CN115032689A - 一种基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，属于灾害监测预警技术领域，其将微震监测技术方法运用到可燃冰开采过程中的上覆层地层运动中，可用于研究了解天然气水合物开采海底移动变形规律，对可能发生的灾害进行监测预警，并指导开采生产。
Description
技术领域
本发明属于灾害监测预警技术领域，具体涉及一种基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法。
背景技术
天然气水合物是储量巨大且燃烧后清洁无污染的新型能源，是未来解决我国能源问题的重要途径。天然气水合物大多储藏在海底下300-500m，钻井需要深入到储层之中进行开采，而在天然气水合物开采过程中沉积物的形变会引起钻井的不稳定，严重关乎安全生产。在沉积层中，天然气水合物起到了重要的支撑和胶结作用，开采过程中天然气水合物分解产生的大量自由水和自由气会降低沉积物的有效应力，两者共同作用会使得海底天然气水合物沉积物储层强度降低，可能造成海底滑坡、地震，甚至引发海啸，造成严重的自然灾害。
微震监测技术是用岩体受力变形和破坏后本身发射出的弹性波来进行监测工程岩体稳定性的技术方法，该技术在陆地矿山领域用得较多，能够对山体滑坡、矿洞坍塌等进行有效的预警监测。然而，对于海底下的天然气水合物开采，目前还并没有完善的措施来针对以上所述自然灾害。如何对海底移动变形进行监测并预测其运动，掌握天然气水合物储层的上覆层的运动规律，以此指导生产，防止不必要的灾害的发生，是目前面临的重要问题。
发明内容
针对海底地层移动变形监测领域的空缺，本发明的目的是提供一种基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，以研究了解天然气水合物开采海底移动变形规律，对可能发生的灾害进行监测预警。
为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤a、生产井布置：在大陆边缘赋存天然气水合物的海底边坡段进行生产井布置，其中，生产井布置在赋存天然气水合物储层所在区域的中部位置；
步骤b、监测井布置：根据赋存天然气水合物储层的地质及测井资料，结合模拟软件的模拟情况，在初始斜坡面上，以生产井所在位置为圆心，以r1、r2为半径建设若干监测井，其中r1、r2根据模拟软件所模拟的生产情况来确定；具体确定方式为：模拟生产时间t后，生产井周边的天然气水合物储层会形成水合物完全分解区、尚未分解区以及位于完全分解区和尚未分解区之间的分解前沿即分解过渡带，由此获得完全分解区边界和分解过渡带边界，以完全分解区边界上距离圆心最远的点的长度作为半径r1，以分解过渡带边界上距离圆心最远的点的长度作为半径r2；
步骤c、检波器安装： 在步骤b中布置的监测井的井筒周围的天然气水合物储层的上覆层内确定监测半径r，在监测半径范围内布置并固定阵列检波器于上覆层内的一定深度中，之后，将所安装的每个监测井周围的所有检波器，均通过连接电缆与监测分站连接，监测分站汇集连接至地面的传输主站；
步骤d、初始化检波器：步骤c中安装的检波器内包括处理装置、存储器单元、微震波检测单元和重力感应传感器，在检波器安装完成后，利用地面的传输主站向各检波器发送调零指令，各检波器根据其接收的调零指令以及根据重力感应传感器所计算出的检波器相对于水平面的倾斜角度，利用处理装置将所述倾斜角度归零并反馈给监测分站和地面的传输主站；
步骤e、天然气水合物生产及微震监测：利用生产井进行降压生产，当实际生产时间t后，将半径r1处对应的监测井转化为生产井进行生产，同时，在半径r2以外的未分解区进一步布置监测井，如此进行滚动生产；生产过程中，利用检波器的微震波检测单元检测微弱的地震波信号，利用重力感应传感器的监测数据获得相应检波器的倾斜角度变化，通过处理装置将微震数据和检波器倾斜角度变化数据反馈给监测分站和地面的传输主站，通过震动定位原理，确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来，利用微震数据和检波器倾斜角度变化数据确定相应检波器是否处于断裂滑塌块体上。
本发明的有益效果在于：
1、 将微震监测技术方法运用到可燃冰开采过程中的上覆层地层运动中，可掌握可燃冰储层的上覆层的运动规律，并能监测与预测其运动，以此指导生产，防止不必要的灾害的发生；
2、监测井位置的选择，充分考虑到降压法开采的时空间特点；在空间上，主要监测各分带边界等的地层活动剧烈的区域，体现突出重点、整体监测的检波器的布置原则；在时间上，不同的开采时间段，由内而外的各个监测井会随着带区的变化而变换角色，体现动静结合与全过程、全方位的检波器的布置原则；
