RU2809469C1 - Method and system for seismoacoustic monitoring of rock mass - Google Patents
Method and system for seismoacoustic monitoring of rock mass Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809469C1 RU2809469C1 RU2023109620A RU2023109620A RU2809469C1 RU 2809469 C1 RU2809469 C1 RU 2809469C1 RU 2023109620 A RU2023109620 A RU 2023109620A RU 2023109620 A RU2023109620 A RU 2023109620A RU 2809469 C1 RU2809469 C1 RU 2809469C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- well
- fiber optic
- optic cable
- cable
- fiber
- Prior art date
Links
- 239000011435 rock Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 61
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 13
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 12
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 6
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 11
- 239000002689 soil Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 13
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- XAEFZNCEHLXOMS-UHFFFAOYSA-M potassium benzoate Chemical compound [K+].[O-]C(=O)C1=CC=CC=C1 XAEFZNCEHLXOMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Группа изобретений относится к области геофизики, в частности к области сейсморазведки и акустики, и может быть применена для контроля состояния грунтов в зонах опасных природных или техногенно-геологических процессов, а также мониторинга оснований зданий и сооружений на подработанной территории для выявления и своевременной сигнализации о наличии опасных геологических и техногенных процессов (разуплотнение, трещинообразование, просадки, карст).The group of inventions relates to the field of geophysics, in particular to the field of seismic exploration and acoustics, and can be used to monitor the condition of soils in zones of hazardous natural or technogenic-geological processes, as well as monitoring the foundations of buildings and structures in undermined areas to identify and timely signal the presence of hazardous geological and technogenic processes (decompaction, cracking, subsidence, karst).
Известен способ автоматического сейсмоакустического контроля состояния массива горных пород, включающий регистрацию сейсмоакустических импульсов геофонами, расположенными с различных сторон исследуемого массива, при этом с целью повышения надежности контроля, по сигналам противолежащих геофонов формируют прямоугольные импульсы, которые подаются через схему совпадений на индикатор, причем длительность прямоугольных импульсов выбирают меньше времени прохождения акустического сигнала в массиве между противолежащими геофонами (SU 1057913 опубл. 30.11.1983, МПК: G01V 1/24). Недостатком способа является отсутствие активного источника упругих волн, соответственно нет возможности постоянного контроля состояния массива.There is a known method for automatic seismoacoustic monitoring of the state of a rock mass, including registration of seismoacoustic pulses by geophones located on different sides of the studied massif, and in order to increase the reliability of monitoring, rectangular pulses are formed from the signals of opposing geophones, which are fed through a coincidence circuit to the indicator, and the duration of the rectangular pulses are chosen less than the travel time of the acoustic signal in the array between opposing geophones (SU 1057913 publ. November 30, 1983, IPC: G01V 1/24). The disadvantage of this method is the absence of an active source of elastic waves; therefore, there is no possibility of constant monitoring of the state of the massif.
Известен способ геофизического контроля горного массива, при котором оценивают среднее значение и дисперсию принятых сигналов акустической эмиссии в каждой микрозоне на каждом выбранном уровне, а о произошедших физических изменениях в массиве судят по расчетной формуле (RU 2090905 опубл. 20.09.1997, МПК: Е21С 39/00). Недостатком данного способа является низкая надежность системы определения и прогноза состояния породного массива, поскольку контроль ведется за счет косвенных данных о величине акустической эмиссии.There is a known method for geophysical monitoring of a rock mass, in which the average value and dispersion of received acoustic emission signals in each microzone at each selected level are assessed, and the physical changes that have occurred in the massif are judged using a calculation formula (RU 2090905 publ. 09/20/1997, IPC: E21C 39 /00). The disadvantage of this method is the low reliability of the system for determining and predicting the state of the rock mass, since control is carried out using indirect data on the magnitude of acoustic emission.
Известен способ контроля изменения несплошности в массиве горных пород (RU 2498353 опубл. 10.11.2013, МПК: G01V 1/28), заключающийся в прозвучивании массива сигналами, приеме сигналов, прошедших контролируемый участок массива горных пород, в качестве зондирующего сигнала используют серии отдельных одиночных прямоугольных акустических импульсов, дополнительно определяют энергию каждого принятого импульса в выбранных частотных интервалах.There is a known method for monitoring changes in discontinuity in a rock mass (RU 2498353 publ. November 10, 2013, IPC: G01V 1/28), which consists of sounding the rock mass with signals, receiving signals that have passed the controlled section of the rock mass, using a series of separate single signals as a probing signal rectangular acoustic pulses, additionally determine the energy of each received pulse in selected frequency intervals.
Также известен способ контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород (RU 2570824 опубл. 10.12.2015, МПК: G01V 1/00, G01V 1/36), заключающийся в прозвучивании контролируемого участка горных пород акустическими импульсами, приеме сигналов. Данный способ взят в качестве прототипа. Недостатком указанных способов является то, что в качестве полезного сигнала принимается только прямые проходящие волны, при этом последующие вступления (отраженных и преломленных волн) игнорируются, несмотря на то, что они несут большой объем информации, который может быть использован для оценки состояния массива горных пород.There is also a known method for monitoring changes in the physical and mechanical state of a rock mass (RU 2570824 publ. 12/10/2015, IPC: G01V 1/00, G01V 1/36), which consists in sounding the controlled section of rocks with acoustic pulses and receiving signals. This method is taken as a prototype. The disadvantage of these methods is that only direct transmitted waves are received as a useful signal, while subsequent arrivals (reflected and refracted waves) are ignored, despite the fact that they carry a large amount of information that can be used to assess the state of the rock mass .
