1.一种干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,包括如下步骤:
S10:制备含断层弱面的干热岩试样(400),其中,试样(400)由具有倾角的上下两部分组成,两部分通过粘合剂粘结形成完整的正方体试验,两部分间粗糙接触面即为预制断层面;
S20:将制备好的干热岩试样(400)放入高温真三轴模拟加载试验系统(1000)中进行加载,并同步采集全过程的声发射波形信号数据;其中,高温真三轴模拟加载试验系统(1000)包括:三轴加载装置(100)、注水压裂控制装置(200)和声发射采集仪(310),三轴加载装置(100)内部限定出三轴加载腔(110),且三轴加载装置(100)的上端开设有与所述注水压裂控制装置(200)相连通的注水钻孔(111)和回水钻孔(112);
S30:对采集的声发射波形信号数据进行处理,定位计算干热岩压裂诱发地震全过程中动裂缝空间位置,由张剪破裂震源机制反演方法定量获取动裂缝事件的尺寸、类型和方位的源头参数;
S40:由声发射定位获得的动裂缝空间分布对干热岩压裂的动态影响范围进行圈定,形成干热岩压裂缝扩展的事件集E1;根据动裂缝与断层面距离与夹角、运动方位和张剪体积比确定断层活化的有效动裂隙事件,组成断层活化致震事件集E2,由E2空间分布来判识压裂激发断层活化区域;
S50:由步骤S30获得的动裂缝位置、尺寸、方位三维表征干热岩压裂裂缝扩展及断层活化的空间展布形态,由步骤S40确定的断层活化致震事件集E2中事件数的时变演化规律来识别干热岩开采诱发地震前兆特征,从源头再现干热岩开采诱发地震时空演化过程。
2.根据权利要求1所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
所述步骤S30包括如下步骤:
S31:提取第i个动裂隙事件所有通道采集到的声发射波形,筛选信噪比高、初动明显的通道波形数据进行处理分析;
S32:采用到时拾取算法提取筛选出的第i个事件、第j个通道的声发射P波初至到时tij和初动幅值Vij;
S33:由定位算法计算压裂致震全过程中的第i个动裂缝的空间位置(xi,yi,zi);
S34:由张剪破裂震源机制反演方法定量获取第i个动裂缝事件的尺寸包括新生裂缝面积ΔS、体积ΔV、张剪类型包括张拉体积Vn、剪切体积Vt及拉剪比K、方位取向包括裂缝面法向n(nx,ny,nz)及运动方向m(mx,my,mz)的源头参数;
S35:重复上述步骤S31‑S34,直到完成对所有动裂隙事件的声波数据处理。
3.根据权利要求2所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
在步骤S34中,动裂隙的尺寸、张剪类型、方位取向的源头参数的计算公式如下:其中,λ和μ为介质拉梅常数;M1、M2、M3分别为矩张量的最大、中间及最小特征值;n和m是在矩张量主轴坐标系下的裂缝面法向和运动方向。
4.根据权利要求3所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
动裂隙矩张量M的计算公式如下:
其中,Vp为拾取的初动幅值;SA为传感器灵敏度系数;ζ为拉格朗日乘子;χ1、χ2、χ3分别为矩张量的三个不变量;ω为试样弹性常数相关系数;r、γ分别为破裂源与观测点位置的空间距离及方向余弦;ρ和cp为分别为介质密度和波速;Tu为上升时间。
5.根据权利要求3所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
动裂缝的张剪破坏属性可根据拉剪体积比K值进行判断:当0
6.根据权利要求1所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
在所述步骤S40中,由步骤声发射定位获得的动裂缝空间分布对干热岩压裂的动态影响范围进行圈定,形成干热岩压裂缝扩展的事件集E1包括如下步骤:S41:计算第i个动裂隙事件点F(xi,yi,zi)与注水钻孔(111)和回水钻孔(112)最深端Y1和Y2连结直线间的最小距离di1:其中,α为向量Y1Y2和向量Y1F之间的夹角的计算公式如下:
其中,(xr,yr,zr)、(xe,ye,ze)点Y1和点Y2的坐标;
S42:计算第i个动裂隙事件点F(xi,yi,zi)到断层面G1G2G3G4的最小距离di2:其中,L为试样的边长;(0,0,z1)、(L,0,z2)、(L,L,z3)和(0,L,z4)分别为断层平面与试样边线的交点G1、G2、G3、G4的坐标;T为断层平面的法向量,其可表示为:S43:若第i个动裂隙事件满足di1<εdi2,其中ε为比例系数,其取值范围ε≥1时,即动裂隙事件更靠近注、回水间的水力缝网,将其圈定到注水压裂动态影响范围内;
