本發(fā)明涉及“機(jī)器學(xué)習(xí)”，它是“基于特定計(jì)算模型的計(jì)算”；除機(jī)器學(xué)習(xí)之外，本發(fā)明的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)涉及“靠發(fā)射超聲波或聲波通過物體得到物體內(nèi)部的顯像”；此外，本發(fā)明涉及“地球物理”領(lǐng)域，也涉及“從井中開采油、氣、水、可溶解或可熔化物質(zhì)或礦物泥漿”領(lǐng)域。本發(fā)明具體涉及一種基于人工智能的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖石破裂預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

1、水力壓裂技術(shù)是將高壓流體注入頁巖儲(chǔ)層產(chǎn)生復(fù)雜的人工裂縫，可以增加儲(chǔ)層的連通性并提高單井產(chǎn)量。對(duì)水力壓裂儲(chǔ)層改造的不同階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)估，是實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)、安全生產(chǎn)的前提。然而，水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，野外井場(chǎng)條件復(fù)雜，觀測(cè)系統(tǒng)布置范圍有限，并且無法獲得準(zhǔn)確的實(shí)際工區(qū)背景資料（速度結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)參數(shù)等），同時(shí)實(shí)際操作存在較多的不可控因素，因而很難通過現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)來驗(yàn)證水力壓裂過程中裂縫反演結(jié)果的正確性。

2、實(shí)驗(yàn)室的巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)可以提供穩(wěn)定可控的應(yīng)力加載條件和信號(hào)測(cè)量條件，能夠較準(zhǔn)確的獲得巖樣的各種屬性參數(shù)，進(jìn)而可以對(duì)水力壓裂中巖石的變化過程進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，進(jìn)一步為實(shí)際水力壓裂提供指導(dǎo)和幫助。

3、室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)（超聲、聲發(fā)射、ct）。在實(shí)驗(yàn)室?guī)r石物理試驗(yàn)中，可以同時(shí)進(jìn)行ct、超聲和聲發(fā)射等多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)。電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed?tomography，ct）是通過無損方式獲取被測(cè)物體信息的一種影像技術(shù)；ct成像使用激發(fā)的x射線束對(duì)巖樣進(jìn)行層析掃描，可獲得巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息。主動(dòng)源超聲使用壓電陶瓷傳感器（pzt）激發(fā)地震波，地震波在巖石樣品內(nèi)傳播，通過反演接收的地震波可以獲得巖樣內(nèi)部的速度等介質(zhì)信息。被動(dòng)源聲發(fā)射使用壓電陶瓷傳感器連續(xù)被動(dòng)采集巖石內(nèi)部破壞產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，通過聲發(fā)射信號(hào)分析可以獲得巖石內(nèi)部破裂相關(guān)的震源參數(shù)信息。這些監(jiān)測(cè)中，壓電陶瓷傳感器安裝在巖石表面，按照一定方式組成檢波器陣列。這些pzt傳感器通過快速自動(dòng)開關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)pzt接收與發(fā)射功能的切換，既可以被動(dòng)采集聲發(fā)射信號(hào)，也可以主動(dòng)激發(fā)超聲信號(hào)。

4、巨型地震通常始于幾乎一個(gè)點(diǎn)的微小巖石破裂，隨后是復(fù)雜斷層系統(tǒng)的連續(xù)滑移，延伸數(shù)百公里的巨大破裂區(qū)域向外輻射巨大能量，引發(fā)強(qiáng)烈震動(dòng)。水力壓裂通過高壓注入流體使巖石產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，增加產(chǎn)能；然而，當(dāng)壓裂過程設(shè)計(jì)不當(dāng)，水力壓裂過程可能累積的地應(yīng)力或能量可能產(chǎn)生大震風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要對(duì)水力壓裂過程進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估裂縫與壓裂過程的內(nèi)在物理關(guān)系，并建立裂縫預(yù)測(cè)的方法，以能夠?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)防控提供基礎(chǔ)。

