基于微震反馈的地下水封油库海水入侵防控方法及系统与流程

本发明涉及地下空间工程及岩石损伤力学领域，尤其涉及基于微震反馈的地下水封油库海水入侵防控方法及系统。

背景技术：

1、地下水封洞库因其具有土地占用率低、安全稳定性高、防火性好等特点，在商业存储和战备储存等领域得到广泛应用。地下水封油库的工作原理是利用地下水或人工水幕的渗流作用，依据水与油互不溶解的原理，将石油封存在洞室内，以实现石油的存储目的。

2、然而，现有水幕系统的运行与控制技术在实际工程应用中显示出诸多局限，主要体现在以下几个方面：

3、第一：现有技术多假设围岩为稳定且不变，并采用恒定压力注水（涉及压力精确位置在设计值）。然而，地下水封油库的围岩在施工期间及运营期间处于动态变化的过程。特别是在运营期间，石油的反复注入与抽取会对洞室围岩产生交替作用的荷载。这种周期性扰动会导致围岩内部微裂隙累积损伤。现有的技术方法通常在裂隙贯通、大量地下水涌入洞室、以及监测孔水位异常下降等宏观现象出现后，才被动采取应对措施。

4、第二：微震活动引起的围岩裂隙的累计损伤会显著改变裂隙围岩的等效渗透率。根据cubic law，裂隙的水力传导率与裂隙开度呈立方关系。微震引起的微米级裂隙可能导致局部水力传导率呈数量级增长。在水幕压力保持不变的情况下，随着围岩损伤导致裂隙开度增大，原有的水幕压力可能无法维持保护洞室内外水油压力的平衡。

5、第三，目前用于地下水封油库工程的常用监测设备，如渗压计和水位计，仅能监测渗流场中的压力值，无法捕捉裂隙扩展的动态过程。此外，这些水文地质监测传感器通常采用点式布置，难以实现对整个地下裂隙网络的全面覆盖。微震监测技术虽已在矿山危险监测和围岩变形机制研究中得到成熟应用，能准确定位围岩内部微裂缝并量化其释放的能量，但尚未形成微震监测与水幕调控的闭环技术路径。

6、第四：在海岛环境中建设的地下水封油库，仍然面临海水入侵的潜在风险。若水幕压力控制不当，可能引发海水倒灌，影响油品质量。如何在抑制海水入侵与调控涌水量之间实现动态平衡，成为当前行业中亟需攻克的技术难题。

7、综上所述，本发明在提升国家战略石油储备方面具有显著的工程价值和科学意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中地下水封油库水幕系统无法适应微震累计损伤所导致的水封失效风险，本发明提出了基于微震反馈的地下水封油库海水入侵防控方法及系统，该方法实现了水幕压力的智能化与精细化管理，旨在解决传统技术中地下水封油库水幕系统采用恒定注水压力模式的问题。本发明针对地下水封油库在运营期间因石油反复吞吐而导致的围岩裂隙累积损伤，结合微震能量的实时监测，动态调节水幕系统，从而增强油库的全过程安全保障。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

2、本发明提供了基于微震反馈的地下水封油库海水入侵防控方法，包括以下步骤：

3、步骤一，在确定洞库选址及布局后，在地下水封油库的洞库建设期间同步部署微震监测系统；微震监测系统包括中央控制台和多组微震传感器，多组微震传感器分别安装于地下水封油库的主洞室、水幕巷道及围岩薄弱区，并通过光纤网络连接至地面终端中央控制台；

4、步骤二，地面终端中央控制台实时采集微震传感器发出的信号，经过所述微震监测系统处理后，获得微震发生的参数，所述参数包括三维空间坐标以及微震辐射能量；

5、步骤三，依据gibowicz微震能量理论，结合微震事件的辐射能量与围岩损伤演化关系，通过微震监测数据反演围岩裂隙损伤程度，建立微震辐射能量与裂隙开度之间的定量映射关系；

6、步骤四，利用修正后的围岩裂隙开度数据，推算裂隙围岩的等效渗透率，结合地下水封油库的封堵机理，计算出确保水封安全的临界水封压力；

7、步骤五，依据推算得出的临界水封压力，将所述临界水封压力作为目标设定值，通过pid控制器执行pid闭环控制算法，驱动水幕系统进行压力调节，以保障地下水封油库中油品的安全。

8、进一步的，所述步骤一中，微震传感器采用四面体结构或空间螺旋线布局。

9、进一步的，所述步骤一中，微震监测系统基于声学和地震学，通过观测微震事件，分析对生产活动的影响，当地下岩石由于人为因素或自然因素发生损伤、移动时，会产生一种微弱的地震波向外传播，通过在主洞室、水幕巷道及围岩薄弱区布置多组监测传感器实时采集微震数据，经数据处理后，基于震动定位原理，能够确定损伤发生的坐标。

10、进一步的，所述步骤三中，依据微震能量释放机制的gibowicz理论，能够获得微震释放能量与地震矩的关系近似为：

11、

12、根据地震矩的定义：，推导出微震释放能量与围岩裂隙开度的关系为：

13、

14、式中，为微震引起的裂隙开度变化值，m；为震源半径，m；为微震释放能量，j，该数据由微震传感器测量得到；为应力降，pa，由震源谱分析所得；为地震矩，n×m；g为围岩剪切模量，pa；a为微震事件对应的有效破裂面面积，m2。

