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基于矩张量模型的压裂微震震源机制与地应力反演研究

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基于矩张量模型的压裂微震震源机制与地应力反演研究

作者：张艺凡吉林大学

学位级别：硕士

非常规油气资源将在“双碳”目标的实现过程中起到重要作用,其往往依靠水力压裂技术实现开采。水力压裂会改变储层应力并使岩石破裂,产生微地震事件。通过对微震震源机制的研究,可揭示微震的产生机理和地下储层的应力变化规律,为裂缝构... 详细信息

非常规油气资源将在“双碳”目标的实现过程中起到重要作用,其往往依靠水力压裂技术实现开采。水力压裂会改变储层应力并使岩石破裂,产生微地震事件。通过对微震震源机制的研究,可揭示微震的产生机理和地下储层的应力变化规律,为裂缝构造提供信息支撑。在压裂过程中,需要不间断地采集来自地下的微震信号。针对大量连续的信号,准确高效的P波到时拾取技术在压裂实时监测中就变得十分必要。本文在此应用基础上首先提出了基于阻尼能量的长短时窗与AIC法则结合的自动拾取方法,给出了在水力压裂过程中微地震事件自动识别的解决方案。并对其进行系统性测试,证明文中提出的方法相较于传统AIC方法更加准确,为后续的震源机制反演提供基础。其次,在震源机制反演方面,本文采用矩张量模型对压裂微震震源进行表征。使用P波初动极性与振幅比信息作为约束条件进行震源机制反演,同时使用均方差作为目标函数来衡量理论振幅与观测振幅的误差。针对在自动拾取P波初动极性时产生的极性误判问题,进行了极性失配百分比的测试,论证了文中提出的P波拾取算法在震源机制反演方面对解的准确性方面有进一步的提升。然后,从震源机制解得到的参数出发,本文采用阻尼应力反演方法。将研究区域进行网格划分,分别反演得到主压应力、中间应力与主张应力方向和相对应力因子大小,根据其四者的方向与大小,分析地应力走向。接着,通过收集西北某地水力压裂井在施工过程中的微地震事件波形,反演得到该研究区域的震源机制解特征,并由震源机制解进行阻尼应力张量反演进而研究该区域的应力场特征,对缝网的形成与发育进行解释。研究发现该地区在水力压裂过程中产生的微地震事件大多是由于新开裂缝引起(大部分事件具有较高CLVD分量),少部分是由于应力传导引起原有断层的滑动;该地区应力分布围绕井口具有一定的复杂性,推断其与水力压裂过程中高压流体注入有关。最后,对全文进行了总结,并对压裂产生的微地震事件震源机制与地应力反演研究中下一步的研究思路和方向进行了展望。

关键词：水力压裂 P波到时拾取矩张量震源机制反演地应力反演

近场全波形反演:芦山7.0级地震及余震矩张量解

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地球物理学报 2013年第12期56卷 4037-4047页

作者：林向东葛洪魁徐平 Douglas Dreger 苏金蓉王宝善武敏捷中国地震局地震观测与地球物理成像重点实验室(中国地震局地球物理研究所) 北京100081 北京市地震局北京100080 中国石油大学(北京)非常规天然气研究院北京102249 美国加州大学伯克利分校地震实验室 947204760 四川省地震局成都610041

2013年4月20日四川芦山发生了7.0级地震.该地震是自2008年汶川8.0级地震以来发生在龙门山断裂带上的最强地震,截至5月5日,四川省数字遥测台网记录到了52个(ML≥4.0)余震.我们搜集了信噪比相对较高的宽频带数据,根据已有的三个分别适合... 详细信息

2013年4月20日四川芦山发生了7.0级地震.该地震是自2008年汶川8.0级地震以来发生在龙门山断裂带上的最强地震,截至5月5日,四川省数字遥测台网记录到了52个(ML≥4.0)余震.我们搜集了信噪比相对较高的宽频带数据,根据已有的三个分别适合于四川盆地和龙门山断裂东南地区、西南山区、西北山区速度模型,利用TDMT_INVC方法计算矩张量,获得了芦山主震及其16个余震的高质量矩张量解;根据P轴、B轴和T轴的倾角对主震及余震的断层类型进行了分类,结果表明:芦山地震的震级为Mw6.46(矩震级),地震矩为0.61×1019 Nm,震源深度为13km,震源机制类型为逆断层.芦山余震类型简单,主要为逆冲型;芦山地震序列震中分布于龙门山断裂带西南端的彭县—灌县断裂上,本研究获得的主震和余震的震源机制主要为逆冲型,这表明了龙门山断裂西南端主要为逆冲特征.芦山地震震源性质与汶川地震相近,发震间隔时间短,且均发生于同一构造单元内,表明了该地震与汶川地震可能有密切关系.