Известна система контроля состояния массива горных пород при подземных горных работах, включающая модуль регистрации состояния массива горных пород, соединенный линиями связи с устройством обработки данных, связанным с индикатором сигнала опасности, содержащая сейсмические, сейсмоакустические, тензометрические датчики изменения состояния массива горных пород. (RU 122119 опубл. 20.11.2012, МПК: Е21С 39/00). Недостатками данной системы является применение точечных датчиков, что обуславливает высокую стоимость и трудоемкость работ при малой информативности.A known system for monitoring the state of a rock mass during underground mining, including a module for recording the state of a rock mass, connected by communication lines to a data processing device connected to a danger signal indicator, containing seismic, seismoacoustic, strain gauge sensors for changes in the state of the rock mass. (RU 122119 published on November 20, 2012, IPC: E21C 39/00). The disadvantages of this system are the use of point sensors, which leads to high cost and labor-intensive work with little information content.
Известно устройство для контроля изменения напряженного состояния массива горных пород, включающее генератор импульсов, приемные преобразователи, анализатор спектра, блок памяти, блок сравнения и индикатор. (SU 1645511 опубл. 30.04.1991, МПК: Е21С 39/00).A device is known for monitoring changes in the stress state of a rock mass, including a pulse generator, receiving transducers, a spectrum analyzer, a memory unit, a comparison unit and an indicator. (SU 1645511 published 04/30/1991, IPC: E21C 39/00).
Также известно устройство контроля изменения физико-механического состояния массива горных пород (RU 2539521 опубл. 20.01.2015, МПК: Е21С 39/00), взятое в качестве прототипа заявляемой системы, включающее генератор упругих колебаний, приемные преобразователи, блок памяти, блок обработки и индикатор, причем, генератор соединен с излучателем. Устройство дополнительно содержит блок управления, при этом вход блока управления соединен с синхронизирующим выходом генератора, а выходы с блоком управления и с управляющими входами блоков обработки и сравнения.A device for monitoring changes in the physical and mechanical state of a rock mass is also known (RU 2539521 publ. 01/20/2015, IPC: E21C 39/00), taken as a prototype of the proposed system, including an elastic vibration generator, receiving transducers, a memory unit, a processing unit and indicator, and the generator is connected to the emitter. The device additionally contains a control unit, wherein the input of the control unit is connected to the synchronizing output of the generator, and the outputs are connected to the control unit and to the control inputs of the processing and comparison units.
Недостатком указанных устройств, в том числе прототипа является применение точечных сейсмоакустических датчиков, монтаж и подключение которых является весьма трудоемким процессом, кроме того, для каждого датчика необходим отдельный блок аналого-цифровых преобразователей (АЦП), что существенно ограничивает пропускную способность системы и количество получаемой информации.The disadvantage of these devices, including the prototype, is the use of point seismic-acoustic sensors, the installation and connection of which is a very labor-intensive process; in addition, each sensor requires a separate block of analog-to-digital converters (ADC), which significantly limits the throughput of the system and the amount of information received .
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении непрерывного контроля состояния породного массива на территориях подверженных опасным геологическим явлениям (просадки, разуплотнение, трещинообразование, карст) и своевременном оповещении о наличии таких явлений.The technical problem to be solved by the claimed invention is to ensure continuous monitoring of the state of the rock mass in areas prone to dangerous geological phenomena (subsidence, decompaction, cracking, karst) and timely notification of the presence of such phenomena.
Технический результат заключается в создании системы и способа обеспечивающих непрерывный контроль состояния геологических процессов в грунте и/или основании здания, позволяющих своевременно выявлять происходящие опасные отклонения от нормальных значений, и оповещать о наличии опасных геологических явлений.The technical result consists in creating a system and method that provides continuous monitoring of the state of geological processes in the soil and/or foundation of a building, allowing timely detection of occurring dangerous deviations from normal values, and notification of the presence of dangerous geological phenomena.
Технический результат достигается за счет применения автоматической системы периодического возбуждения и связанной с ней регистрации сейсмоакустических сигналов, распространяющихся в контролируемом массиве, оптоволоконной распределенной системой, состоящей из интеррогатора (опрашивающего устройства) и оптоволоконного кабеля, смонтированного в приемных скважинах, выполняющего функции сейсмоакустического датчика. В блоке обработки регистрируемая волновая картина сравнивается с предыдущими измерениями, на основании чего делается заключение о наличии негативных изменений в массиве, определяется их локализация, подается оповещение на пульт оператора.The technical result is achieved through the use of an automatic system of periodic excitation and the associated registration of seismo-acoustic signals propagating in the controlled array by a fiber-optic distributed system consisting of an interrogator (interrogating device) and a fiber-optic cable mounted in receiving wells, performing the functions of a seismo-acoustic sensor. In the processing unit, the recorded wave pattern is compared with previous measurements, on the basis of which a conclusion is made about the presence of negative changes in the array, their localization is determined, and an alert is sent to the operator’s console.
Поставленная задача решается с помощью совокупности признаков общих с прототипом, таких как: способ сейсмоакустического контроля массива горных пород, включающий возбуждение упругих колебаний в скважине и регистрацию с помощью сейсмоакустических датчиков в скважинах через определенные промежутки времени, а также отличительных существенных признаков, таких как: в качестве множества сейсмоакустических датчиков выступает распределенная оптоволоконная система, которая включает интеррогатор и оптоволоконный кабель; возбуждение упругой волны и ее регистрацию проводят в автоматическом режиме, затем в заранее определенных временных окнах вступлений прямой и головной волны вычисляется функция взаимной корреляции, и по изменению времени первых вступлений прямой и головной волны, а также формы регистрируемого сигнала определяется наличие изменений состояния массива, а также выполняется локализация таких изменений; отраженные волны обрабатываются по заранее сформированному графу для получения глубинного сейсмоакустического разреза, изменение волновой картины во времени оценивается с учетом статистических критериев.The problem is solved using a set of features common to the prototype, such as: a method of seismoacoustic monitoring of rock masses, including excitation of elastic vibrations in a well and registration using seismoacoustic sensors in wells at certain intervals, as well as distinctive essential features, such as: a distributed fiber-optic system, which includes an interrogator and a fiber-optic cable, acts as a variety of seismic-acoustic sensors; excitation of the elastic wave and its registration are carried out in automatic mode, then in predetermined time windows of arrivals of the direct and head waves, the cross-correlation function is calculated, and by changing the time of the first arrivals of the direct and head waves, as well as the shape of the recorded signal, the presence of changes in the state of the array is determined, and localization of such changes is also carried out; reflected waves are processed according to a pre-generated graph to obtain a deep seismoacoustic section, the change in the wave pattern over time is assessed taking into account statistical criteria.
