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CN118011470B - 一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法和系统 - Google Patents

一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法和系统

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CN118011470B CN202410050354.0A CN202410050354A CN118011470B CN 118011470 B CN118011470 B CN 118011470B CN 202410050354 A CN202410050354 A CN 202410050354A CN 118011470 B CN118011470 B CN 118011470B
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Abstract

本发明公开了一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法和系统，利用轨迹测量仪在已完成的钻孔A中测量出对应的钻孔轨迹，并计算出不同孔深位置L处对应的钻孔坐标x(L)；在钻孔A中等间距布设多个串联的地震传感器，采用随钻模式，与钻进过程同时进行地震数据采集和分析，无需额外的工作环节和时间，解决了现有技术中对掘进前方的地质勘探方法时效性较低的技术问题；通过已完成的钻孔中布设地震传感器，实时接收地震波数据，并利用数据采集、处理系统进行数据分析，可以尽早获取钻孔之间的地质信息，避免由于延迟带来的信息丢失和偏差，实现对孔间地层构造和应力异常的准确分析和预测，解决了现有技术中对掘进前方的地质勘探方法准确性较低的技术问题。

Description

一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法和系统
技术领域
本发明属于地球物理勘探技术领域，涉及地震超前探测方法，具体是一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法和系统。
背景技术
矿山开采作业中，了解前方地质情况对于保障矿山安全和制定有效开采方案至关重要。传统的地质勘探方法存在着成本高、时间长、无法即时获取井下信息等问题，亟需一种高效准确的方法来满足实际需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法和系统，以解决现有技术中对掘进前方的地质勘探方法时效性和准确性较低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，利用轨迹测量仪在已完成的钻孔A中测量出对应的钻孔轨迹，并利用该钻孔轨迹，计算出不同孔深位置L处对应的钻孔坐标x(L)；
步骤二，在钻孔A中等间距布设多个串联的地震传感器，并将位于孔口的地震传感器与外部的数据采集系统相连；
所述的地震传感器在钻孔A中的深度记为Li，其中i为地震传感器的序号；
步骤三，对钻孔A进行封孔；
步骤四，对不同孔深位置L对应的钻孔坐标x(L)插值，得到每个地震传感器的坐标xi；
步骤五，设置数据采集系统的采样率f、增益和数据存储位置，开启实时采集；
步骤六，保存一段时间内的采集数据Fi(t)，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cil；
步骤七，根据下述公式计算数据质量评价系数σ，判断是否满足σ≥θ，是则进入步骤八；否则返回步骤六；
其中：
N为地震传感器的数量。
θ为给定阈值；
步骤八，采用基于双差反演的方法和互相关走时ΔTij反演得到当前时间τ、钻头震源的位置Sτ以及钻头与钻孔A形成的曲面上的地震波速度分布Vτ(x)；
步骤九，采用相对透射系数层析成像技术和互相关系数cij、地震波速度分布Vτ(x)和钻头震源的位置Sτ，得到钻头与钻孔A形成的曲面上的透射系数分布Tτ(x)；
步骤十，根据下述公式得到速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)；
步骤十一，将当前的钻头震源的位置Sτ、速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)实时传送至外部显示软件显示；
步骤十二，返回步骤六，直至钻孔B完钻；
步骤十三，利用所有得到的ΔTij和Sτ进行层析反演，得到最终速度分布V(x)；
步骤十四，利用所有得到的cij和Sτ进行层析反演，得到最终相对透射系数分布T(x)；
步骤十五，计算出V(x)的平均值并采用公式(4)计算V(x)的偏离值并将的区域作为应力异常区，区域为正异常，反之为负异常；