关键词：芦山地震余震矩张量龙门山断裂

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基于矩张量的深埋隧洞岩爆机制分析

岩土力学 2013年第1期34卷 163-172,181页

作者：明华军冯夏庭陈炳瑞张传庆中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

以锦屏二级水电站微震监测数据为基础,将矩张量引入到深埋隧洞岩爆机制分析研究中。对分析过程中遇到的2个关键问题提出了针对性的建议:①隧洞工程为线性工程,传感器布置空间有限,难以形成良性传感器阵列,矩张量分析结果的可靠性受到很... 详细信息

以锦屏二级水电站微震监测数据为基础,将矩张量引入到深埋隧洞岩爆机制分析研究中。对分析过程中遇到的2个关键问题提出了针对性的建议:①隧洞工程为线性工程,传感器布置空间有限,难以形成良性传感器阵列,矩张量分析结果的可靠性受到很大的影响,为此,提出了数值计算过程中的坐标系空间旋转法。该方法按最优路径旋转隧道坐标系,使对于同一个事件的每个传感器,源-传感器射线到新坐标系的3个方向余弦差值在10倍数值范围以内,在数值计算过程中,可以得到较理想的矩张量结果。②针对Ohtsu使用矩张量分解判断岩石破裂类型的方法中,提出的各分量比重计算公式,仅适用于各分量均为受拉的情况。考虑快速掘进条件下隧洞工程受力方向的不确定性,扩展其分量比重计算公式到更一般适用状态。在此基础上,建立了一套完整的岩爆孕育过程矩张量分析方法。利用该方法对锦屏二级水电站典型岩爆微震数据进行分析,结果表明,该方法可以较好地解释岩爆孕育过程岩石破裂演化机制。

关键词：深埋隧洞微震监测矩张量岩石破裂类型判别准则岩爆机制锦屏二级水电站

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基于微震矩张量的矿山围岩破坏机制分析

岩土力学 2017年第5期38卷 1436-1444页

作者：唐礼忠翦英骅李地元王春邓丽凡陈源中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083

微震是矿山岩体损伤的重要信号,并被用于矿山围岩稳定性分析。为应用矩张量理论,研究矿山开采围岩破坏机制,对理论运用中的关键问题提出了解决办法:(1)通过引入适于矿山岩体应力状态的矩张量三分量分解模型,解决了由于矿山应力状态不确... 详细信息

微震是矿山岩体损伤的重要信号,并被用于矿山围岩稳定性分析。为应用矩张量理论,研究矿山开采围岩破坏机制,对理论运用中的关键问题提出了解决办法:(1)通过引入适于矿山岩体应力状态的矩张量三分量分解模型,解决了由于矿山应力状态不确定带来的矩张量分解方程组求解的不确定问题;(2)针对Ohstu提出的矩张量岩体破坏模式判据的不足之处进行了讨论和修正,使其适于矿山岩体工程岩体破坏模式分析。利用改进后的矩张量分析方法对冬瓜山铜矿的部分巷道围岩破坏机制进行研究,印证了冬瓜山巷道围岩破坏是一种以剪切破坏为主,多因素综合作用的破坏形式的结论。当巷道穿过不同岩层接触带时,微震事件在接触带附近积聚,表明巷道围岩出现剪切破坏带并形成冒落区;位于单一岩层中的巷道围岩中的微震活动较为分散,破坏原因多为围岩应力集中,破坏形式表现为局部性围岩冒落。

关键词：矩张量微震监测破坏机制微震活动破坏判据

基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析

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岩土力学 2013年第6期34卷 1716-1722页

作者：明华军冯夏庭张传庆肖亚勋中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏(岩爆、片帮、应力型塌方等)孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角来判断岩石... 详细信息

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏(岩爆、片帮、应力型塌方等)孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角来判断岩石破裂类型的确定方法。借助此方法,在实例研究中进一步证明了深埋隧洞矩张量分解判断破裂类型分析方法的可靠性。依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞这一典型工程,依据破裂面的方位角、倾角特征和岩爆宏观破坏情况,初步探究了即时性应变-结构面滑移型岩爆的孕育过程:在岩爆孕育初期,以张拉破裂为主,由于硬性结构面的存在,在开挖扰动应力调整初期,破裂面由岩体浅层往岩体较深层硬性结构面扩展,张拉破裂面尖端接近硬性结构面时,硬性结构面上发生剪切滑移,若较深层岩体内部还有其他硬性结构面存在,则在该硬性结构面尖端,除随着岩体浅层切向应力的持续增大,往开挖面扩展外,继续以张拉破裂面型式往深层扩展,至较深层硬性结构面上剪切破裂产生,最终以剪切滑移面为破坏面边界往开挖面发展,并最终将岩体抛掷而出。

关键词：岩石破裂破裂面运动夹角矩张量应变-结构面滑移型岩爆孕育过程微震监测

基于矩张量P-T图的岩石单轴压缩破裂机理研究

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中国矿业大学学报 2016年第3期45卷 500-506页

作者：柴金飞吴顺川高永涛周喻高艳华黄小庆北京科技大学土木与环境工程学院金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083