Предлагается автоматизация процесса возбуждения сейсмоакустического сигнала путем применения электроискрового источника упругих колебаний. Автоматизация работы такого источника осуществляется за счет подключения к сети электрического тока и применения блока управления. Скважинный электроискровой излучатель состоит из накопителя электрической энергии и лебедки с катушкой, на которую намотан магистральный кабель с излучателем, опускаемым в скважину. На нижнем конце магистрального кабеля находится электроискровой излучатель в виде емкости с электролитом, в котором находятся разрядные электроды.It is proposed to automate the process of excitation of a seismoacoustic signal by using an electric spark source of elastic vibrations. Automation of the operation of such a source is carried out by connecting an electric current to the network and using a control unit. A downhole electric spark emitter consists of an electrical energy storage device and a winch with a reel on which a main cable with an emitter lowered into the well is wound. At the lower end of the main cable there is an electric spark emitter in the form of a container with electrolyte, which contains discharge electrodes.
Лебедка оснащена счетчиком глубины и подключена к блоку управления, который программируется для задания цикла возбуждения, включающего перемещение излучателя вдоль ствола скважины с определенным шагом (S на фиг. 1) и возбуждение колебаний.The winch is equipped with a depth counter and is connected to a control unit, which is programmed to set the excitation cycle, which includes moving the emitter along the wellbore with a certain step (S in Fig. 1) and excitation of oscillations.
Электроискровой излучатель синхронизирован с интеррогатором (опрашивающим устройством), выполняющим функции регистратора упругих колебаний, для запуска записи в момент возбуждения колебаний.The electric spark emitter is synchronized with the interrogator (interrogating device), which acts as a recorder of elastic vibrations, to start recording at the moment the vibrations are excited.
В качестве сенсора сейсмоакустических колебаний применяется распределенная оптоволоконная система, состоящая из кабеля, содержащего оптическое волокно и интеррогатора (опрашивающего устройства), посылающего оптические импульсы по оптоволоконной линии и регистрирующего обратно-отраженное рассеяние Рэлея. Связь величины обратно-рассеянного оптического сигнала с растяжением-сжатием волокна позволяет строить распределение сейсмоакустических деформаций вдоль всей оптоволоконной линии, и использовать такую систему в качестве распределенного сейсмоакустического датчика. Количество регистрирующих каналов в распределенной системе может достигать десятков тысяч, что при достаточно большой длине линии дает существенное увеличение разрешающей способности и снижение трудозатрат по монтажу и обслуживанию системы по сравнению с точечными датчиками. В одну оптическую линию могут быть включены сразу несколько скважин. Для этого на нижнем конце оптоволоконного кабеля смонтирован наконечник, внутри которого две жилы оптоволокна сварены друг с другом, что обеспечивает разворот оптического сигнала на дне скважины. Максимальная длина оптической линии ограничена динамическим диапазоном регистратора и оптическим бюджетом линии.As a seismoacoustic vibration sensor, a distributed fiber-optic system is used, consisting of a cable containing an optical fiber and an interrogator (interrogating device) sending optical pulses along the fiber-optic line and recording back-reflected Rayleigh scattering. The relationship between the magnitude of the backscattered optical signal and the fiber stretching and compression makes it possible to construct the distribution of seismoacoustic strains along the entire fiber optic line, and to use such a system as a distributed seismoacoustic sensor. The number of recording channels in a distributed system can reach tens of thousands, which, with a sufficiently long line length, provides a significant increase in resolution and a reduction in labor costs for installation and maintenance of the system compared to point sensors. Several wells can be included in one optical line at once. To do this, a tip is mounted at the lower end of the fiber optic cable, inside which two fiber optic strands are welded to each other, which ensures that the optical signal rotates at the bottom of the well. The maximum length of an optical line is limited by the dynamic range of the recorder and the optical budget of the line.
Наилучший сейсмоакустический сигнал достигается при тампонаже скважин, в которых расположен скважинный оптоволоконный кабель.The best seismic-acoustic signal is achieved when plugging wells in which the downhole fiber optic cable is located.
Оптоволокно реагирует на растяжение-сжатие, что обуславливает специфическую диаграмму направленности чувствительности. Такой датчик реагирует на колебания распространяющиеся вдоль оси волокна и практически не чувствителен к колебаниям по нормали к оси волокна. Для получения чувствительности по нормали к оси кабеля оптическое волокно укладывается внутри кабеля по спирали, что приводит к распределению чувствительности по трем пространственным осям.The optical fiber reacts to tension and compression, which determines a specific sensitivity directional pattern. Such a sensor responds to vibrations propagating along the fiber axis and is practically insensitive to vibrations normal to the fiber axis. To obtain sensitivity normal to the cable axis, the optical fiber is laid inside the cable in a spiral, which leads to the distribution of sensitivity along three spatial axes.