5、近年來，機(jī)器學(xué)習(xí)方法得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并在地震\破裂預(yù)測(cè)領(lǐng)域取得了一定的成果。機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行預(yù)測(cè)的思路一般為：選擇合適的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)的特征指標(biāo)作為模型輸入變量，目標(biāo)地震的時(shí)空強(qiáng)等參數(shù)則作為響應(yīng)變量；模型利用數(shù)據(jù)建立特征指標(biāo)與地震事件之間的關(guān)系。對(duì)于地震觀測(cè)數(shù)據(jù)和特征指標(biāo)，通常從地震目錄、地震波形數(shù)據(jù)等地震學(xué)數(shù)據(jù)和地表形變、電磁場(chǎng)、地溫、重力、地下流體和地球化學(xué)等前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)中選取。例如，rouet-leduc等（2018年）通過隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)巖石實(shí)驗(yàn)加載過程中發(fā)出的聲波信號(hào)與斷層摩擦系數(shù)有一定的相關(guān)模式。至少在巖石實(shí)驗(yàn)中，任何時(shí)刻地震信號(hào)的瞬態(tài)統(tǒng)計(jì)特征，可以推斷斷裂帶摩擦特性和斷層周圍的應(yīng)力狀態(tài)。rouet-leduc等（2017年）用機(jī)器學(xué)習(xí)去識(shí)別巖石實(shí)驗(yàn)失穩(wěn)前的隱藏信號(hào)，發(fā)現(xiàn)僅利用一段噪聲的聲波信號(hào)，就能極準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)下一次摩擦失穩(wěn)的剩余時(shí)間。hulbert等（2019年）利用機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)了聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中地震發(fā)生時(shí)間、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)和震級(jí)大小。實(shí)驗(yàn)室慢地震峰值滑動(dòng)速度可作為預(yù)測(cè)強(qiáng)震發(fā)生的重要指標(biāo)。

6、總的來說，深度學(xué)習(xí)在預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室地震方面展示出高性能、可擴(kuò)展性、泛化能力等優(yōu)勢(shì)。然而，對(duì)于水力壓裂實(shí)驗(yàn)多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的裂縫預(yù)測(cè)問題，還沒有可見的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于至少部分地克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于人工智能的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖石破裂預(yù)測(cè)方法。

2、本發(fā)明的目的還在于提供一種基于人工智能的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖石破裂預(yù)測(cè)方法，能夠預(yù)測(cè)水力壓裂過程中裂縫發(fā)育過程，進(jìn)而對(duì)裂縫破裂過程進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3、本發(fā)明的目的還在于提供一種基于人工智能的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖石破裂預(yù)測(cè)方法，能為不可控破裂提供預(yù)警，為實(shí)際水力壓裂安全開發(fā)提供參考。

4、為達(dá)到上述目的或目的之一，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

5、一種基于人工智能的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖石破裂預(yù)測(cè)方法，所述方法包括：

6、進(jìn)行室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)；

7、構(gòu)建訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：對(duì)不同的巖石樣品分別進(jìn)行所述實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)，構(gòu)成總數(shù)據(jù)集；所述數(shù)據(jù)包括：去除壓電陶瓷傳感器金屬偽影的ct結(jié)構(gòu)圖、巖石融合破裂圖、聲發(fā)射位置分布圖、超聲反演的速度圖、基于劃分到時(shí)間段內(nèi)的聲發(fā)射事件計(jì)算的b值、軸壓曲線、圍壓曲線、注入壓曲線、注入速率曲線、注入體積曲線；

8、構(gòu)建破裂預(yù)測(cè)模塊，所述破裂預(yù)測(cè)模塊基于序列到序列框架進(jìn)行構(gòu)建；

9、使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集訓(xùn)練檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)；

10、對(duì)所有實(shí)際監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相同步驟的預(yù)處理，輸入當(dāng)前時(shí)刻t之前的觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得t+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)破裂結(jié)果；

11、更新數(shù)據(jù)集和破裂預(yù)測(cè)模塊。

12、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述“進(jìn)行室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)”包括：

13、根據(jù)研究目的采樣不同規(guī)格的巖石樣品，使用預(yù)制的橡膠套覆蓋巖石樣品，橡膠套上設(shè)置有多個(gè)探頭孔，孔內(nèi)未粘貼壓電陶瓷傳感器；

14、使用室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)未粘貼壓電陶瓷傳感器的巖石樣品采集一次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)不包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第一階段ct數(shù)據(jù)；

15、將壓電陶瓷傳感器置于探頭孔中，并將壓電陶瓷傳感器粘合到巖石樣品的表面；

16、使用室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)粘貼有壓電陶瓷傳感器的巖石樣品采集一次ct數(shù)據(jù)，并利用ct數(shù)據(jù)標(biāo)定壓電陶瓷傳感器的空間位置，該ct數(shù)據(jù)包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第二階段ct數(shù)據(jù)；

17、采用不同的加載策略對(duì)巖石樣品進(jìn)行加壓，加壓階段包括各向同性加載階段、增加軸壓階段、注水增加孔隙壓力階段、壓力卸載階段；在注水增加孔隙壓力階段，按照設(shè)定時(shí)間采集若干次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第三階段ct數(shù)據(jù)；在壓力卸載階段，采集一次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第四階段ct數(shù)據(jù)；然后，摘除巖石樣品外的壓電陶瓷傳感器，再次采集一次ct數(shù)據(jù)，該ct數(shù)據(jù)不包含壓電陶瓷傳感器金屬偽影，作為第五階段ct數(shù)據(jù)；