步骤十六，根据相对透射系数分布T(x)判断可能存在的异常地质构造。
步骤六中，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij；
步骤6.1，对采集数据Fi(t)进行带通滤波，得到滤波后的采集数据F′i(t)；
步骤6.2，对滤波后的采集数据F′i(t)进行傅里叶变换得到频率域的采集数据
步骤6.3，通过下述公式对采集数据进行两两互相关干涉，得到互相关数据
其中：
i和j均表示地震传感器的序号，i≠j；
“*”表示复共轭；
ε为正数；
步骤6.4，对互相关数据进行傅里叶逆变换，得到时间域的互相关数据Fi ′ j(t)，在每个互相关数据Fi ′ j(t)上拾取互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij。
步骤五中，所述的数据采集系统的采样率f的范围是1000Hz～4000Hz。
步骤二中，所述的地震传感器的间距为2米～5米；所述的地震传感器的数量至少是12个，所述的地震传感器的带宽范围是5Hz～500Hz。
步骤三中，采用泡沫胶对钻孔A进行封孔进行封孔。
一种钻孔孔间随钻地震超前探测系统，基于所述的钻孔孔间随钻地震超前探测方法，包括轨迹测量模块、数据采集模块、数据处理模块、CT层析反演模块、应力异常分析模块、构造异常分析模块；
所述的轨迹测量模块用于利用轨迹测量仪在已完成的钻孔A中测量出对应的钻孔轨迹，并利用该钻孔轨迹，计算出不同孔深位置L处对应的钻孔坐标x(L)，以及对不同孔深位置L对应的钻孔坐标x(L)插值，得到每个地震传感器的坐标xi；
所述的数据采集模块用于在钻孔A中等间距布设多个串联的地震传感器，并将位于孔口的地震传感器与外部的数据采集系统相连，以及设置数据采集系统的采样率f、增益和数据存储位置，开启实时采集；
所述的数据处理模块用于保存一段时间内的采集数据Fi(t)，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij；采用基于双差反演的方法和互相关走时ΔTij反演得到当前时间τ、钻头震源的位置Sτ以及钻头与钻孔A形成的曲面上的地震波速度分布Vτ(x)；采用相对透射系数层析成像技术和互相关系数cij、地震波速度分布Vτ(x)和钻头震源的位置Sτ，得到钻头与钻孔A形成的曲面上的透射系数分布Tτ(x)；得到速度分布和透射系数分布T′(x)；
所述的CT层析反演模块用于利用所有得到的ΔTij和Sτ进行层析反演，得到最终速度分布V(x)；利用所有得到的cij和Sτ进行层析反演，得到最终相对透射系数分布T(x)；
所述的应力异常分析模块用于计算出V(x)的平均值和偏离值并将的区域作为应力异常区，区域为正异常，反之为负异常；
所述的构造异常分析模块用于根据相对透射系数分布T(x)判断可能存在的异常地质构造。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(Ⅰ)本发明中采用随钻模式，与钻进过程同时进行地震数据采集和分析，无需额外的工作环节和时间，解决了现有技术中对掘进前方的地质勘探方法时效性较低的技术问题。
(Ⅱ)本发明中通过已完成的钻孔中布设地震传感器，实时接收地震波数据，并利用数据采集、处理系统进行数据分析，可以尽早获取钻孔之间的地质信息，避免由于延迟带来的信息丢失和偏差，实现对孔间地层构造和应力异常的准确分析和预测，解决了现有技术中对掘进前方的地质勘探方法准确性较低的技术问题。
(Ⅲ)本发明中能够通过及时获得地震超前探测结果帮助矿山管理人员评估矿井稳定性和灾害风险，提前采取必要的安全措施，有效避免了一些安全隐患。
附图说明
图1为观测系统布置及波场传播路径示意图；
图2为速度分布图；
图3为透射系数分布图。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
本发明给出了一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，利用轨迹测量仪在已完成的钻孔A中测量出对应的钻孔轨迹，并利用该钻孔轨迹，计算出不同孔深位置L处对应的钻孔坐标x(L)；
步骤二，在钻孔A中等间距布设多个串联的地震传感器，并将位于孔口的地震传感器与外部的数据采集系统相连；
地震传感器在钻孔A中的深度记为Li，其中i为地震传感器的序号；
步骤三，对钻孔A进行封孔；
步骤四，对不同孔深位置L对应的钻孔坐标x(L)插值，得到每个地震传感器的坐标xi；
步骤五，设置数据采集系统的采样率f、增益和数据存储位置，开启实时采集；
步骤六，保存一段时间内的采集数据Fi(t)，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cil；
步骤七，根据下述公式计算数据质量评价系数σ，判断是否满足σ≥θ，是则进入步骤八，否则返回步骤六；
其中：