Измерения в распределенной оптоволоконной системе предполагают осреднение измеряемого параметра на базе оптического приема L, что приводит к эффектам, наблюдаемым при группировании сейсмических датчиков: появлению режекции сигнала в частотной области в зависимости от угла падения волны. Применение скважинного оптического кабеля со спирально уложенным волокном приводит к уменьшению эффективной базы приема связанного с кабелем массива горных пород, соответственно частотный отклик такой системы тоже меняется, расширяя частотный спектр и улучшая разрешающую способность системы.Measurements in a distributed fiber optic system involve averaging the measured parameter based on optical reception L, which leads to the effects observed when grouping seismic sensors: the appearance of signal rejection in the frequency domain depending on the angle of incidence of the wave. The use of downhole optical cable with spirally laid fiber leads to a decrease in the effective reception base of the rock mass associated with the cable; accordingly, the frequency response of such a system also changes, expanding the frequency spectrum and improving the resolution of the system.
Одновременная регистрация прямым и спиральным волокном позволяет перекрыть участки режекции и получить равномерный отклик в частотной области.Simultaneous recording with straight and spiral fiber allows you to cover the rejection areas and obtain a uniform response in the frequency domain.
В процессе отработки одного цикла записи излучатель перемещается вдоль всего ствола скважины с определенным шагом S и на каждой точке осуществляется возбуждение и регистрация сейсмоакустического сигнала, благодаря чему реализуется система многократных перекрытий.In the process of working out one recording cycle, the emitter moves along the entire wellbore with a certain step S and at each point the seismoacoustic signal is excited and recorded, due to which a system of multiple overlaps is implemented.
Зарегистрированный сейсмоакустический сигнал сравнивается с предыдущими циклами измерений. Сравнение выполняется путем вычисления функции взаимной корреляции (ФВК) в заранее определенных окнах первых вступлений прямой, головной и отраженной волны. Статистически значимое смещение ФВК относительно нуля означает изменение волновой картины и говорит об изменении физико-механических свойств массива и его устойчивости. Система многократных перекрытий позволяет определять участки, на которых происходит такое изменение.The recorded seismoacoustic signal is compared with previous measurement cycles. The comparison is performed by calculating the cross-correlation function (CCF) in predefined windows of the first arrivals of the direct, head and reflected waves. A statistically significant shift of the FVC relative to zero means a change in the wave pattern and indicates a change in the physical and mechanical properties of the mass and its stability. A system of multiple overlaps makes it possible to identify areas where this change occurs.
В случае стабильного состояния породного массива акустический сигнал не должен меняться.In the case of a stable state of the rock mass, the acoustic signal should not change.
Наличие статистически значимых отклонений времени регистрации акустических волн (более 3 сигма) означает изменение физико-механических свойств массива. Уменьшение времени регистрации означает ослабление прочностных свойств массива и наличие негативных техногенно-геологических явлений в контролируемом массиве. В этом случае система подает сигнал на пульт оператора.The presence of statistically significant deviations in the recording time of acoustic waves (more than 3 sigma) means a change in the physical and mechanical properties of the array. A decrease in registration time means a weakening of the strength properties of the massif and the presence of negative technogenic-geological phenomena in the controlled massif. In this case, the system sends a signal to the operator console.
Таким образом, применение предложенной группы изобретений для контроля породного массива с помощью периодического возбуждения и приема сейсмоакустических сигналов позволяет выявлять и своевременно предупреждать наличие опасных геологических явлений (разуплотнение, трещинообразование, просадки, карст).Thus, the use of the proposed group of inventions for monitoring rock masses using periodic excitation and reception of seismoacoustic signals makes it possible to identify and promptly prevent the presence of dangerous geological phenomena (decompaction, cracking, subsidence, karst).
Изобретение иллюстрируется нижеприведенными схемами:The invention is illustrated by the following diagrams:
ФИГ. 1 - Вертикальный разрез. Схема возбуждения и регистрации колебаний.FIG. 1 - Vertical section. Circuit for excitation and recording of oscillations.
ФИГ. 2 - Вертикальный разрез. Схема распространения полезных сейсмоакустических сигналов.FIG. 2 - Vertical section. Scheme of propagation of useful seismoacoustic signals.
ФИГ. 3 - Сравнение сейсмограмм двух измерений в различные моменты времени.FIG. 3 - Comparison of seismograms of two measurements at different points in time.
ФИГ. 4 - Функция взаимной корреляции сигналов в различные моменты времени.FIG. 4 - Cross-correlation function of signals at different times.
На фигурах указаны следующие наименования позиций:The following position names are indicated in the figures:
1 - блок управления;1 - control unit;
2 - интеррогатор (опрашивающее устройство);2 - interrogator (interrogating device);
3 - наземный соединительный оптоволоконный кабель;3 - ground connecting fiber optic cable;
4 - приемная скважина - скважина приема сейсмоакустического сигнала (регистрирующая);4 - receiving well - well for receiving seismoacoustic signal (recording);
5 - скважинный оптоволоконный кабель;5 - borehole fiber optic cable;
6 - прямое оптическое волокно;6 - straight optical fiber;
7 - спиральное оптическое волокно;7 - spiral optical fiber;
8 - цементный раствор;8 - cement mortar;
9 - кабельный наконечник;9 - cable lug;
10 - точки сварки волокна;10 - fiber welding points;
11 - накопитель электрической энергии;11 - electrical energy storage;
12 - катушка с силовым кабелем и лебедкой;12 - reel with power cable and winch;
13 - магистральный силовой (электрический) кабель;13 - main power (electric) cable;
14 - излучатель (электроискровой);14 - emitter (electric spark);
15 - излучающая скважина - скважина для возбуждения колебаний;15 - radiating well - well for exciting vibrations;
16 - блок обработки данных;16 - data processing unit;
17 - сейсмоакустические колебания;17 - seismoacoustic vibrations;
18 - прямая волна;18 - straight wave;
19 - отраженная волна;19 - reflected wave;
20 - преломленная головная волна;20 - refracted head wave;
21 - кровля солей;21 - salt roof;
22 - волновая картина текущего измерения;22 - wave pattern of the current measurement;
23 - волновая картина предыдущего измерения;23 - wave pattern of the previous measurement;
24 - пересечение предыдущего и текущего измерений;24 - intersection of previous and current measurements;
25 - годограф преломленной головной волны;25 - hodograph of the refracted head wave;
26 - годограф прямой волны;26 - direct wave hodograph;
27 - кривая максимума ФВК от глубины;27 - curve of maximum FVC versus depth;
S - шаг перемещения электроискрового излучателя.S - step of movement of the electric spark emitter.
