地震地下流体观测井及用其测定地震前兆异常信息的系统和方法

摘要

本发明是公开一种地震地下流体观测井以及基于该观测井的测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的系统和方法，涉及地球物理和防震减灾技术。地震地下流体观测井垂直于地层走向设置，观测井中心居中安装了耐腐蚀密封不锈钢套管，采用水泥在观测井底部和顶部固定套管，另外在不锈钢套管的轴向中心位置，采用不锈钢卡固定套管，在套管和井壁之间的空隙中埋置多模光纤维，并在套管和井壁之间的空隙中填充矿石颗粒，形成了均匀的孔隙介质层。以空间高分辨率光纤维传感器采集地震剪切波激发的孔隙压动态响应信号，并通过极大似然反褶积时空守恒方法和权重积分方法芯片集成数据解析系统，计算获取与剪切波关联的动态孔隙压扩散系数特征尺度，对产生地震剪切波的震源进行高精度地震定位，为地震预报提供具有震源物理意义的科学决策数据。本发明涉及的动态孔隙压扩散系数特征尺度的获取方法，也可用于石油开采井和二氧化碳地质封存注入井的井壁破裂监测。

说明书

技术领域

本发明涉及地球物理和防震减灾技术领域，是一种测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的方法，采用高分辨率光纤维传感器，采集地震剪切波激发的动态孔隙压数据，根据孔隙压的传播理论与极大似然反褶积时空守恒方法获取与剪切波关联的动态孔隙压扩散系数特征尺度，为地震预测提供具有震源物理意义的科学的决策参数，主要设备是地震观测井结构及光纤维传感器、基于布里渊散射时域解析模式测定原理的孔隙压数据解析系统、动态孔隙压扩散系数极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统和基于权重积分传递函数的数据处理系统。 

背景技术

中国是地震灾害多发的国家，已造成严重生命财产损失，获取具有震源物理意义的特征参数，提高地震预测能力的科学性和准确性，对优质服务《中华人民共和国防震减灾法》具有重大的国家战略安全和经济意义。 

地壳流体对地震前兆最为敏感，包涵丰富的震源物理动态信息，地下水位受大气降水、固体潮、地壳应力及地震剪切波的影响，监测地震地下水位异常变化，已经成为国内外提取地震前兆的主要途径之一。 

中国地震局登记的地震地下水位观测井587个水位测项，安装地震地下水位测定仪器即：数字化观测仪器LN-3型与模拟观测(图纸记录)SW-40型，采集井水位的动态变化数据，根据人为经验判定井水位异常变化(突跃、振荡现象)是否为地震前兆。 

地震震源产生的剪切波激发孔隙压波，孔隙压波扰动地震观测井和其所在含水层中的流态，导致井水位发生变化，井水位变化存在滞后效应，其时间尺度超过了地震激发的孔隙压波传播的周期，孔隙压波传播特征为高频信号衰减慢，低频信号衰减快。 

地震地下水位数字化观测仪器LN-3型采用石英压力传感器，采样频率1/60赫兹，接收函数采用观测井井水位变化产生的压力差与电压之间的关系，通过电缆将电压信号传输给终端数据处理系统，监测的井水位动态信号信噪比低、频带窄、信号不稳定，仪器漂移严重，易被雷电击毁，传感器易受电磁干扰、发生短路负载等缺陷，难以获取可靠的地震前兆数据，而且制造成本和运营成本高，有很大的局限性。模拟观测(图纸记录)SW-40型模拟记录使用浮子式传感器，存在采样率低、噪声高的缺陷。传统的监测井水位动态变化数据难以获取地震震源物理信息。 

因此，开发一种信噪比高、空间动态分辨率高、信号稳健的地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的方法，获取具有震源物理意义的地震预测参数，是一个越来越需要正视、迫切解决的问题。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种获得信噪比高、空间动态分辨率高、信号稳健的地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的方法，为此提供一种地震地下流体观测井以及一种基于该观测井测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的系统和方法，以空间高分辨率 光纤维传感器采集地震剪切波激发的孔隙压动态响应数据，并通过极大似然反褶积时空守恒方法获取与剪切波关联的动态孔隙压扩散系数特征尺度的技术。采用高分辨率光纤维传感器，采集地震剪切波激发的动态孔隙压数据，根据孔隙压的传播理论与极大似然反褶积时空守恒方法获取与剪切波关联的动态孔隙压扩散系数特征尺度，为地震预测提供具有震源物理意义的科学的决策参数，主要设备是地震观测井结构及光纤维传感器、基于布里渊散射时域解析模式测定原理的孔隙压数据解析系统、动态孔隙压扩散系数极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统和基于权重积分传递函数的数据处理系统。 