3、在微震监测的同时利用倾角来确定滑块的位置，更有利于对灾害的预警处理。
附图说明
图1是本发明的微震监测海底地层移动变形***布置示意图；
图2是本发明的监测井及检波器平面布置示意图；
图3是图1所示的监测井及检波器布置的局部放大图；
图4是本发明的检波器的基本结构示意图；
图中：1、检波器；2、检测分站；3、传输主站；4、监测井；5、初始斜坡面；6、可燃冰储层；7、分解的天然气水合物（气态-液态）；8、碎屑流；9、气柱流；10-生产井。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。由于降压法被认为是最经济有效的天然气水合物开采方式，因此，此处以降压法为例完成海底地层（天然气储层的上覆层）移动监测设置，作为本领域技术人员应当知晓，本发明的方法同样可应用于除降压法以外的其它开采方法。
请参阅图1-4，本发明提供一种基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤a、生产井布置：在大陆边缘赋存天然气水合物的海底边坡段进行生产井布置，其中，生产井10布置在赋存天然气水合物储层所在区域的中部位置；
步骤b、监测井布置：根据赋存天然气水合物储层的地质及测井资料，结合FLUENT等模拟软件的模拟情况，在初始斜坡面5上，以生产井所在位置为圆心，以r1、r2为半径建设若干监测井，其中r1、r2根据模拟软件所模拟的生产情况来确定；例如，模拟生产时间t后，生产井周边的天然气水合物储层会形成水合物完全分解区、尚未分解区以及位于完全分解区和尚未分解区之间的分解前沿即分解过渡带，由此获得完全分解区边界和分解过渡带边界（需要说明的是，附图是为了更为直观展示本发明的方案而采用圆形画法，实际模拟的边界并不一定为圆形），以完全分解区边界上距离圆心最远的点的长度作为半径r1，以分解过渡带边界上距离圆心最远的点的长度作为半径r2；
步骤c、检波器安装： 在步骤b中布置的监测井的井筒周围的天然气水合物储层的上覆层内确定监测半径，在监测半径范围内布置并固定阵列检波器于上覆层内的一定深度中，如图1至图3所示的检波器位置，检波器可以根据上覆层厚度、位置等具体情况布置4个、8个、16个或32个不等，之后，将所安装的每个监测井周围的所有检波器，均通过连接电缆与监测分站2连接，监测分站2汇集连接至地面的传输主站3；
步骤d、初始化检波器：如图4所示，步骤c中安装的检波器内包括处理装置、存储器单元（包括ROM和RAM）、微震波检测单元和重力感应传感器，在检波器安装完成后，利用地面的传输主站3向各检波器发送调零指令，各检波器根据其接收的调零指令以及根据重力感应传感器所计算出的检波器相对于水平面的倾斜角度，利用处理装置将所述倾斜角度归零并反馈给监测分站2和地面的传输主站3（例如，此时未发生海底移动变形，初始斜坡面倾角为
，安装后的检波器相对于水平面的倾斜角度为
，而经归零处理后，监测分站2、地面的传输主站3得到的检波器相对于水平面的倾斜角度为零，以此为基础，若检波器发生倾斜角度变化，则直接通过数据处理获得变化的角度值）；
步骤e、天然气水合物生产及微震监测：利用生产井10进行降压生产，当实际生产时间t后，将半径r1处对应的监测井转化为生产井进行生产，同时，在半径r2以外的未分解区进一步布置监测井（需重新模拟），之后根据分解前沿的移动情况由内向外进行滚动生产；生产过程中，利用检波器的微震波检测单元实时检测微弱的地震波信号（地层由于人为因素或自然因素发生了破裂、移动，此时会产生一种微弱的地震波向周围传播），并利用重力感应传感器的监测数据获得相应检波器的倾斜角度变化，通过处理装置将获得的微震数据和检波器倾斜角度变化数据反馈给监测分站2和地面的传输主站3，通过震动定位原理，确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来，利用微震数据和检波器倾斜角度变化数据确定相应检波器是否处于断裂滑塌块体上，若检波器仅检测到微弱的地震波信号且检波器倾斜角度变化数据为零，则认定检波器未处于断裂滑塌块体上，若检波器检测到微弱的地震波信号且检波器倾斜角度变化数据不为零，则认定该检波器处于断裂滑塌块体上，若未检测到地震波信号，则未发生海底滑移。
优选的，在进行监测井的布置时，监测井总体上呈大致扇形状分布在斜坡面上，即，斜坡面上侧分布的监测井少，而斜坡面下侧分布的监测井多，且整体呈大致扇形分布。
优选的，还设置有超声波流量计，其设置在斜坡面最上游的监测井的海底海水中（图中未示出），用于监测气流柱情况，获得泄露天然气在时间序列上的变化信息，用于指导天然气水合物开采和发出预警。
优选的，各检波器还包括GPS定位模块，能够响应与水下高精度GPS导航***，由此准确确定各监测井的位置。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (4)