Система сейсмоакустического контроля массива горных пород включаетThe seismoacoustic monitoring system for rock mass includes
излучающую скважину 15 (скважина для возбуждения колебаний) и одну или несколько приемных скважин 4 (скважина приема сейсмоакустического сигнала),emitting well 15 (well for exciting vibrations) and one or more receiving wells 4 (well for receiving seismoacoustic signal),
при этом в излучающей скважине 15 размещен в качестве источника упругих колебаний электроискровой излучатель 14, соединенный магистральным силовым кабелем 13, с накопителем электрической энергии 11, выполненный с возможностью автоматического перемещения по высоте скважины за счет регулирования длины магистрального силового кабеля 13 посредством катушки 12 с лебедкой, оснащенной счетчиком глубины и подключенной к блоку 1 управления.in this case, in the radiating well 15, an electric spark emitter 14 is placed as a source of elastic vibrations, connected by a main power cable 13, with an electrical energy storage device 11, made with the ability to automatically move along the height of the well by adjusting the length of the main power cable 13 by means of a reel 12 with a winch, equipped with a depth counter and connected to control unit 1.
Электроискровой излучатель 14 представляет собой емкость с электролитом, в котором размещены разрядные электроды (на чертеже отсутствуют).The electric spark emitter 14 is a container with an electrolyte in which discharge electrodes are placed (not shown in the drawing).
В приемной скважине 4 размещен скважинный оптоволоконный кабель 5, содержащий прямое 6 и/или спиральное 7 оптическое волокно, на нижнем конце скважинного оптоволоконного кабеля 5 смонтирован кабельный наконечник 9, внутри которого две жилы оптоволокна сварены 10 друг с другом, на поверхности оптоволоконный кабель 5 соединен с интеррогатором 2, соединенным с блоком 1 управления и блоком 16 обработки данных.In the receiving well 4 there is a downhole fiber optic cable 5 containing straight 6 and/or spiral 7 optical fiber, at the lower end of the downhole fiber optic cable 5 a cable tip 9 is mounted, inside of which two fiber optic strands are welded 10 to each other, on the surface the fiber optic cable 5 is connected with interrogator 2 connected to control unit 1 and data processing unit 16.
В случае, когда система содержит более одной приемной скважины 4, участки скважинного оптоволоконного кабеля 5 каждой из них, на поверхности последовательно соединены наземным соединительным оптоволоконным кабелем 3 в единую оптоволоконную линию.In the case where the system contains more than one receiving well 4, sections of the downhole fiber optic cable 5 of each of them are connected on the surface in series by a ground connecting fiber optic cable 3 into a single fiber optic line.
Оптоволоконный кабель 5 в приемной скважине 4 может быть размещен в скважинной жидкости 28, либо зацементирован 8 для лучшего сцепления.The fiber optic cable 5 in the receiving well 4 can be placed in the well fluid 28, or cemented 8 for better adhesion.
В качестве множества сейсмоакустических датчиков выступает распределенная оптоволоконная система, которая включает оптическое волокно, на участке скважинного оптоволоконного кабеля 5, смонтированного во всех приемных скважинах 4, и опрашивающее устройство 2.The set of seismic-acoustic sensors is a distributed fiber-optic system, which includes an optical fiber in the section of the downhole fiber-optic cable 5, mounted in all receiving wells 4, and an interrogating device 2.
Опрашивающее устройство 2, выполняет функции регистратора упругих колебаний, выполняет высокоточное измерение длины оптоволокна вдоль всей оптоволоконной линии, смонтированной во всех тестируемых приемных скважинах, с последующим пересчетом в величину сейсмоакустического воздействия.Interrogating device 2 performs the functions of an elastic vibration recorder, performs high-precision measurement of the length of the optical fiber along the entire fiber-optic line installed in all tested receiving wells, with subsequent conversion into the value of seismic-acoustic impact.
Способ сейсмоакустического контроля массива горных пород осуществляют следующим образом.The method of seismic-acoustic monitoring of rock masses is carried out as follows.
Перед началом работы в блоке 1 управления, обеспечивающем автоматизацию способа, программируют параметры (шаг перемещения, частота/сила разрядов) перемещения электроискрового излучателя 14 и параметры повторения цикла наблюдений, включающего отработку всех пунктов возбуждения.Before starting work, in the control unit 1, which provides automation of the method, the parameters (movement step, frequency/strength of discharges) of the movement of the electric spark emitter 14 and the parameters for repeating the observation cycle, including the testing of all excitation points, are programmed.
В процессе осуществления способа блок 1 передает сигналы управления на катушку 12 с лебедкой которая осуществляет автоматическое перемещение излучателя 14 всей глубине скважины 15 (фиг. 1) с заданным шагом S.In the process of implementing the method, block 1 transmits control signals to a reel 12 with a winch, which automatically moves the emitter 14 throughout the depth of the well 15 (Fig. 1) with a given step S.
