[发明专利]基于原始波形的岩石断裂及压裂声发射精细化分析方法

说明书

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。

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；