N为地震传感器的数量。
θ为给定阈值；
步骤八，采用基于双差反演的方法和互相关走时ΔTij反演得到当前时间τ、钻头震源的位置Sτ以及钻头与钻孔A形成的曲面上的地震波速度分布Vτ(x)；
步骤九，采用相对透射系数层析成像技术和互相关系数cij、地震波速度分布Vτ(x)和钻头震源的位置Sτ，得到钻头与钻孔A形成的曲面上的透射系数分布Tτ(x)；
步骤十，根据下述公式得到速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)；
步骤十一，将当前的钻头震源的位置Sτ、速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)实时传送至外部显示软件显示；
步骤十二，返回步骤六，直至钻孔B完钻；
步骤十三，利用所有得到的ΔTij和Sτ进行层析反演，得到最终速度分布V(x)；
步骤十四，利用所有得到的cij和Sτ进行层析反演，得到最终相对透射系数分布T(x)；
步骤十五，计算出V(x)的平均值并采用公式(4)计算V(x)的偏离值并将的区域作为应力异常区，区域为正异常，反之为负异常；
步骤十六，根据相对透射系数分布T(x)判断可能存在的异常地质构造。
在上述技术方案中，采用随钻模式，与钻进过程同时进行地震数据采集和分析，无需额外的工作环节和时间，解决了现有技术中对掘进前方的地质勘探方法时效性较低的技术问题。
参见图1，通过已完成的钻孔中布设地震传感器，实时接收地震波数据，并利用数据采集、处理系统进行数据分析，可以尽早获取钻孔之间的地质信息，避免由于延迟带来的信息丢失和偏差，实现对孔间地层构造和应力异常的准确分析和预测，解决了现有技术中对掘进前方的地质勘探方法准确性较低的技术问题。
如图2和图3所示，得到最终速度分布V(x)和相对透射系数分布T(x)，能够通过及时获得地震超前探测结果帮助矿山管理人员评估矿井稳定性和灾害风险，提前采取必要的安全措施，有效避免了一些安全隐患。
具体的，步骤六中，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij；
步骤6.1，对采集数据Fi(t)进行带通滤波，得到滤波后的采集数据F′i(t)；
步骤6.2，对滤波后的采集数据F′i(t)进行傅里叶变换得到频率域的采集数据
步骤6.3，通过下述公式对采集数据进行两两互相关干涉，得到互相关数据
其中：
i和j均表示地震传感器的序号，i≠j；
“*”表示复共轭；
ε为正数；
步骤6.4，对互相关数据进行傅里叶逆变换，得到时间域的互相关数据Fi ′ j(t)，在每个互相关数据Fi ′ j(t)上拾取互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij。
在上述方案中，ε为一足够小的正数，一般可取平均值的1/40，确保公式(1)稳定。
具体的，步骤五中，数据采集系统的采样率f的范围是1000Hz～4000Hz。
具体的，步骤二中，地震传感器的间距为2米～5米；地震传感器的数量至少是12个，地震传感器的带宽范围是5Hz～500Hz。
具体的，步骤三中，采用泡沫胶对钻孔A进行封孔进行封孔，有效避免声波干扰。
本发明还给出了一种钻孔孔间随钻地震超前探测系统，基于钻孔孔间随钻地震超前探测方法，包括轨迹测量模块、数据采集模块、数据处理模块、CT层析反演模块、应力异常分析模块、构造异常分析模块；
轨迹测量模块用于利用轨迹测量仪在已完成的钻孔A中测量出对应的钻孔轨迹，并利用该钻孔轨迹，计算出不同孔深位置L处对应的钻孔坐标x(L)，以及对不同孔深位置L对应的钻孔坐标x(L)插值，得到每个地震传感器的坐标xi；
数据采集模块用于在钻孔A中等间距布设多个串联的地震传感器，并将位于孔口的地震传感器与外部的数据采集系统相连，以及设置数据采集系统的采样率f、增益和数据存储位置，开启实时采集；
数据处理模块用于保存一段时间内的采集数据Fi(t)，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cil；采用基于双差反演的方法和互相关走时ΔTij反演得到当前时间τ、钻头震源的位置Sτ以及钻头与钻孔A形成的曲面上的地震波速度分布Vτ(x)；采用相对透射系数层析成像技术和互相关系数cij、地震波速度分布Vτ(x)和钻头震源的位置Sτ，得到钻头与钻孔A形成的曲面上的透射系数分布Tτ(x)；得到速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)；
CT层析反演模块用于利用所有得到的ΔTij和Sτ进行层析反演，得到最终速度分布V(x)；利用所有得到的cij和Sτ进行层析反演，得到最终相对透射系数分布T(x)；
应力异常分析模块用于计算出V(x)的平均值和偏离值并将的区域作为应力异常区，区域为正异常，反之为负异常；
构造异常分析模块用于根据相对透射系数分布T(x)判断可能存在的异常地质构造。