18、對(duì)所有采集的ct數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

19、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，巖石樣品的規(guī)格為：直徑為50mm，長(zhǎng)度為125mm，圓柱體；

20、巖石樣品包括普通巖樣和干擾巖樣兩種類型；

21、其中，普通巖樣類型包括：砂巖、頁巖兩類巖石；按是否含有層理以及層理方向分為5類，分別為層理方向?yàn)?±20°、45±20°、90±20°、135±20°、均勻介質(zhì)不含層理；按軸壓強(qiáng)度分為2類，分別為50±10mpa、90±10mpa；每一類分別選取5個(gè)巖樣，共100個(gè)巖樣；

22、其中，干擾巖樣類型包括砂巖、頁巖兩類巖石，為均勻介質(zhì)不含層理，并且?guī)r樣中包括沉積物，每一類選取5個(gè)巖樣，共10個(gè)巖樣。

23、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，數(shù)據(jù)集由真實(shí)巖樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增廣，以提升數(shù)據(jù)集的普適性；對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行相同步驟的預(yù)處理。

24、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，真實(shí)巖樣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的生成包括：

25、使用普通巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石物理水力壓裂實(shí)驗(yàn)，完成多次實(shí)驗(yàn)，獲得多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

26、對(duì)應(yīng)任意第k次實(shí)驗(yàn)，將注水增加孔隙壓力階段的開始時(shí)刻設(shè)為初始值t0，總持續(xù)時(shí)間為tn，每隔dt秒采集一次數(shù)據(jù)，共獲得次數(shù)據(jù)；在所有的多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，不同巖石類型導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過程存在差異，進(jìn)而tn和會(huì)有差異。

27、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，所述“對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增廣”的步驟包括：

28、在任意t時(shí)刻的聲發(fā)射位置分布圖中，對(duì)計(jì)算得到的聲發(fā)射震源信息的震源位置添加隨機(jī)干擾，并重新生成聲發(fā)射位置分布圖；

29、在任意t時(shí)刻的b值中，對(duì)計(jì)算得到的聲發(fā)射震源信息的激發(fā)時(shí)間添加隨機(jī)干擾，并重新生成b值。

30、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在“使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)集訓(xùn)練檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)”步驟中，將數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集與測(cè)試集，比例為8：2；破裂預(yù)測(cè)模塊采用隨機(jī)梯度下降優(yōu)化方法，設(shè)置動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)率，初始值設(shè)置為0.0001，每50次降低一半，批處理量設(shè)置為40，迭代次數(shù)為200；破裂預(yù)測(cè)模塊的訓(xùn)練是在gpu圖像處理單元上進(jìn)行的。

31、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)觸發(fā)下述任意條件時(shí)，更新訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：

32、在進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果中第一次出現(xiàn)裂縫的時(shí)間大于10秒時(shí)；或

33、在進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，實(shí)際結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果中，相鄰5秒內(nèi)，裂縫的相似度小于50%時(shí)。

34、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)滿足下述條件時(shí)，觸發(fā)破裂預(yù)測(cè)模塊的更新：

35、當(dāng)數(shù)據(jù)集中新增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)大于5次時(shí)；或

36、當(dāng)數(shù)據(jù)集中新增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)的比例大于20%時(shí)。

37、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，室內(nèi)水力壓裂實(shí)驗(yàn)裝置包括壓力容器、加載系統(tǒng)、聲發(fā)射記數(shù)及波形采集系統(tǒng)、和ct監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

38、根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在采用不同的加載策略對(duì)巖石樣品進(jìn)行加壓的過程中，按照設(shè)定時(shí)間采集主動(dòng)源超聲數(shù)據(jù)，在進(jìn)行主動(dòng)源超聲監(jiān)測(cè)時(shí)，部分壓電陶瓷傳感器作為發(fā)射探頭，激發(fā)超聲信號(hào)，剩余壓電陶瓷傳感器作為接收探頭，接收超聲信號(hào)；

39、在采用不同的加載策略對(duì)巖石樣品進(jìn)行加壓的過程中，壓電陶瓷傳感器除主動(dòng)源超聲采集時(shí)作為發(fā)射探頭和接收探頭使用外，其余時(shí)間均作為接收探頭接收巖石樣品變化產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。

40、本發(fā)明的基于人工智能的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖石破裂預(yù)測(cè)方法自適應(yīng)地綜合分析多物理監(jiān)測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)巖石裂縫發(fā)育過程，對(duì)裂縫及其破裂過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，此外，本發(fā)明的基于人工智能的多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)巖石破裂預(yù)測(cè)方法構(gòu)建基于多物理場(chǎng)的巖石破裂預(yù)測(cè)模塊，將為不可控破裂提供預(yù)警，為實(shí)際水力壓裂安全開發(fā)提供參考。