为揭示岩石单轴压缩试样的破裂机理,利用颗粒流理论(PFC)模拟岩石裂纹孕育、发展和贯通过程中产生的大量声发射数据,基于矩张量理论和P-T图法研究了岩石破裂各阶段中声发射事件的空间位置、矩震级、破裂类型、破裂方位、应力状态等破裂... 详细信息

为揭示岩石单轴压缩试样的破裂机理,利用颗粒流理论(PFC)模拟岩石裂纹孕育、发展和贯通过程中产生的大量声发射数据,基于矩张量理论和P-T图法研究了岩石破裂各阶段中声发射事件的空间位置、矩震级、破裂类型、破裂方位、应力状态等破裂参数及其演变规律.结果表明:岩石破裂方位受试样形状和加载方向影响,主压应力分量主要位于加载方向附近±45°范围内,主张应力分量主要垂直于临空面,张拉破裂类型占主要成分.在微裂隙萌生和扩展阶段,声发射破裂类型主要为张拉破裂,其数量较少,能量较低;在应力峰值前后,岩石破裂向其他方位不断扩展,剪切破裂和混合破裂类型的声发射事件增多;单个剪切破裂比单个张拉破裂所释放的能量高.

关键词：岩石破裂声发射矩张量 P-T图破裂类型

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裂纹矩张量反演的传感器排布形式

北京航空航天大学学报 2019年第7期45卷 1380-1387页

作者：孔岳李敏陈伟民北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083 中国科学院力学研究所北京100190

裂纹矩张量反演方法利用声发射信号求解裂纹信息,是一种有效的裂纹扩展实时监测方法。在工程应用中,传感器接收到的声发射信号总包含一定比例的噪声。噪声信号会影响矩张量反演精度,甚至导致错误结果。研究通过优化传感器排布形式来降... 详细信息

裂纹矩张量反演方法利用声发射信号求解裂纹信息,是一种有效的裂纹扩展实时监测方法。在工程应用中,传感器接收到的声发射信号总包含一定比例的噪声。噪声信号会影响矩张量反演精度,甚至导致错误结果。研究通过优化传感器排布形式来降低噪声对矩张量反演精度的影响。基于矩张量初至波反演方法,分析了传感器位置选择的理论基础。进而利用人工合成声发射信号,定量研究了在不同传感器排布形式下,矩张量反演精度对噪声的敏感度。结果表明:正五边形传感器排布形式具有较好的精度表现,这种排布形式将5个传感器布置在一个圆环上,相邻传感器的传感器-圆心连线的夹角为72°,第6个传感器布置在圆心。此时矩张量求解方程的条件数较小,当声发射信号幅值因为噪声发生变化时,求解结果具有较高的精度和稳定性。研究针对矩张量反演中的传感器位置选择问题,为相关工程实践提供了建议和理论依据。

关键词：矩张量传感器排布噪声求解稳定性条件数

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基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

力学学报 2019年第6期51卷 1830-1840页

作者：任会兰宁建国宋水舟王宗炼北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室北京100081 中国计量大学机电工程学院杭州310018

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于... 详细信息

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程.声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息.本文基于声发射技术,结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析,反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向,揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制.结果表明:裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生,之后聚集形成局部损伤区域,并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向);裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量,初始裂纹成核时体积参数较小,峰值载荷时,裂纹运动体积最大达到5.93×10-4 mm3;混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹;拉伸裂纹最多,占裂纹总数约为60%,剪切裂纹最少,约占裂纹总数的10%;拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.

关键词：声发射矩张量裂纹运动

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微地震矩张量反演方法及其应用

石油地球物理勘探 2018年第A2期53卷 174-181,14页

作者：容娇君刘建伟王欣冯超张彦斌东方地球物理公司新兴物探开发处河北涿州072750 中国石油吐哈油田分公司新疆鄯善838202 中国石油勘探开发研究院廊坊分院河北廊坊065007

微地震资料的解释通常是以微地震事件的空间分布为基础,结合地震、地质等资料对储层改造效果进行定性解释,但难以对岩石破裂属性进行定量分析。本文通过矩张量反演方法试验,模拟数据噪声分析测试了反演方法的适用性和稳定性。以储层改... 详细信息

微地震资料的解释通常是以微地震事件的空间分布为基础,结合地震、地质等资料对储层改造效果进行定性解释,但难以对岩石破裂属性进行定量分析。本文通过矩张量反演方法试验,模拟数据噪声分析测试了反演方法的适用性和稳定性。以储层改造中微地震监测实际数据为例,通过微地震事件的定位及全矩张量震源参数反演,定量分析了微地震事件的破裂属性(走向角、倾向角、滑动角),破裂类型各向同性(ISO)分量、双力偶(DC)分量和补偿线性偶极子(CLVD)分量;分析人工造缝过程中岩石破裂的震源类型、储层物性和储层改造施工参数之间的关联参数,更合理地提出优化储层改造施工方案。

关键词：微地震矩张量震源参数储层改造