳感器采集的到時與計算到時之間的標(biāo)準(zhǔn)差在3μs之內(nèi)方可參與定位。

2 微震監(jiān)測軟件設(shè)計與開發(fā)

2.1 軟件開發(fā)的原則

軟件開發(fā)過程時不應(yīng)違背客觀自然規(guī)律，同時采用簡潔的計算機編程語言，保證軟件在運行過程中的流暢性，給用戶帶來良好的體驗。此外，還應(yīng)充分考慮煤巖體水力壓裂誘發(fā)信號的特征。由于煤礦生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性，微震數(shù)據(jù)通常包含大量的噪音信號。如何從監(jiān)測數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確地識別水力壓裂誘發(fā)的微弱波形信號，是該軟件開發(fā)需要解決的關(guān)鍵問題。可靠性是微震監(jiān)測系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。

2.2 軟件總體架構(gòu)設(shè)計

煤巖體水力壓裂微震監(jiān)測軟件通過調(diào)用儲存在微震采集儀上的原始波形，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。微震信號的處理需經(jīng)過數(shù)據(jù)調(diào)用，濾波、波速模型建立、參數(shù)設(shè)置、P/S波高精度到時拾取、震源定位幾個過程。根據(jù)微震事件處理過程，軟件在開發(fā)過程中，把需實現(xiàn)的功能模塊化。數(shù)據(jù)接口層由以太網(wǎng)電纜直接連接微震采集儀，軟件對原始波形數(shù)據(jù)掃描和讀取，并將原始波形傳遞至功能驅(qū)動層，實現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理分析。功能驅(qū)動層需要實現(xiàn)微震監(jiān)測軟件的具體功能，它將用戶操作命令用程序代碼實現(xiàn)。運行控制層是溝通用戶界面層與功能控制層的橋梁，它根據(jù)用戶的實際需求執(zhí)行相應(yīng)的功能模塊。用戶層界面是呈現(xiàn)在用戶電腦桌面上的界面窗口，用戶通過點擊界面功能按鈕，下發(fā)相應(yīng)的指令，實現(xiàn)對應(yīng)功能，如圖1所示。

2.3 軟件開發(fā)

采用python語言與Visual Studio Code編輯器作為開發(fā)工具，在已搭建軟件框架的基礎(chǔ)上，將上述波形到時拾取、震源定位算法及其他功能程序化，設(shè)計開發(fā)了煤巖體水力壓裂裂縫微震監(jiān)測軟件。軟件由參數(shù)配置、到時拾取、震源定位、三維可視化等模塊組成。

軟件主界面左上方為菜單欄，由項目、幫助組成。項目菜單欄中包含新建項目與導(dǎo)入項目。打開本軟件，導(dǎo)入從微震采集儀下載的數(shù)據(jù)文件，可獲得傳感器坐標(biāo)及原始波形信息，此時，軟件自動顯示項目的基本信息，包括項目名、創(chuàng)始人、創(chuàng)建時間、項目開始時間、項目結(jié)束時間、備注。此外也可通過軟件主界面左側(cè)的項目管理，手動填寫項目的基本信息。軟件主界面右側(cè)顯示傳感器的信息與參數(shù)配置。點擊參數(shù)配置按鈕，可彈出參數(shù)配置界面。參數(shù)配置菜單欄包含AIC時窗長度、檢驗時窗長度、到時驗證時窗長度、檢波器參與個數(shù)、長短時窗、速度模型參數(shù)設(shè)置功能。點擊參數(shù)配置，可手動輸入層號、層厚、P波速度、S波速度等參數(shù)。參數(shù)設(shè)置完畢后，點擊軟件主界面左側(cè)的數(shù)據(jù)處理可實現(xiàn)微弱波形高精度到時拾取。在已知微震傳感器坐標(biāo)的基礎(chǔ)上，點擊震源定位按鈕可獲取震源的三維空間坐標(biāo)，并將其單獨顯示在軟件界面右側(cè)。

圖1 軟件總體架構(gòu)

3 煤巖水力壓裂裂縫監(jiān)測軟件驗證

3.1 實驗系統(tǒng)及實驗方案

采用真三軸水力壓裂系統(tǒng)，如圖2所示，開展煤樣水力壓裂實驗，采集水力壓裂誘發(fā)的信號，并通過煤巖水力壓裂裂縫監(jiān)測軟件進(jìn)行波形到時拾取與高精度定位。

圖2 實驗系統(tǒng)

實驗采用的煤樣選自山東協(xié)莊煤礦，采用風(fēng)鉆和切割機將煤樣制備成長寬高均為150mm的試樣。利用空心鉆在原煤試樣上表面中心位置處，垂直鉆取深度90mm、直徑14mm的壓裂孔，成孔后采用植筋膠將研制的封孔器密封在壓裂孔中，封孔器插入壓裂孔中的深度為60mm，剩下30mm的裸孔段作為壓裂段。煤樣表面共布設(shè)12個R15傳感器，如圖3所示，圖中黑色圓點表示聲發(fā)射傳感器。

圖3 傳感器布置及部分坐標(biāo)