本发明的技术解决方案是： 

提供一种地震地下流体观测井，该观测井垂直于地层走向设置，观测井深依据观测井所在位置的岩石种类确定，深度约20-100米，观测井中心居中安装了耐腐蚀密封不锈钢套管，采用水泥在观测井底部和顶部固定套管，形成观测井水泥浆密封圈底层和顶层，另外在不锈钢套管的轴向中心位置，采用不锈钢卡固定套管，其特征在于，在套管和井壁之间的空隙中，按90度圆心角间隔均匀埋置了4根传输频带宽度在30兆赫至数百兆赫之间的多模光纤维，该光纤维呈螺旋形状，4根多模光纤维的底端采用耐腐蚀水泥固定在井底；在套管和井壁之间的空隙中填充直径约为0.5-1毫米的均匀矿石颗粒，形成了均匀的孔隙介质层。 

对于所述的地震地下流体观测井，当观测井位于裂隙发育的饱和花岗岩中时，观测井深度控制在20-50米。 

对于所述的地震地下流体观测井，当观测井位于孔隙发育的饱和砂岩中时，观测井深度控制在50-100米。 

对于所述的地震地下流体观测井，套管外周与观测井井壁之间的距离为2-3厘米。 

对于所述的地震地下流体观测井，不锈钢套管内部充满空气并密闭，观测井水泥浆密封圈底层和顶层的厚度20-50厘米。 

对于所述的地震地下流体观测井，其特征在于，观测井井孔的直径10-15厘米。 

对于所述的地震地下流体观测井，其特征在于，矿石颗粒为石英颗粒或砂岩颗粒。

本发明还提供一种基于前述观测井测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的系统，该系统包括多模光纤维、基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析集成系统、极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统、基于权重积分方法传递函数的集成数据解析系统、无线网络信号传输系统和远程数据管理系统，当地震剪切波激发的孔隙压波经过均匀饱和石英或砂岩颗粒孔隙介质层时，孔隙压波的波阵面形成了扰动4根多模光纤维的环境应力，改变光纤维中光传播的相位和强度，而基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析集成系统采集处理光纤维的光相位或光强度变化，获取孔隙压波的动态信号；该动态信号传递到极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统，该解析系统获取地震剪切波产生的动态孔隙压扩散系数，4根多模光纤维的动态孔隙压扩散系数构成的4个时间序列传递到基于权重积分方法递函数的集成数据处理系统，该处理系统获得可靠的单个地震观测井动态孔隙压扩散系数特征尺度；多个地震地下流体观测井的动态孔隙压扩散系数特征尺度由无线网络信号传输系统传递到远程数据管理系统。 

本发明还提供一种基于前述观测井测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的方法，包括下述步骤： 

A)钻探地震地下流体观测井，观测井的轴垂直于地层走向，当观测井位于裂隙发育的饱 和花岗岩中时，观测井深度控制在20-50米，而当观测井位于孔隙发育的饱和砂岩中时，观测井深度控制在50-100米，观测井井孔的直径10-15厘米，观测井形成后，清洗观测井，在观测井中安装耐腐蚀密封不锈钢套管，套管外周和观测井井壁之间的距离为2-3厘米，在观测井底部采用水泥固定套管，形成观测井水泥浆密封圈底层，且在不锈钢套管的轴向中心位置，采用不锈钢卡固定套管； 

B)根据观测井的地理方位，将4根传输频带宽度在30兆赫至数百兆赫之间的多模光纤维以螺旋形状按90度圆心角间隔埋置在套管和井壁之间的空隙中，4根多模光纤维的底端采用耐腐蚀水泥固定在井底； 

C)采用直径为0.5-1毫米的均匀矿石颗粒填充套管和井壁之间的空隙，形成2-3厘米径向厚度的均匀孔隙介质层； 

D)在观测井顶部采用水泥固定套管，形成观测井水泥浆密封圈顶层； 

E)当地震剪切波激发的孔隙压波经过均匀饱和矿石颗粒孔隙介质层时，孔隙压波的波阵面形成了扰动4根多模光纤维的环境应力，改变多模光纤维中光传播的相位和强度，而基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析系统采集处理多模光纤维的光相位或光强度变化，获取孔隙压波的动态信号； 