1.一种基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤a、生产井布置：在大陆边缘赋存天然气水合物的海底边坡段进行生产井布置，其中，所述生产井布置在赋存天然气水合物储层所在区域的中部位置；
步骤b、监测井布置：根据赋存天然气水合物储层的地质及测井资料，结合模拟软件的模拟情况，在海底边坡段的初始斜坡面上，以生产井所在位置为圆心，以r1、r2为半径建设若干监测井，其中r1、r2根据所述模拟软件所模拟的生产情况来确定，具体确定方式为：模拟生产时间t后，生产井周边的天然气水合物储层会形成水合物完全分解区、尚未分解区以及位于完全分解区和尚未分解区之间的分解前沿即分解过渡带，由此获得完全分解区边界和分解过渡带边界，之后，以完全分解区边界上距离圆心最远的点的长度作为半径r1，以分解过渡带边界上距离圆心最远的点的长度作为半径r2；
步骤c、检波器安装： 在步骤b中布置的监测井的井筒周围的天然气水合物储层的上覆层内确定监测半径，在监测半径范围内布置并固定阵列检波器于上覆层内的一定深度中，之后，将所安装的每个监测井周围的所有检波器，均通过连接电缆与监测分站连接，监测分站汇集连接至地面的传输主站；
步骤d、初始化检波器：步骤c中安装的检波器内包括处理装置、存储器单元、微震波检测单元和重力感应传感器，在检波器安装完成后，利用地面的传输主站向各检波器发送调零指令，各检波器根据其接收的调零指令以及根据重力感应传感器所计算出的检波器相对于水平面的倾斜角度，利用处理装置将所述倾斜角度归零并反馈给监测分站和地面的传输主站；
步骤e、天然气水合物生产及微震监测：利用生产井进行降压生产，当实际生产时间t后，将半径r1处对应的监测井转化为生产井进行生产，同时，在半径r2以外的未分解区进一步布置监测井，之后根据分解前沿的移动情况由内向外将监测井转换为生产井，进行滚动生产；生产过程中，利用检波器的微震波检测单元实时检测微弱的地震波信号，并利用重力感应传感器的监测数据获得相应检波器的倾斜角度变化，通过处理装置将获得的微震数据和检波器倾斜角度变化数据反馈给监测分站和地面的传输主站，通过震动定位原理，确定破裂发生的位置，并在三维空间上显示出来，同时，利用微震数据和检波器倾斜角度变化数据确定相应检波器是否处于断裂滑塌块体上，若检波器仅检测到微弱的地震波信号且检波器倾斜角度变化数据为零，则认定检波器未处于断裂滑塌块体上，若检波器检测到微弱的地震波信号且检波器倾斜角度变化数据不为零，则认定该检波器处于断裂滑塌块体上，若未检测到地震波信号，则未发生海底滑移。
2.根据权利要求1所述的基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，其特征在于，在进行监测井的布置时，监测井总体上呈大致扇形状分布在斜坡面上，即，斜坡面上侧分布的监测井少，而斜坡面下侧分布的监测井多，且整体呈大致扇形分布。
3.根据权利要求1所述的基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，其特征在于，还设置有超声波流量计，其设置在斜坡面最上游的监测井的海底海水中，用于监测气流柱情况，获得泄露天然气在时间序列上的变化信息，用于指导天然气水合物开采和发出预警。
4.根据权利要求1所述的基于微震的天然气水合物开采海底移动变形监测方法，其特征在于，各检波器还包括GPS定位模块，能够响应与水下高精度GPS导航***，由此准确确定各监测井的位置。
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| CN115754152A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-07 | 大连理工大学 | 一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***及使用方法 |
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- 2022-04-28 CN CN202210463160.4A patent/CN115032689A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115754152A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-07 | 大连理工大学 | 一种模拟水合物分解触发海底斜坡破坏的实验***及使用方法 |
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