S44:重复上述步骤S41‑S43,对所有的动裂缝进行圈定,则满足S43中条件的所有动裂隙事件组成干热岩压裂缝扩展的事件集E1。
7.根据权利要求6所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
在步骤S40中,确定断层活化的有效动裂隙事件,需满足以下条件:
(a)第i个动裂隙事件不属于裂缝扩展的事件集E1,即第i个动裂隙到注回水孔直线Y1Y2的最短距离和到断层面的最短距离满足di1≥εdi2;
(b)第i个动裂隙事件的破裂类型为剪切型或复合型‑剪切分量占优,即张拉和剪切体积分量满足Vn
(c)第i个动裂隙事件的空间取向与预制断层面取向相接近,即动裂隙空间取向与预制断层面的夹角β1小于预设值β01(β1<β01),其中β1由反演方法的裂缝面法向n与断层法向量T计算:(d)第i个动裂隙事件的运动方向与预制断层面取向相接近,即动裂隙事件的运动方向与预制断层面的夹角β2小于预设值β02(β2<β02),其中β2由反演方法的裂缝面运动方向m与断层法向量T计算:其中,当满足上述条件(a)且同时(b)、(c)、(d)条件中两个及以上时,可判定第i个动裂隙事件为断层活化的有效事件。
8.根据权利要求1所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
在步骤S50中,由动裂缝位置、尺寸、方位三维表征干热岩压裂裂缝扩展及断层活化的空间展布形态的方法包括如下步骤:以定位得到的动裂缝位置(x,y,z)为圆心绘制裂缝展布形态表征圆,其中表征圆半径r
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与动裂缝体积ΔV的立方根成正比,即r=ηΔV ,η为图像比例系数;
选取参考投影面,将反演得到动裂隙法向n沿参考投影面进行投影得到新向量n’,用表征圆中与n’垂直的直径线表征裂缝面取向;同样的,将反演得到动裂隙运动方向m也在参考投影面上投影得到新向量m’,在表征圆中用方向为m’的双箭头线对动裂隙面运动方向进行表示。
9.根据权利要求1所述的干热岩开采诱发地震机理分析方法,其特征在于,
在步骤S50中,干热岩开采诱发地震前兆特征识别方法包括如下步骤:
绘制干热岩压裂全过程中所有采集到的动裂隙事件率、累计裂缝体积的参数随时间的变化曲线,当动裂缝事件率超过预设临界值且累计裂缝体积增长速率超过预设斜率的时刻t1,其可以视为干热岩开采诱发地震的长期前兆时间点;
绘制断层活化致震事件集E2中的动裂缝事件率、累计裂缝体积的参数随时间的变化曲线,当事件率超过预设临界值且累计裂缝体积增长速率超过预设斜率的时刻t2,其可以视为干热岩开采诱发地震的短临前兆时间点。
10.一种干热岩开采诱发地震机理分析系统,其特征在于,包括:
试验制备模块,配置为用于制备含断层弱面的干热岩试样(400),其中,试样(400)由具有倾角的上下两部分组成,两部分通过粘合剂粘结形成完整的正方体试验,两部分间粗糙接触面即为预制断层面;
信号采集模块,配置为用于将制备好的干热岩试样(400)放入高温真三轴模拟加载试验系统中进行加载,并同步采集全过程的声发射波形信号数据;其中,高温真三轴模拟加载试验系统包括:三轴加载装置(100)、注水压裂控制装置(200)和声发射采集仪(310),三轴加载装置(100)内部限定出三轴加载腔,且三轴加载装置(100)的上端开设有与所述注水压裂控制装置(200)相连通的注水钻孔(111)和回水钻孔(112);
信号处理模块,配置为用于对采集的声发射波形信号数据进行处理,定位计算干热岩压裂诱发地震全过程中动裂缝空间位置,由张剪破裂震源机制反演方法定量获取动裂缝事件的尺寸、类型和方位的源头参数;
断层活化识别模块,配置为用于由声发射定位获得的动裂缝空间分布对干热岩压裂的动态影响范围进行圈定,形成干热岩压裂缝扩展的事件集E1;根据动裂缝与断层面距离与夹角、运动方位和张剪体积比确定断层活化的有效动裂隙事件,组成断层活化致震事件集E2,由E2空间分布来判识压裂激发断层活化区域;
地震时空演化模块,配置为用于由信号处理模块获得的动裂缝位置、尺寸、方位三维表征干热岩压裂裂缝扩展及断层活化的空间展布形态,由断层活化识别模块确定的断层活化致震事件集E2中事件数的时变演化规律来识别干热岩开采诱发地震前兆特征,从源头再现干热岩开采诱发地震时空演化过程。