F)稳健的孔隙压动态信号传递到极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统，该解析系统获取地震剪切波产生的动态孔隙压扩散系数，4根多模光纤维的动态孔隙压扩散系数构成的4个时间序列传递到基于权重积分方法传感函数的数据解析系统，该数据解析系统获得可靠的单个地震观测井动态孔隙压扩散系数特征尺度； 

G)多个地震地下流体观测井的动态孔隙压扩散系数特征尺度由无线网络信号传输系统传递到远程数据管理系统，完成数据采集与图像处理，通过至少三个地震地下流体观测井的孔隙压扩散系数特征尺度，对产生地震剪切波的震源进行高精度地震定位，为地震预测提供具有震源物理意义的科学的决策参数。 

在该方法的A)步骤中，当垂直于地层走向的应变高于平行于地层走向的应变时，要求测定地震观测井岩芯的物理属性，包括剪切强度、孔隙度和固有渗透系数。 

在该方法的A)步骤中，不锈钢套管内部充满空气并密闭，观测井水泥浆密封圈底层和顶层的厚度20-50厘米。 

在该方法的B)步骤中，多模光纤维空间分辨率为2厘米，测定精度±25×10-9应变。 

在该方法的C)步骤中，矿石颗粒为石英颗粒或砂岩颗粒。 

在该方法的E)步骤中，所述布里渊散射时域解析模式测定原理的数据解析系统的信号传递函数为布里渊散射时域解析模式。 

在该方法的F)步骤中，孔隙压波传播基于非线性双孔隙介质孔隙压扩散方程。 

在该方法的G)步骤中，通过至少三个地震观测井的孔隙压扩散系数特征尺度，对产生地震剪切波的震源进行高精度地震定位。 

本发明不受电磁干扰、无短路负载、防噪声及信号稳健，保持螺旋形状提高光纤维对孔隙压波的感应灵敏度，用4根光纤维传感器测定的动态孔隙压数据联合率定孔隙压扩散系数特征尺度，准确识别孔隙压波传播方向。而且由于均匀孔隙介质层为饱和石英颗粒孔隙介质层或饱和砂岩颗粒孔隙介质层，其中饱和流体广义地壳流体，提高孔隙压波阵面的有效传播面积，增强孔隙压波能量，保证信号稳健。再有，极大似然反褶积时空守恒方法集成数据解 析系统保证单个地震观测井动态孔隙压扩散系数特征尺度解的唯一性，动态孔隙压扩散系数特征尺度只与地震剪切波关联，达到零噪声污染。更有，通过至少三个地震观测井的孔隙压扩散系数特征尺度，对产生地震剪切波的震源进行高精度地震定位，对地震的科学预测提供决策依据，在国际上尚未见报道。 

附图说明

图1是本发明的地震观测井结构及光纤维安装示意图。 

图2是图1的A-A剖面图。 

图3是本发明基于观测井的测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的系统示意图。 

图4是本发明测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的系统和方法的布里渊散射时域解析模式获得的剪切波激发的动态孔隙压波。 

图5是本发明测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的系统和方法的极大似然反褶积时空守恒方法获取的动态孔隙压扩散系数尺度。 

图中：1为观测井水泥浆密封圈顶层、2为孔隙介质层、3为耐腐蚀密封不锈钢套管、4为井壁、5为不锈钢卡、6为岩体(花岗岩或砂岩)、7多模光纤维、8观测井水泥浆密封圈底层、11为地震剪切波、12为基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析系统、13为极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统、14基于权重积分方法传递函数的数据解析系统、15为无线网络信号传输系统、16为远程数据管理系统。 

