CN111257927B - 一种煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，它充分利用了微地震波的振幅和频率衰减特性，它包括步骤1、放标定炮并布置检波器，记录信号；步骤2、提取信号振幅和质心频率；步骤3、绘制振幅衰减曲线；步骤4、绘制频率等值线；步骤5、确定微地震有效监测距离。本发明的技术效果是：为煤矿井下水力压裂中微地震有效监测距离提供了可靠数据，给施工过程中布置检波器和移动检波器提供了技术方案。本发明适用于煤矿井下水力压裂微地震监测。
Description
技术领域
本发明属于应用地球物理技术领域，具体涉及一种煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法。
背景技术
微地震监测技术广泛应用于石油、天然气、页岩气、煤层气、二氧化碳封存、采矿等地下工程，其主要目的是监测储层改造的破裂和裂缝扩展行为。煤矿井下瓦斯无疑已经变成一种能源，是天然气的重要组成部分。水力压裂技术可有效增加煤层透气性，促进瓦斯高效抽采。水力压裂技术在煤矿井下的推广，这需要在煤矿井下实施微地震监测。
目前，煤矿井下水力压裂微地震监测多借鉴于油气行业的钻孔内安装检波器的方式，或是借鉴矿震监测的网格式检波器布置方法。钻孔内安装检波器的方式的缺点是：需要在矿井下另外打钻孔，且检波器无法回收。但在煤矿井下，该方式完全可以用已有巷道来替代，而不必另外打钻孔。对于矿震中常用的网格式检波器布置方法，因为矿震能量大，传播距离远，网格式检波器布置方法用于监测矿震是可行的。但是，由于过分追求网格式使得检波器距离震源点较远，煤矿井下水力压裂破裂所产生的微地震能量较小，传播距离有限，该方法不适合井下水力压裂微地震监测。
实施煤矿井下微地震监测之前通常要放标定炮，标定炮仅用于测量波速，没有充分利用***产生微地震波的振幅和频率衰减特性，导致实际监测过程中很多安放的检波器无法监测到微地震信号，浪费了检波器。在煤矿井下水力压裂的微地震监测中，没有一种实用的技术手段来确定的检波器布置距离，给微地震监测的施工造成了困难和浪费。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，它能够确定微地震有效监测距离，准确布置检波器。
本发明的构思是：本发明通过绘制微地震波“振幅+频率”衰减组合图，再结合水力压裂参数，确定有效微地震监测距离，实现检波器的准确布置，在现有煤矿井下水力压裂微地震监测施工过程中，指导处理如何确定检波器距离、是否需要移动检波器等技术问题。
本发明提供一种煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，它包括以下步骤：
步骤1、放标定炮并布置检波器，记录信号；
步骤2、从每个检波器所采集的标定炮微地震波形信号中，提取振幅和质心频率；
步骤3、以检波器与标定炮的距离x为横坐标、振幅的平方A2为纵坐标，绘制振幅衰减曲线；
步骤4、绘制频率等值线；
步骤5、确定微地震有效监测距离。
本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
1、本发明充分利用了微地震波的振幅和频率衰减特性，能准确确定煤矿井下水力压裂中微地震的监测距离，为施工过程中布置检波器和移动检波器提供了数据。
2、本发明操作简单，易于实施，适用于煤矿井下水力压裂微地震监测。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1是实施案例现场平面图；
图2是图1的右视图；
图3是微地震波“振幅+频率”衰减组合图；
图4和图5是确定有效监测距离的示意图。
图1和图2中，1、标定炮放炮点；2-1～2-10、检波器；3、预压裂储层；4、顶板岩层巷道；5、底板岩层巷道；6、煤层；7、顶板；8、底板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本发明包括以下步骤：