Электроискровой излучатель 14, закрепленного на нижнем конце магистрального электрического кабеля 13 с помощью, электрической энергии, предаваемой от накопителя 11 производит возбуждения упругих колебаний 17.The electric spark emitter 14, attached to the lower end of the main electrical cable 13, with the help of electrical energy supplied from the storage device 11, produces excitation of elastic oscillations 17.
Запуск регистрации сейсмоакустических сигналов интеррогатором 2 осуществляется синхронно с подачей импульса на возбуждение колебаний от управляющего блока 1.The registration of seismoacoustic signals by interrogator 2 is started synchronously with the supply of a pulse to excite oscillations from control unit 1.
Блок 1 управления подает импульс на накопитель 11, в результате на разрядные электроды электроискрового излучателя 14 подается напряжение, и в излучателе 14 происходит электроискровой разряд, который преобразуется в энергию упругих волн 17. Упругие волны 17 передаются сквозь породный массив в приемную скважину 4, испытывая фильтрующее влияние массива горных пород. В результате взаимодействия с массивом помимо прямой продольной волны 18 образуется несколько классов волн, из которых в качестве полезного сигнала используются отраженные 19 и преломленные головные волны 20. Преломленные головные волны возникают в условиях резкого скачка скоростей упругих волн в разрезе, например, на кровле соляной толщи 21. В приемной скважине 4 упругие волны вызывают изменение длины оптического волокна 6 и 7 в скважинном оптоволоконном кабеле 5. Опрашивающее устройство 2 пересчитывает изменение длины отдельных участков оптического волокна в величину акустического воздействия и передает его в блок обработки данных 16. В случае обнаружения статистически значимого увеличения времени регистрации упругих волн, такие изменения считаются признаком негативных техногенно-геологических явлений и отчет об этих событиях передается блоком 16 на пульт оператору.The control unit 1 supplies a pulse to the storage device 11, as a result, voltage is applied to the discharge electrodes of the electric spark emitter 14, and an electric spark discharge occurs in the emitter 14, which is converted into the energy of elastic waves 17. Elastic waves 17 are transmitted through the rock mass into the receiving well 4, testing the filtering influence of rock mass. As a result of interaction with the mass, in addition to the direct longitudinal wave 18, several classes of waves are formed, of which reflected 19 and refracted head waves 20 are used as a useful signal. Refracted head waves arise under conditions of a sharp jump in the velocities of elastic waves in a section, for example, on the roof of a salt formation 21. In the receiving well 4, elastic waves cause a change in the length of the optical fiber 6 and 7 in the downhole fiber optic cable 5. The interrogating device 2 recalculates the change in the length of individual sections of the optical fiber into the magnitude of the acoustic impact and transmits it to the data processing unit 16. If a statistically significant increasing the registration time of elastic waves, such changes are considered a sign of negative technogenic-geological phenomena and a report on these events is transmitted by block 16 to the operator’s console.
Прием сейсмоакустических сигналов осуществляют с помощью распределенной оптоволоконной системы, состоящей из интеррогатора 2, посылающего оптические импульсы по оптоволоконной линии, состоящей из наземного магистрального кабеля 3, прямого волокна 6 и спирального волокна 7 в скважинном оптоволоконном кабеле 5.Reception of seismic-acoustic signals is carried out using a distributed fiber-optic system consisting of an interrogator 2 sending optical pulses along a fiber-optic line consisting of a ground trunk cable 3, a straight fiber 6 and a spiral fiber 7 in a downhole fiber optic cable 5.
На основании анализа обратного рассеяния, возникающего в оптоволоконной линии, интеррогатором строится распределение деформации волокна в определенный момент времени. Последовательный опрос оптоволоконной линии с шагом квантования по времени dT позволяет регистрировать сейсмоакустические колебания, воздействующие на оптоволокно 6 и 7 оптоволоконного кабеля 5. С интеррогатора 2 зарегистрированные сейсмоакустические данные поступают в блок 16 обработки данных.Based on the analysis of backscattering occurring in a fiber optic line, the interrogator constructs the distribution of fiber deformation at a certain point in time. Sequential interrogation of the fiber optic line with a time quantization step dT makes it possible to register seismoacoustic vibrations affecting fiber optics 6 and 7 of the fiber optic cable 5. From the interrogator 2, the recorded seismoacoustic data enters the data processing unit 16.
В блоке обработки 16 зарегистрированная волновая картина 22 сравнивается с предыдущим измерением 23 (24 - их пересечение) путем нахождения функции взаимной корреляции (ФВК) в интервале времени полезных сейсмоакустических сигналов. Годограф прямой волны 26 и преломленной головной волны 25 показаны на Фиг. 3.In processing unit 16, the recorded wave pattern 22 is compared with the previous measurement 23 (24 is their intersection) by finding the cross-correlation function (CCF) in the time interval of useful seismoacoustic signals. The hodograph of the direct wave 26 and the refracted head wave 25 are shown in Fig. 3.
В результате потрассного нахождения ФВК для каждой пары источник-приемник определяется максимум значения функции 27, который принимается в качестве изменения времени прохождения сигнала. В результате строится матрица таких значений для всего набора системы многократных перекрытий и на основании решения системы линейных уравнений вычисляют распределение изменения скоростей в контролируемом массиве. Наличие статистически значимых изменений скоростной характеристики в массиве означает наличие негативных техногенных геологических процессов. В случае их обнаружения на пульт оператора подается сигнал с указанием места возникновения такого процесса.As a result of the path-by-path determination of the CCF for each source-receiver pair, the maximum value of the function 27 is determined, which is taken as a change in the signal propagation time. As a result, a matrix of such values is constructed for the entire set of a system of multiple overlaps and, based on the solution of a system of linear equations, the distribution of changes in speeds in the controlled array is calculated. The presence of statistically significant changes in the velocity characteristics in the massif means the presence of negative technogenic geological processes. If they are detected, a signal is sent to the operator's console indicating the location of such a process.
