基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测系统及方法与流程

本发明涉及地质环境监测，具体涉及基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测系统及方法。

背景技术：

1、页岩气作为重要的非常规天然气资源，其开发过程中广泛采用水力压裂技术。该技术通过高压注入压裂液使页岩层产生裂缝网格，从而释放天然气。然而，这一过程可能对周边地质环境造成潜在影响，特别是对地下水系统和地壳稳定性。针对此，目前行业普遍采用地下水化学监测与地震活动监测两套独立的系统进行环境监测。

2、然而，地下水化学监测与地震活动监测相互独立运行，缺乏数据融合与关联分析机制。导致难以从系统角度全面评估页岩气开发活动对地质环境的综合影响。例如，当发生微震事件时，无法及时判断该事件是否与压裂作业相关，或是否伴随地下水通道的破坏。现有监测体系主要依赖单一指标超过预设阈值后触发报警，属于典型的事后响应模式。而由于地下水化学变化和地震活动的响应具有一定的时间延迟，使得被动预警机制难以为事前干预提供有效的时间窗口，无法实现风险的早期识别与主动防控。

3、此外，地下水中的某些化学指标在天然地质条件下可能存在背景值异常，其浓度波动可能源于自然水文地球化学过程，而非压裂作业所致。但现有技术中却缺乏对天然本底与人为影响的区分能力，容易导致误判。一方面容易被误判为污染而引起不必要的恐慌，另一方面也可能漏掉污染事件，而耽误及时处理。而目前针对页岩气开发环境风险的管控建议还是依赖于专家经验或定性判断，而没有可量化、可复制、可标准分析的评估手段，难以实时指导压裂作业参数进行动态调整，而确保环境风险与开发效率的平衡。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测系统及方法，解决现有页岩气监测与预警技术难以满足当前环境风险早期识别、精准溯源与智能管控的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，包括以下步骤：

3、s1，采集页岩气开发区域内地下水环境数据、微震活动数据以及工程施工参数数据，并对多源异构数据进行时间同步、空间匹配和数据标准化处理；

4、s2，基于地下水监测数据建立动态背景模型，计算地下水环境指标相对于动态背景值的偏离程度，并利用滑动时间窗口计算地下水指标变化趋势；同时，对微震事件进行时空聚类分析，提取微震事件频次及能量释放特征；

5、s3，基于地下水异常特征、微震活动特征以及工程扰动特征，建立地下水异常—微震响应—工程活动之间的时空关联关系，构建综合风险指数模型，计算页岩气开发地质环境综合风险指数r；

6、s4，根据综合风险指数r的数值等级生成对应风险预警信息，并通过可视化决策模块输出风险分布、风险等级及工程调控建议。

7、同时，本方案还提供一种基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测系统，应用于上述基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，包括：

8、数据采集模块，用于获取来自布设在页岩气开发区的分布式传感器网络的多源工程参数数据；

9、数据融合模块，用于将采集的多源数据进行清洗、时空对齐和标准化处理；

10、特征提取模块，用于计算地下水指标变化趋势、动态背景偏离程度以及微震活动特征参数；

11、风险评估与预警模块，用于构建风险评估模型，并基于模型实时计算综合风险指数r；根据r数值区间触发并发布相应的预警信号；

12、可视化决策模块，用于动态展示地下水污染羽、微震事件分布、压裂平台位置、实时风险指数及预警等级，并自动生成管控建议报告。

13、本方案的原理和优点是：

14、本方案主要解决现有页岩气开发地质环境监测过程中多源监测数据相互独立、异常识别滞后以及风险评价缺乏综合量化的问题。

15、本方案通过将地下水环境数据、微震活动数据和工程施工参数数据统一至同一时间尺度和空间坐标体系，实现多源异构数据融合，为后续风险特征提取提供基础。

16、在此基础上，对地下水监测指标采用滑动时间窗口计算变化速率，并结合动态背景值计算指标偏离程度，以识别地下水环境异常变化趋势；同时，对微震事件采用时空聚类方法识别微震丛集特征，计算事件频次和能量释放率，并通过空间缓冲区分析和时间窗口匹配方法建立地下水异常与微震活动之间的时空关联关系，为分析页岩气开发活动可能引起的地质环境响应提供联合判据。

17、进一步地，本方案构建综合风险指数模型，将地下水环境异常风险、微震活动风险、工程扰动风险进行综合评价，实现地质环境风险量化分析和分级预警，并通过可视化决策模块展示风险状态和生成工程优化建议。

18、本方案基于地下水指标变化速率和动态背景偏离程度进行异常识别，可在监测指标达到传统固定阈值之前发现异常趋势，实现风险提前识别。同时，通过地下水异常与微震活动的时空关联分析，实现多源信息相互验证，提高风险识别可靠性；通过动态背景模型降低天然水文地球化学波动对评价结果的干扰。

19、此外，本方案将复杂的多源监测数据转换为综合风险指数和分级预警结果，并结合工程参数提供优化建议，实现从数据采集、风险分析到辅助决策的全过程管理，提高页岩气开发地质环境风险管理的科学性和可操作性。

1.基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于：在s2中，计算地下水指标的变化趋势为采用空间缓冲区分析和时间窗口滑动进行关联，计算各监测指标在滑动时间窗口内的变化速率，则表示为

3.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于，在s2中，根据页岩气开发前历史监测数据以及开发过程中更新的数据建立地下水动态背景模型；所述动态背景模型包括动态平均值和动态标准差；

4.根据权利要求2所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于：在s2中，采用基于时空密度的聚类算法识别微震事件的时空丛集性参数，所述参数包括最大距离和时间窗口；计算出单位时间内的事件频次和能量释放特征；通过空间缓冲区和时间窗口滑动，将地下水异常与地震丛集进行时空关联，并计算出联合风险概率；其中，事件频次表示为：

5.根据权利要求4所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于：在s3中，根据地下水异常风险、微震活动风险、工程扰动风险以及地下水异常与微震活动之间的时空耦合关系建立综合风险指数模型；

6.根据权利要求5所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于，各风险函数分别表示为：

7.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于：所述预警信号包括三级，分别为红灯高风险、黄灯风险升高、绿灯风险可接受；当时，为风险可接受显示绿灯；当时，为风险升高显示黄灯；当时，为高风险显示红灯；其中，为设定的黄灯阈值；为设定的红灯阈值。

8.根据权利要求1所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，其特征在于：在s1中，所述预处理为对地下水数据、微震数据和工程数据进行异常值剔除、时间同步、空间坐标统一以及标准化处理，将所有数据统一至utc时间戳与wgs84坐标系，对非实时数据采用线性插值，空间对齐通过地理编码实现，将监测点、台站和平台位置映射到同一gis图层，采用z-score方法对多源数据进行标准化消除量纲影响。

9.基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测系统，其特征在于，应用于上述权利要求1-8中任一所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测方法，包括：

10.根据权利要求9所述的基于多源数据融合的页岩气开发地质环境预测系统，其特征在于：还包括工程调控建议模块，用于根据风险预警结果生成压裂施工参数优化建议，并支持工程人员根据建议调整施工参数。