具体实施方式

下面结合图1、图2、图3、图4和图5描述本发明的方法。 

如图1和图2所示，为本发明一种地震地下流体观测井的实施例，该观测井垂直于地层走向设置，观测井深依据观测井所在位置的岩石种类确定，深度约20-100米。当观测井位于裂隙发育的饱和花岗岩中时，观测井深度控制在20-50米；当观测井位于孔隙发育的饱和砂岩中时，观测井深度控制在50-100米。观测井中心居中安装了耐腐蚀密封不锈钢套管3，不锈钢套管3内部充满空气并封闭，在距离观测井底部和顶部井口，采用水泥固定套管3，形成观测井水泥浆密封圈底层1和顶层8，在不锈钢套管3的轴向中心位置，采用不锈钢卡5固定套管3，在套管3和井壁4之间的空隙中，按90度圆心角间隔均匀埋置了4根传输频带宽度在30兆赫至数百兆赫之间的多模光纤维7，该光纤维呈螺旋形状，4根多模光纤维7的底端采用耐腐蚀水泥固定在井底；并且在套管3和井壁4之间的空隙中填充直径约为0.5-1毫米的均匀石英颗粒或砂岩颗粒，形成了饱和均匀的石英或砂岩颗粒孔隙介质层。套管3外周与观测井井壁4之间的距离为2-3厘米。观测井水泥浆密封圈底层1和顶层8的厚度20-50厘米。 

图3为基于上述观测井的测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的系统示意图，该系统包括多模光纤维7、基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析集成系统12、极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统13、基于权重积分方法传递函数的集成数据解析系统14、无线网络信号传输系统15和远程数据管理系统16；首先由基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析集成系统12向多模光纤维7中发射入射光，当地震剪切波11激发的应力波经过饱和流体(所述流体为地壳中的广义流体，即液体，气体，或者混合流体相)的石英或砂岩颗粒孔隙介质层时，应力波的波阵面形成了扰动4根多模光纤维的环境应力，引起光纤维变形，改变光纤维中光传播的相位和强度，形成反射波，而基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析集成系统12采集处理光纤维变形引起的 反射波的光相位和光强度变化，并利用布里渊散射时域解析方法，计算出光纤维中每隔2厘米的光纤维的应变或应力值，获取地震剪切波11激发的应力波经过饱和流体的石英或砂岩颗粒孔隙介质层的动态应变或应力信号，该动态应变或应力由两部份构成，其一是地震剪切波11激发的应力波引起石英或砂岩颗粒孔隙介质层中石英或砂岩颗粒固体的变形对应的应变或应力，其二是地震剪切波11激发的应力波引起饱和流体的石英或砂岩颗粒孔隙介质层中孔隙压的变化，采用经典Morlet小波基函数，利用二阶小波分析的方法，提取低通信号得到所述石英或砂岩颗粒固体的应变或应力数据，提取高通信号得到所述孔隙压的变化数据，所述孔隙压的变化数据为动态孔隙压，该动态孔隙压与地震剪切波在所述观测井所在的岩体中激发的孔隙压是一致的；该动态孔隙压信号传递到极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统13，该动态孔隙压是孔隙压扩散系数的非线性函数，孔隙压扩散系数是岩体的特征物理属性参数，本发明通过动态孔隙压计算孔隙压扩散系数的过程是个反问题，采用经典的非线性孔隙压扩散理论方程，并采用高精度时空守恒元/解元方法离散所述非线性方程，并采用经典的极大似然反褶积方法计算得到孔隙压扩散系数，所属地震剪切波是个时间序列，该解析系统获取地震剪切波产生的动态孔隙压扩散系数，4根多模光纤维的动态孔隙压扩散系数构成的4个时间序列传递到基于权重积分方法递函数的集成数据处理系统14，该处理系统采用经典的权重积分方法对所述的动态孔隙压扩散系数构成的4个时间序列进行加权平均，获得可靠的单个地震观测井动态孔隙压扩散系数(也称为孔隙压扩散系数特征尺度)；多个地震地下流体观测井的动态孔隙压扩散系数特征尺度由无线网络信号传输系统15传递到远程数据管理系统16，该数据管理系统能够采用经典的地震定位方法，如交叉定位方法等，利用动态孔隙压扩散系数特征尺度对地震，特别是具有地震前兆意义的微小地震定位。 

在前述观测井和系统的基础上，实现了测定地震前兆孔隙压扩散系数异常动态信息的方法，包括下述步骤： 

A)钻探地震地下流体观测井，观测井的轴垂直于地层走向，当观测井位于裂隙发育的饱和花岗岩中时，观测井深度控制在20-50米，而当观测井位于孔隙发育的饱和砂岩中时，观测井深度控制在50-100米，观测井井孔的直径10-15厘米，观测井形成后，清洗观测井，在观测井中安装耐腐蚀密封不锈钢套管3，套管3外周和观测井井壁4之间的距离为2-3厘米，在距离观测井底部采用水泥固定套管，形成观测井水泥浆密封圈底层1，且在不锈钢套管的轴向中心位置，采用不锈钢卡5固定套管3； 