步骤1、放标定炮并布置检波器，记录信号，按以下步骤：
11)如图1和图2所示，在预压裂储层3附近的顶板岩层巷道4选定标定炮放炮点1；在底板岩层巷道5等间距布置检波器2-1～2-10，各检波器与放炮点的距离依次增大。
预压裂储层3具有煤层6、顶板7和底板8；巷道布置在岩层：即顶板7和底板8中，在没有抽采达标、排除瓦斯危险之前没有开掘煤层巷道。
12)连接检波器与微地震信号采集仪，连接微地震采集仪与计算机，打开微地震监测软件进行试采集，确保信号采集工作正常；
13)依照正规放炮流程装好标定炮，通过装药量计算***能量Eb，确认放炮环境安全并实施放炮，记录放炮时间，同时采集放炮微地震信号。
步骤2、提取信号振幅和质心频率：从微地震采集软件中导出每个检波器所采集的标定炮微地震波形信号，以波形信号峰值作为振幅；再利用快速傅里叶变换将时域波形信号转化为频域信号，对频域信号积分后求平均值，所求的平均值作为质心频率；
步骤3、绘制振幅衰减曲线，按以下步骤：
31)以检波器与标定炮的距离x为横坐标，以振幅的平方A2为纵坐标，将步骤2所提取的信号振幅数据标在x-A2坐标系上，得到各信号振幅数据标点；
32)利用公式A2＝Ab 2e-x/q拟合步骤31)所述信号振幅数据点，得振幅衰减曲线Q，参见图3中的曲线Q。图3中，纵轴为振幅的平方A2；横轴为检波器到标定炮的距离x；Q为衰减系数为q的振幅衰减曲线；Ab 2为拟合的标定炮初始振幅，计算标定炮***能量Eb与Ab 2的比值n＝Eb/Ab 2。
步骤4、绘制频率等值线
连接坐标原点和各信号振幅数据点，并延长，得对应各信号的频率等值线，如图3所示，每条虚线对应穿过步骤3所述信号振幅数据点，频率F的大小与该虚线与横坐标x的夹角成正比(参见文献：“跨孔地震法井间距离选择的讨论”，骆循，宋正宗，物探化探计算技术02：(1989)169-173.)。至此，以获得预压裂储层区域微地震波“振幅+频率”衰减组合图，参见图3中，F1～F10为频率等值线。
步骤5、确定微地震有效监测距离，按以下步骤：
51)计算储层水力压裂破裂能量EHF，EHF＝10qPmax，其中q为水力压裂压裂液注入流速，单位为m3/h，Pmax为最大注水压力，单位为MPa，EHF的单位为J；
52)计算水力压裂破裂微地震初始振幅AHF 2，AHF 2＝EHF/n，其中EHF由步骤51)算得，n由步骤32)算得；
53)由微地震监测软件确定最大背景噪音振幅，将最大背景噪音振幅设置为数据采集的振幅阈值Th；
54)查看所用检波器频响上限Fs；
55)在微地震波“振幅+频率”衰减组合图中(即在图3中)，标出水力压裂破裂微地震初始振幅AHF 2、数据采集的振幅阈值Th2和检波器频响上限Fs；
56)如图4所示，为作图方便，将纵坐标改为底数为自然对数e的对数坐标(视情况，也可不改)，找出检波器频响上限Fs与振幅衰减曲线Q的焦点A,找出水力压裂破裂微地震初始振幅AHF 2与振幅衰减曲线Q的焦点B,找出振幅阈值Th2与振幅衰减曲线Q的焦点C；
57)如图4所示，取x1＝max(xA，xB)，其中，xA为A点对应横坐标，xB为B点对应横坐标，取C点对应横轴坐标x2，x1与x2的差就是预压裂储层区域的微地震有效监测距离。
图4示出了检波器频响上限Fs较高的情况，图5示出了检波器频响上限Fs较低的情况。图4和图5中，Ab 2为拟合的标定炮初始振幅；Fs为检波器频响上限；Q为压裂区域微地震波振幅衰减系数为q的衰减曲线；AHF 2为水力压裂破裂微地震初始振幅；Th2为微地震监测信号振幅阈值的平方；A点为检波器频响上限Fs与振幅衰减曲线Q的焦点，B点为水力压裂破裂微地震初始振幅AHF 2与振幅衰减曲线Q的焦点，C点为振幅阈值的平方Th2与振幅衰减曲线Q的焦点；x1＝max(xA，xB)，其中，xA为A点对应横坐标，xB为B点对应横坐标，x2为C点对应横坐标。