Claims (6)

1.一种钻孔孔间随钻地震超前探测方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一，利用轨迹测量仪在已完成的钻孔A中测量出对应的钻孔轨迹，并利用该钻孔轨迹，计算出不同孔深位置L处对应的钻孔坐标x(L)；
步骤二，在钻孔A中等间距布设多个串联的地震传感器，并将位于孔口的地震传感器与外部的数据采集系统相连；
所述的地震传感器在钻孔A中的深度记为Li，其中i为地震传感器的序号；
步骤三，对钻孔A进行封孔；
步骤四，对不同孔深位置L对应的钻孔坐标x(L)插值，得到每个地震传感器的坐标xi；
步骤五，设置数据采集系统的采样率f、增益和数据存储位置，开启实时采集；
步骤六，保存一段时间内的采集数据Fi(t)，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij；
步骤七，根据下述公式计算数据质量评价系数σ，判断是否满足σ≥θ，是则进入步骤八；否则返回步骤六；
其中：
N为地震传感器的数量；
θ为给定阈值；
步骤八，采用基于双差反演的方法和互相关走时ΔTij反演得到当前时间τ、钻头震源的位置Sτ以及钻头与钻孔A形成的曲面上的地震波速度分布Vτ(x)；
步骤九，采用相对透射系数层析成像技术和互相关系数cij、地震波速度分布Vτ(x)和钻头震源的位置Sτ，得到钻头与钻孔A形成的曲面上的透射系数分布Tτ(x)；
步骤十，根据下述公式得到速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)；
步骤十一，将当前的钻头震源的位置Sτ、速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)实时传送至外部显示软件显示；
步骤十二，返回步骤六，直至钻孔B完钻；
步骤十三，利用所有得到的ΔTij和Sτ进行层析反演，得到最终速度分布V(x)；
步骤十四，利用所有得到的cij和Sτ进行层析反演，得到最终相对透射系数分布T(x)；
步骤十五，计算出V(x)的平均值并采用公式(4)计算V(x)的偏离值并将的区域作为应力异常区，区域为正异常，反之为负异常；
步骤十六，根据相对透射系数分布T(x)判断可能存在的异常地质构造。
2.如权利要求1所述的钻孔孔间随钻地震超前探测方法，其特征在于，步骤六中，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij；
步骤6.1，对采集数据Fi(t)进行带通滤波，得到滤波后的采集数据Fi ′(t)；
步骤6.2，对滤波后的采集数据Fi ′(t)进行傅里叶变换得到频率域的采集数据
步骤6.3，通过下述公式对采集数据进行两两互相关干涉，得到互相关数据
其中：
i和j均表示地震传感器的序号，i≠j；
“*”表示复共轭；
ε为正数；
步骤6.4，对互相关数据进行傅里叶逆变换，得到时间域的互相关数据Fi ′ j(t)，在每个互相关数据Fi ′ j(t)上拾取互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cij。
3.如权利要求1或2所述的钻孔孔间随钻地震超前探测方法，其特征在于，步骤五中，所述的数据采集系统的采样率f的范围是1000Hz～4000Hz。
4.如权利要求1或2所述的钻孔孔间随钻地震超前探测方法，其特征在于，步骤二中，所述的地震传感器的间距为2米～5米；所述的地震传感器的数量至少是12个，所述的地震传感器的带宽范围是5Hz～500Hz。
5.如权利要求1或2所述的钻孔孔间随钻地震超前探测方法，其特征在于，步骤三中，采用泡沫胶对钻孔A进行封孔进行封孔。
6.一种钻孔孔间随钻地震超前探测系统，其特征在于，基于权利要求1至5任一项所述的钻孔孔间随钻地震超前探测方法，包括轨迹测量模块、数据采集模块、数据处理模块、CT层析反演模块、应力异常分析模块、构造异常分析模块；
所述的轨迹测量模块用于利用轨迹测量仪在已完成的钻孔A中测量出对应的钻孔轨迹，并利用该钻孔轨迹，计算出不同孔深位置L处对应的钻孔坐标x(L)，以及对不同孔深位置L对应的钻孔坐标x(L)插值，得到每个地震传感器的坐标xi；
所述的数据采集模块用于在钻孔A中等间距布设多个串联的地震传感器，并将位于孔口的地震传感器与外部的数据采集系统相连，以及设置数据采集系统的采样率f、增益和数据存储位置，开启实时采集；
所述的数据处理模块用于保存一段时间内的采集数据Fi(t)，对实时采集的一组采集数据Fi(t)进行预处理，得到互相关走时ΔTij以及对应的互相关系数cik；采用基于双差反演的方法和互相关走时ΔTij反演得到当前时间τ、钻头震源的位置Sτ以及钻头与钻孔A形成的曲面上的地震波速度分布Vτ(x)；采用相对透射系数层析成像技术和互相关系数cij、地震波速度分布Vτ(x)和钻头震源的位置Sτ，得到钻头与钻孔A形成的曲面上的透射系数分布Tτ(x)；得到速度分布V′(x)和透射系数分布T′(x)；
所述的CT层析反演模块用于利用所有得到的ΔTij和Sτ进行层析反演，得到最终速度分布V(x)；利用所有得到的cij和Sτ进行层析反演，得到最终相对透射系数分布T(x)；
所述的应力异常分析模块用于计算出V(x)的平均值和偏离值并将的区域作为应力异常区，区域为正异常，反之为负异常；
所述的构造异常分析模块用于根据相对透射系数分布T(x)判断可能存在的异常地质构造。
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