15、进一步的，所述步骤四中，裂隙围岩的等效渗透率采用基于cubic law的公式进行计算，计算公式如下：

16、

17、式中，为微震累积损伤后的裂隙围岩的等效渗透率，m2；为裂隙面密度，用于表征单位体积围岩内裂隙面的发育程度，m-1；为初始裂隙开度，m；微震引起的裂隙开度变化值，m。

18、进一步的，临界水封压力p为维持地下水封油库水封安全所需的水幕孔注水压力，其基于地下水封油库的封堵机理进行计算，计算公式如下：

19、

20、式中，为临界水封压力，pa；为油库内储油的设计压力，pa；为静水压力项是水幕孔与油库的势能；为水的密度，kg/m3；为重力加速度，m/s2；为水幕孔水头与洞库之间的高度差，m；为单孔设计需保持的最小安全注水流量，m3/s；为水的动力粘度,pa·s；为所计算段的水幕孔长度，m；为微震累计损伤后裂隙围岩的等效渗透率，m2；为影响半径，取水幕孔排距的一半或到洞库的距离，m；为水幕孔的钻孔半径，m；ln（r/rw）为无量纲。

21、进一步的，所述步骤五中，pid控制器通过控制误差值，目标设定值与实际测量值之间的差值，控制量为驱动水幕系统进行压力调节的指令，pid控制器的输出与误差的关系公式如下：

22、

23、式中：为驱动水幕系统调节压力的指令，在实际工程中，表现为供水泵的变频器频率，hz；为控制误差值，pa，对应公式为；为目标设定值，在实际工程中指推算出的临界水封压力，pa；为实际测量值，传感器读回来的实际水封压力，pa；为比例系数，hz/pa；为积分系数，hz/(pa·s)；为微分系数，hz·s/pa。

24、本发明还提供了基于微震反馈的地下水封油库海水入侵防控系统，用于实现上述的基于微震反馈的地下水封油库海水入侵防控方法，包括：

25、参数获取模块：被配置为在地下水封油库的洞库布设微震监测系统处理，通过微震监测系统处理，获取微震发生时震源三维空间坐标及微震辐射能量参数，用于实时感应并获取围岩裂隙的损伤信息；其中，微震监测系统包括中央控制台和多组微震传感器，多组微震传感器分别安装于地下水封油库的主洞室、水幕巷道及围岩薄弱区，并通过光纤网络连接至地面终端中央控制台；

26、损伤转化模块：被配置为基于gibowicz理论和微震监测数据，对微震引起的围岩裂隙及微震辐射能量进行公式拟合。

27、压力判定模块：被配置为利用修正后的围岩裂隙开度数据，采用基于cubic law的公式推算围岩裂隙的等效渗透率，结合地下水封油库封堵机理，推算出当前状态下保证水封安全所需的临界水封压力，判定对水幕应做出怎样的调整；

28、pid控制模块：被配置为以压力判定模块推算得到的临界水封压力作为目标设定值，接收水幕系统的实际水封压力，计算所述临界水封压力与实际水封压力之间的压力偏差，并根据所述压力偏差采用pid闭环控制算法生成压力调节指令，驱动水幕系统调节注水压力，使实际水封压力趋近于所述临界水封压力，以确保地下水封油库油品安全。

29、相对于现有技术，本发明所述的基于微震反馈的地下水封油库海水入侵防控方法及系统具有以下优势：本发明改变了传统技术中地下水封油库水幕系统采用恒定注水压力的模式，针对地下水封油库运营期间石油反复吞吐产生的围岩裂隙累积损伤问题，通过实时监测微震能量，动态调节水幕系统，从而提升油库运营全周期的安全性。基于cubic law，本发明创新性地将微震监测技术与水幕系统相结合，通过量化微震辐射能量，精准评估围岩累积损伤的程度，实现对围岩裂隙的三维空间坐标定位；同时，建立了基于围岩裂隙累积损伤实时状态的动态调控机制，有效解决海水入侵与水幕控制难以兼顾的问题，兼具显著的安全性与经济效益。

30、（1）本发明在地下水封油库的主洞室、水幕巷道及围岩薄弱区布设微震传感器，并通过微震监测系统实时采集微震传感器发出的信号，能够获得微震发生的三维空间坐标以及微震辐射能量，从而为地下水封油库海水入侵防控提供实时监测数据；

31、（2）本发明依据gibowicz理论及微震监测数据，建立微震辐射能量与围岩裂隙开度的映射关系，将微震活动转化为围岩裂隙的累积损伤增量，得到修正后的围岩裂隙开度数据，使围岩裂隙开度能够根据微震辐射能量进行定量计算；

32、（3）本发明利用修正后的围岩裂隙开度数据推算围岩裂隙的等效渗透率，并结合地下水封油库的封堵机理计算临界水封压力，使临界水封压力的确定能够与围岩裂隙开度和围岩裂隙的渗透率相对应，提高了临界水封压力计算的准确性；

33、（4）本发明依据推算得出的临界水封压力，采用pid闭环控制算法驱动水幕系统进行压力调节，能够避免地下水封油库长期采用恒定注水压力造成的水幕系统运行压力与实际需求不匹配的问题；

34、（5）本发明通过微震监测系统、临界水封压力计算和水幕系统压力调节之间的配合，实现了地下水封油库海水入侵防控过程中的监测、计算和调节联动，在保障地下水封油库中油品安全的同时，有利于降低水幕系统运行能耗。