本发明充分利用了微地震波的振幅和频率衰减特性，为煤矿井下微地震有效监测距离的确定提供了简单、可靠、可行的科学方法，为煤矿井下水力压裂中微地震有效监测距离提供了可靠数据。
Claims (6)
1.一种煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、放标定炮并布置检波器，记录信号；
步骤2、从每个检波器所采集的标定炮微地震波形信号中，提取振幅和质心频率；
步骤3、以检波器与标定炮的距离x为横坐标、振幅的平方A2为纵坐标，绘制振幅衰减曲线；
步骤4、绘制频率等值线；
步骤5、确定微地震有效监测距离。
2.根据权利要求1所述的煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，其特征是，在步骤1中，放标定炮并布置检波器包括以下步骤：
步骤11)、在预压裂储层附近的顶板岩层巷道选定标定炮放炮点；在底板岩层巷道等间距布置多个检波器，各检波器与放炮点的距离依次增大；
步骤12)、连接检波器与微地震信号采集仪，连接微地震采集仪与计算机，打开微地震监测软件进行试采集，确保信号采集工作正常；
步骤13)、依照正规放炮流程装好标定炮，通过装药量计算***能量Eb，确认放炮环境安全并实施放炮，记录放炮时间，同时采集放炮微地震信号。
3.根据权利要求2所述的煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，其特征是，在步骤2中，对每个检波器所采集的标定炮微地震波形信号，以波形信号峰值作为振幅；再利用快速傅里叶变换将时域波形信号转化为频域信号，对频域信号积分后求平均值，所求的平均值作为质心频率。
4.根据权利要求3所述的煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，其特征是，在步骤3中，绘制振幅衰减曲线包括以下步骤：
步骤31)、以检波器与标定炮的距离x为横坐标，以振幅的平方A2为纵坐标，将步骤2所提取的信号振幅数据标在x-A2坐标系上，得到各信号振幅数据点；步骤32)、利用公A2＝Ab 2e-x/q拟合步骤31)所述信号振幅数据点，得振幅衰减曲线Q，q为衰减系数；Ab 2为拟合的标定炮初始振幅；计算标定炮***能量Eb与Ab 2的比值n＝Eb/Ab 2。
5.根据权利要求4所述的煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，其特征是，在步骤4中，绘制频率等值线是：连接坐标原点和各信号振幅数据点，并延长，得对应各信号的频率等值线；由振幅衰减曲线Q和各信号的频率等值线构成预压裂储层区域微地震波“振幅+频率”衰减组合图。
6.根据权利要求5所述的煤矿井下水力压裂微地震有效监测距离的确定方法，其特征是，在步骤5中，确定微地震有效监测距离包括以下步骤：
步骤51)、计算储层水力压裂破裂能量EHF：EHF＝10qPmax,其中q为水力压裂压裂液注入流速，单位为m3/h，Pmax为最大注水压力，单位为MPa，EHF的单位为J；
步骤52)、计算水力压裂破裂微地震初始振幅AHF 2，AHF 2＝EHF/n；
步骤53)、由微地震监测软件确定最大背景噪音振幅，将最大背景噪音振幅设置为数据采集的振幅阈值Th；
步骤54)、查看所用检波器频响上限Fs；
步骤55)、在微地震波“振幅+频率”衰减组合图中，标出水力压裂破裂微地震初始振幅AHF 2、数据采集的振幅阈值Th2和检波器频响上限Fs；
步骤56)、找出检波器频响上限Fs与振幅衰减曲线Q的焦点A,找出水力压裂破裂微地震初始振幅AHF 2与振幅衰减曲线Q的焦点B,找出振幅阈值Th2与振幅衰减曲线Q的焦点C；
步骤57)、取x1＝max(xA，xB)，其中，xA为A点对应横坐标，xB为B点对应横坐标，取C点对应横轴坐标x2，x1与x2之差就是预压裂储层区域的微地震有效监测距离。
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