Изобретение поясняется следующим примером практического осуществления.The invention is illustrated by the following example of practical implementation.
На аварийном участке Верхнекамского месторождения калийных солей для проведения сейсмоакустического мониторинга пробурены пять скважин: четыре приемные и одна - для возбуждения колебаний.At the emergency site of the Verkhnekamsk potassium salt deposit, five wells were drilled for seismic-acoustic monitoring: four receiving wells and one to excite vibrations.
В приемных скважинах 4 смонтирована оптоволоконная линия. Для этого в каждую скважину 4 опущен оптоволоконный кабель 5, содержащий одновременно прямое 6 и спиральное 7 волокно. На конце кабеля в каждой скважине смонтирован кабельный наконечник 9, в котором оптический сигнал разворачивается путем сварки пар волокна. На поверхности волокно сварено таким образом, чтобы соединить спиральное и прямое волокно. Таким образом, оптический сигнал проходит по скважине 4 раза - прямое волокно вниз, прямое волокно вверх, спиральное волокно вниз, спиральное волокно вверх. Скважины водонаполненные, кабель размещается в скважине свободно, без крепления. Между скважинами протянут наземный соединительный оптоволоконный кабель 3, соединяя все скважины в единую оптоволоконную линию. Оптоволоконная линия подключена к интеррогатору 2.A fiber optic line is installed in the receiving wells 4. To do this, a fiber optic cable 5 is lowered into each well 4, containing both straight 6 and spiral 7 fiber. At the end of the cable in each well, a cable tip 9 is mounted, in which the optical signal is deployed by welding fiber pairs. On the surface, the fiber is welded in such a way as to connect the spiral and straight fiber. Thus, the optical signal passes through the well 4 times - straight fiber down, straight fiber up, spiral fiber down, spiral fiber up. The wells are water-filled, the cable is placed in the well freely, without fastening. A ground-based connecting fiber optic cable 3 will be stretched between the wells, connecting all the wells into a single fiber optic line. The fiber optic line is connected to interrogator 2.
Процесс периодического контроля упругих характеристик массива горных пород осуществляется блоком управления 1, который с периодичностью 30 минут подает сигнал накопителю 11 электрической энергии на возбуждение серии импульсов упругих колебаний по 16 импульсов. Каждый импульс представляет собой электрический разряд энергией 2500 Дж, который подается через магистральный электрический кабель 13 на излучатель 14, опущенный в скважину 15. Магистральный электрический кабель намотан на катушку 12 с лебедкой и подключен к накопителю через скользящий контакт.The process of periodic monitoring of the elastic characteristics of the rock mass is carried out by control unit 1, which, with a periodicity of 30 minutes, sends a signal to the electrical energy storage device 11 to excite a series of elastic vibration pulses of 16 pulses each. Each pulse is an electrical discharge with an energy of 2500 J, which is supplied through the main electrical cable 13 to the emitter 14, lowered into the well 15. The main electrical cable is wound on a reel 12 with a winch and connected to the drive through a sliding contact.
Интеррогатор 2 соединен с накопителем электрической энергии линией для синхронизации по времени возбуждения и регистрации колебаний. В момент разряда излучатель преобразует электрическую энергию в сейсмоакустические колебания 17, которые распространяются от излучающей скважины к приемным скважинам и представляют собой прямую продольную волну 18. При взаимодействии прямой волны с массивом горных пород возникают другие классы волн, из которых полезными считают отраженные волны 19, формирующиеся на акустически контрастных границах и преломленные головные волны 20, возникающие на границах резкого возрастания скорости упругих волн, например, на кровле соляной залежи 21.Interrogator 2 is connected to the electrical energy storage device by a line for synchronizing the excitation time and recording oscillations. At the moment of discharge, the emitter converts electrical energy into seismoacoustic vibrations 17, which propagate from the emitting well to the receiving wells and represent a direct longitudinal wave 18. When a direct wave interacts with a rock mass, other classes of waves arise, of which reflected waves 19, formed, are considered useful at acoustically contrasting boundaries and refracted head waves 20, arising at the boundaries of a sharp increase in the speed of elastic waves, for example, on the roof of a salt deposit 21.
Сейсмоакустические колебания, которые достигают приемных скважин вызывают локальное изменение длины волокна в кабеле 5 (растяжение или сжатие). Интеррогатор 2, посылая оптические импульсы в оптоволоконную линию по величине обратно-рассеянного сигнала строит распределение изменения длины волокна по всей длине линии и преобразует величину изменения длины волокна в интенсивность сейсмоакустического сигнала пришедшего на оптоволоконный кабель в каждый момент времени записи с шагом дискретизации по времени и вдоль оптоволоконной линии. Зарегистрированная таким образом волновая картина (сейсмоакустические сигналы) передается в блок обработки данных.Seismoacoustic vibrations that reach the receiving wells cause a local change in the length of the fiber in cable 5 (tension or compression). Interrogator 2, sending optical pulses into the fiber optic line based on the magnitude of the backscattered signal, builds a distribution of changes in fiber length along the entire length of the line and converts the change in fiber length into the intensity of the seismoacoustic signal arriving at the fiber optic cable at each moment of recording time with a sampling step in time and along fiber optic line. The wave pattern recorded in this way (seismoacoustic signals) is transmitted to the data processing unit.