在進(jìn)行水力壓裂實驗之前，為了驗證軟件的可靠性，首先利用已知震源空間坐標(biāo)的標(biāo)定實驗進(jìn)行分析，即在原煤試樣表面上的已知位置處開展斷鉛實驗，采集斷鉛產(chǎn)生的聲發(fā)射波形，利用軟件拾取各聲發(fā)射傳感器位置處到時信息，并通過軟件進(jìn)行震源定位。震源定位的結(jié)果及誤差見表1。定位誤差的計算公式如式(4)。

式中，(x，y，z)為震源坐標(biāo)；傳感器坐標(biāo)為(xi，yi，zi)；N為傳感器的數(shù)量；煤樣的P波波速為2.0km/s。

由表1可知，在所有斷鉛位置，通過軟件求解的震源坐標(biāo)與實際斷鉛的誤差皆在2mm之內(nèi)，這證明了本軟件波形到時拾取與破裂源定位算法的準(zhǔn)確性及可靠性。

表1 破裂源定位的結(jié)果及誤差

3.2 到時拾取及震源定位驗證

根據(jù)0.02MPa/s的加載速率進(jìn)行圍壓加載，待三個圍壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后保持恒載。恒載一段時間后，按照100mL/min的注水流量進(jìn)行注水壓裂，直到煤樣破壞。將煤樣水力壓裂全過程采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入至本軟件中，進(jìn)行到時拾取及震源定位驗證。

煤樣水力壓裂全過程曲線，如圖4所示。采用美國物理聲學(xué)軟件進(jìn)行聲發(fā)射波形到時拾取如圖5所示，聲發(fā)射波形到時存在明顯偏差，圖中紅色豎線表示聲發(fā)射波形的到時線。由于煤樣水力壓裂誘發(fā)的聲發(fā)射波形比較微弱，信噪比低，P波起跳不明顯，故單純采用長短時窗法不能獲取精確到時。為驗證本軟件到時拾取的可靠性，將煤樣水力壓裂誘發(fā)的波形導(dǎo)入本軟件，并進(jìn)行到時拾取，如圖6所示，該軟件到時拾取較為精確，圖中綠色豎線表示聲發(fā)射波形的到時線。

圖4 煤樣水力壓裂全過程曲線

圖5 美國物理聲學(xué)軟件聲發(fā)射波形到時

圖6 煤巖水力壓裂裂縫監(jiān)測軟件聲發(fā)射到時

煤樣水力壓裂試驗結(jié)束后，試樣的破裂形態(tài)如圖7所示。美國物理聲學(xué)軟件定位的結(jié)果如圖8所示，圖8中有890個聲發(fā)射事件參與定位，定位事件點散亂的分布在空間中，無法辨別水力壓裂裂縫的空間分布形態(tài)。煤巖水力壓裂裂縫監(jiān)測軟件定位的結(jié)果如圖9所示，該軟件定位的過程中，增加了定位事件點的篩選，共有327個聲發(fā)射事件參與定位。由于部分聲發(fā)射事件的波形數(shù)不足6個或傳感器采集的到時與計算到時之間的標(biāo)準(zhǔn)差大于3μs，故超過一半的定位點沒有顯現(xiàn)。水力壓裂裂縫呈現(xiàn)平行最大主應(yīng)力(σ1)的空間分布特征，且裂縫在擴展時存在明顯的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如圖9所示，圖中，黑色圓點為定位點在XZ面的投影，綠色圓點為定位點在YZ面的投影，藍(lán)色圓點為定位點在XY面的投影。將圖8與圖9兩者對比，可清晰凸顯出該軟件的可靠性與先進(jìn)性。

圖7 煤樣水力壓裂破壞實物

圖8 美國物理聲學(xué)軟件定位的結(jié)果

圖9 煤巖水力壓裂裂縫監(jiān)測軟件定位的結(jié)果

4 結(jié) 論

1)研究提出了STA/LTA與AIC聯(lián)合到時拾取算法，并增加了波形到時驗證的功能，克服了AIC法在信噪比較低情況下，存在較多個極小值的問題。此外，在破裂源定位方面，添加了定位事件點篩選功能，突出水力壓裂裂縫的空間分布特征。

2)利用python言語與Visual Studio Code，開發(fā)了一款煤巖體水力壓裂裂縫微震監(jiān)測軟件。軟件從波形到時拾取與震源定位算法出發(fā)，基于微震數(shù)據(jù)處理過程，搭建了軟件總體框架；在此基礎(chǔ)上，采用功能模塊化設(shè)計，實現(xiàn)了項目管理、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)調(diào)用、數(shù)據(jù)分析處理等功能。

3)開展原煤真三軸水力壓裂實驗，將聲發(fā)射采集的數(shù)據(jù)作為軟件輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行聲發(fā)射波形到時拾取與破裂源定位。測試結(jié)果表明：本軟件可精確拾取煤巖水力壓裂誘發(fā)微弱波形的到時，且震源定位的結(jié)果可以很好刻畫煤巖水力壓裂主裂縫的空間分布形態(tài)，這為煤礦井下煤巖體水力壓裂裂縫監(jiān)測及壓裂效果評價提供了技術(shù)手段。