B)根据观测井的地理方位，将4根传输频带宽度在30兆赫至数百兆赫之间的多模光纤维7以螺旋形状按90度圆心角间隔埋置在套管3和井壁4之间的空隙中，4根多模光纤维7的底端采用耐腐蚀水泥固定在井底； 

C)采用直径为0.5-1毫米的均匀矿石颗粒填充套管3和井壁4之间的空隙，形成2-3厘米径向厚度的均匀孔隙介质层2； 

D)在距离观测井顶部开口采用水泥固定套管3，形成观测井水泥浆密封圈顶层8； 

E)当地震剪切波激发的孔隙压波经过均匀饱和矿石颗粒孔隙介质层2时，孔隙压波的波阵面形成了扰动4根多模光纤维的环境应力，改变多模光纤维中光传播的相位和强度，而基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析系统12采集处理多模光纤维的光相位或光强度变化，获取孔隙压波的动态信号； 

F)稳健的孔隙压动态信号传递到极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统13，该解析系统获取地震剪切波产生的动态孔隙压扩散系数，4根多模光纤维的动态孔隙压扩散系数构成的4个时间序列传递到基于权重积分方法传感函数的数据解析系统14，该数据解析系统获得可靠的单个地震观测井动态孔隙压扩散系数特征尺度； 

G)多个地震地下流体观测井的动态孔隙压扩散系数特征尺度由无线网络信号传输系统15传递到远程数据管理系统16，完成数据采集与图像处理，通过至少三个地震地下流体观测井的孔隙压扩散系数特征尺度，对产生地震剪切波的震源进行高精度地震定位，为地震预测提供具有震源物理意义的科学的决策参数。 

在该方法的A)步骤中，当垂直于地层走向的应变高于平行于地层走向的应变时，要求测定地震观测井岩芯的物理属性，包括剪切强度、孔隙度和固有渗透系数。 

在该方法的A)步骤中，不锈钢套管内部充满空气并密闭，观测井水泥浆密封圈底层和顶层的厚度20-50厘米。 

在该方法的B)步骤中，多模光纤维空间分辨率为2厘米，测定精度±25×10-9应变，本发明所用的多模光纤维实际上就是一种光纤维传感器，该分辨率是指多模光纤维上众多传感器之间的间隔为2厘米。 

在该方法的C)步骤中，矿石颗粒为石英颗粒或砂岩颗粒。 

在该方法的E)步骤中，所述布里渊散射时域解析模式测定原理的数据解析系统的信号传递函数为布里渊散射时域解析模式。 

在该方法的F)步骤中，孔隙压波传播基于非线性双孔隙介质孔隙压扩散方程。 

而本发明将4根多模光纤维传感器以螺悬式形状埋在饱和广义地壳流体的石英或砂岩颗粒孔隙介质层，信号稳健、能量损失极小，是采集地震前兆孔隙压异常动态信号的创新性技术路线。 

而本发明通过多模光纤维传感器采集剪切波激发的高分辨率、稳健的动态孔隙压信号，采用极大似然反褶积时空守恒方法和权重积分方法，计算地震观测井动态孔隙压扩散系数特征尺度，并利用至少3个地震观测井的动态孔隙压扩散系数特征尺度，对产生地震剪切波的震源进行高精度地震定位，为地震预报提供具有震源物理意义的科学的决策依据，是地震物理预报的创新性技术路线。 

本发明包含如下先后流程：首先利用多模光纤维7中存在的传感器采集地震的剪切波11激发的动态孔隙压引起的多模光纤维中光传播的相位和强度的变化，相位和强度的变化信号在基于布里渊散射时域解析模式测定原理的数据采集和解析系统12中进行数据解析，获取稳健的高分辨率动态孔隙压信号(如图4所示)，在极大似然反褶积时空守恒方法数据解析系统13和权重积分方法传感函数的数据解析系统14中，计算地震观测井动态孔隙压扩散系数特征尺度(如图5所示)，无线网络信号传输系统15将动态孔隙压扩散系数特征尺度传递给远程数据管理系统16，进行高精度地震定位，为判定短临大地震的三要素(时间、地点、震级)提供科学依据。 

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。