На основании заранее определенной привязки соответствия оптоволоконной линии и расположения кабеля в скважинах выполняется присвоение заголовков сейсмическим трассам, соответствующим виртуальным каналам вдоль оптоволоконной линии. Трассы относящиеся к одной скважине составляют одну сейсмограмму. По каждой скважине в пределах одного цикла наблюдений формируется 16 сейсмограмм, которые суммируются для усреднения и увеличения отношения сигнал-шум.Based on a predetermined link between the fiber optic line and the cable location in the wells, headers are assigned to seismic traces corresponding to virtual channels along the fiber optic line. Traces related to one well make up one seismogram. For each well, within one observation cycle, 16 seismograms are generated, which are summed up to average and increase the signal-to-noise ratio.
На суммарных сейсмограммах предварительно по каждой скважине выделяются временные интервалы, в которых регистрируется прямая 18 и преломленная 19 головная волна. В выделенных интервалах времени отдельно по каждой скважине выполняется вычисление функции взаимной корреляции (ФВК) прямой и головной преломленной волны. По максимуму значения ФВК определяется отклонение текущего значения времени прихода волны от предыдущего измерения. Отклонение превышающее среднеквадратическое отклонение времени регистрации более чем в 3 раза с 99% вероятностью указывает на наличие значимых изменений скорости продольных волн на выбранной линии просвечивания. Уменьшение времени регистрации прямой волны (а, следовательно, и скорости упругих волн в массиве) означает ухудшение прочностных свойств массива в надсоляной толще, изменение времени регистрации головной преломленной волны означает изменение состояния соляной толщи. В блоке обработки производится оценка наличия или отсутствия изменений по сравнению с предыдущими измерениями и формируется отчет, содержащий распределение времени регистрации прямой и головной волны, а также величина отклонения времени по сравнению с референтным значением, который отсылается на удаленный компьютер оператору.On the summary seismograms, time intervals are preliminarily identified for each well in which the direct 18 and refracted 19 head wave is recorded. In the selected time intervals, separately for each well, the cross-correlation function (MCF) of the direct and head refracted waves is calculated. Based on the maximum value of the FVK, the deviation of the current value of the wave arrival time from the previous measurement is determined. A deviation exceeding the standard deviation of the registration time by more than 3 times with 99% probability indicates the presence of significant changes in the velocity of longitudinal waves on the selected transmission line. A decrease in the registration time of the direct wave (and, consequently, the speed of elastic waves in the massif) means a deterioration in the strength properties of the massif in the supra-salt stratum; a change in the registration time of the head refracted wave means a change in the state of the salt stratum. In the processing block, the presence or absence of changes compared to previous measurements is assessed and a report is generated containing the distribution of the registration time of the direct and head waves, as well as the amount of time deviation compared to the reference value, which is sent to the remote computer to the operator.
Claims (8)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2809469C1 true RU2809469C1 (en) | 2023-12-12 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1543363A1 (en) * | 1987-09-09 | 1990-02-15 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Method of interwell seismoacoustic inspection |
US20190056523A1 (en) * | 2015-12-16 | 2019-02-21 | Halliburton Energy Services, Inc. | Electro acoustic technology seismic detection system with down-hole source |
US11204434B2 (en) * | 2015-12-16 | 2021-12-21 | Halliburton Energy Services, Inc. | Large area seismic monitoring using fiber optic sensing |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1543363A1 (en) * | 1987-09-09 | 1990-02-15 | МГУ им.М.В.Ломоносова | Method of interwell seismoacoustic inspection |
US20190056523A1 (en) * | 2015-12-16 | 2019-02-21 | Halliburton Energy Services, Inc. | Electro acoustic technology seismic detection system with down-hole source |
US11204434B2 (en) * | 2015-12-16 | 2021-12-21 | Halliburton Energy Services, Inc. | Large area seismic monitoring using fiber optic sensing |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4324126B2 (en) | Underground observation system and underground observation method | |
EA029021B1 (en) | Subsurface monitoring using distributed acoustic sensors | |
US10378928B2 (en) | Calibrating a distributed fibre optic sensing system | |
US20130242698A1 (en) | Seismic Surveying Using Fiber Optic Technology | |
CN105277971A (en) | Micro-seismic monitoring system and method | |
WO2012114077A2 (en) | Distributed acoustic sensing | |
CA3043156A1 (en) | Creating 3-c distributed acoustic sensing data | |
CN105735971A (en) | Drilling hole depth detection system based on elastic waves and detection method thereof | |
WO2017105416A1 (en) | Large area seismic monitoring using fiber optic sensing | |
CN111335954A (en) | Rock burst monitoring system based on distributed optical fiber sensing and data acquisition and processing method | |
WO2017105426A1 (en) | Real-time bottom-hole flow measurements for hydraulic fracturing with a doppler sensor in bridge plug using das communication | |
RU2271554C1 (en) | Exploration seismology method | |
RU2743547C1 (en) | Method for monitoring the condition of permafrost soils serving as base for buildings and structures, and device for implementing it | |
RU2809469C1 (en) | Method and system for seismoacoustic monitoring of rock mass | |
Xie et al. | Distributed acoustic sensing (DAS) for geomechanics characterization: A concise review | |
McCann et al. | Application of cross-hole seismic measurements in site investigation surveys | |
JP7522504B2 (en) | Seismic exploration system and method | |
Willis et al. | Important aspects of acquiring distributed acoustic sensing (DAS) data for geoscientists | |
dos Santos Maia Correa | Distributed acoustic sensing for seismic imaging and reservoir monitoring applied to CO2 geosequestration | |
Niu et al. | Laboratory small-strain stiffness measurement using distributed acoustic sensing | |
JP2024510957A (en) | Apparatus, system, and method for providing seismic information through distributed fiber optic sensing | |
CN108873060B (en) | Detection method of time lapse compactness detection system of composite slurry rockfill material | |
RU2682269C2 (en) | Downhole device for acoustic quality control of cementing wells | |
US10072497B2 (en) | Downhole acoustic wave sensing with optical fiber | |
JP2004138447A (en) | Physical property evaluating method for base rock |