基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统及监测方法与流程

1.本发明属于天然地震和地质灾害监测及预警领域，具体涉及一种基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统及监测方法。


背景技术：

2.光纤传感系统可以用于地面三分量地震信号和井下压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。
3.要对天然地震和地质灾害进行全方位的监测和预警，就需要对与有可能诱发天然地震和地质灾害的地下信息进行长期实施的观测和监测，这些信息包括地下的天然地震信号、地下应力场、地下岩层或岩石的应变、地下温度、地下电场和磁场等等。
4.传统的地下或井下应力、应变、压力、温度、噪声和震动信号等的测量通常使用的是地下或井下测井仪器或井下电子传感器，这些电子传感器都需要耐高温、耐高压、在地下或井下长时间工作，而这些工作环境和条件对常规电子传感器是非常困难的挑战，这些电子传感器还没有办法布设到超高压超高温的地下深处或深井里面去，也没有办法实现全井段的井下应力、应变、压力、温度、噪声和震动信号的测量和长期监测。
5.随着分布式光纤传感技术的快速发展，特制的耐高温耐高压的高灵敏度铠装监测光缆，就可以方便的布设到超高压超高温的地下深处或深井里面去，也可以长时间在地下深处或深井里面可靠的工作，实施测量和监测地下或井下应力、应变、压力、温度、噪声和震动信号等有可能诱发天然地震和地质灾害的地下信息，克服和解决地下或井下测井仪器或井下电子传感器不能长期在超高压超高温的地下深处或深井里面可靠工作的难题。


技术实现要素：

6.为了实现对天然地震和地质灾害进行全方位的监测和预警，对与有可能诱发天然地震和地质灾害的地下深部的应力、应变、温度、噪声和震动信号等信息进行长期实施的观测和监测。本发明提出了基于光纤传感技术的天然地震和地质灾害监测系统及监测方法。
7.具体的技术方案为：
8.基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统，包括三组相互正交的铠装监测光缆，铠装监测光缆布设或埋置在一口直井中和地面或一口直井中和两口地下水平井内，每组铠装监测光缆内均包含有地震波传感光缆，地震波传感光缆内包含地震波弹性体，地震波弹性体上有单模光纤；地震波弹性体内镶嵌两根多模光纤，两根多模光纤的尾端熔接成u字型；
9.还包括绞合镶嵌在铠装监测光缆上的应变光纤；
10.还包括设在地面井口处的复合调制解调仪器；复合调制解调仪器的九个das信号端口分别与单模光纤相连接，所述复合调制解调仪器的六个dts信号端口分别与多模光纤的首端相连接，复合调制解调仪器的三个dss信号输入端口与分别与应变光纤相连接；
11.单模光纤为无氢损高反射系数增敏纯硅芯碳涂覆光纤；
12.应变光纤为耐高温高灵敏度的应变纯硅芯碳涂覆单模光缆；
13.多模光纤为耐高温高灵敏度的纯硅芯碳涂覆多模光纤；
14.所述的复合调制解调仪器为das/dts/dss复合调制解调仪器。
15.所述的地震波弹性体上有单模光纤，为采用一根单模光纤按照螺旋形绕制在地震波弹性体上，或三根单模光纤分别安置在地震波弹性体上。
16.所述的地震波传感光缆、多模光纤外有至少一层连续金属细管对其进行封装；应变光纤采用耐高温单模光纤，耐高温单模光纤外挤压有一层高强度耐高温复合材料，外面有至少一层连续金属细管对其进行紧包封装，封装后的应变光纤的外径与铠装钢丝的外径相同，并且与铠装钢丝一起绞合镶嵌在铠装监测光缆的最外层。
17.所述的单模光纤尾均安装有消光器。
18.所述的复合调制解调仪器连接有监测数据存储、处理和分析用的超级计算机工作站。
19.所述的基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统的监测方法，包括以下步骤：
20.(a)在需要进行天然地震监测或潜在的地质灾害发生地钻一口直井，把一条铠装监测光缆缓慢的下入完钻的井孔里，随后在井孔里灌注水泥浆，将铠装监测光缆永久的固定在井下；
21.(b)在井口处沿相互正交的两个方向开挖两条浅沟，浅沟的长度与直井深度大致相当；在两条浅沟内铺设两条铠装监测光缆，用水泥浆把两条铠装监测光缆永久性的固定起来，使铠装监测光缆处于水泥中部；
22.或者在直井的井底钻两口相互正交的水平井，水平井长度与直井深度大致相当，在两口水平井内铺设两条铠装监测光缆；
23.(c)用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿铠装监测光缆外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把铠装监测光缆和地层岩石永久性的固定在一起；
24.(d)在地震波传感光缆尾端分别安装消光器，把每根地震波传感光缆内镶嵌的两根多模光纤的尾端呈u字形熔接在一起；
25.(e)在井口处把单模光纤和多模光纤分别连接到复合调制解调仪器的das和dts信号输入端；把应变光纤的首端与复合调制解调仪器的dss信号输入端口相连接；
26.(f)把对监测数据进行存储、处理和分析用超级计算机工作站与复合调制解调仪器相连接；
27.(g)启动复合调制解调仪器，实时采集沿三个相互正交方向的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度变化数据和地温及地温梯度变化数据；
28.(h)复合调制解调仪器将连续采集的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度数据和地温及地温梯度数据实时进行调制解调，然后传输给旁边的超级计算机工作站；
29.(i)超级计算机工作站内有专用的监测数据处理分析软件系统，对实时监测到的三个相互正交方向的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度变化数据和地温及地温梯度变化数据进行实时处理与分析；
30.(j)在井口周围已知位置用重锤或雷管或炸药或可控震源进行人工地面震源激发，同时利用地震波传感光缆以及复合调制解调仪器记录人工震源激发地震信号，利用这一人工震源激发信号的纵波和横波的走时差和预先假定的地下地层的初步纵波和横波速度分布，反演计算人工震源激发的地震信号的三维空间位置；如果反演出来的人工震源激发的地震信号的三维空间位置与已知震源位置不一致，则调整地下地层的纵波和横波速度场，直到反演出的人工震源激发的地震信号的三维空间位置与已知地面震源位置在允许误差范围为止；此反复调整后的三维纵波和横波速度体就是最终用于天然地震事件定位的地下地层的速度场；
31.(k)对三个相互正交方向的铠装监测光缆上记录到的三分量天然地震数据进行纵波走时初至和横波走时初至进行自动拾取，根据地震纵波和横波的走时差和地下地层的纵波和横波速度分布，反演计算进行地下地层破裂时产生的天然地震事件的发生时间、三维空间位置和能量大小，并将反演计算的结果马上通过与超级计算机工作站相连接的天然地震预警系统按照预先设定的流程向有关部门和社会发送天然地震预警信息；
32.(l)对应变光纤实时采集的地下沿三个正交方向的应变和应变梯度即应变率数据进行处理，实时监测和了解地下应力场在三维空间上随时间的变化，及时发现地应力或应变异常地段或井段，分析地下异常地应力场和异常应变地带诱发天然地震或地质灾害的潜在风险和可能性，及时提供天然地震或地质灾害可能发生的预警信息；
33.(m)应用复合调制解调仪器和多模光纤进行井下和浅地表温度和温度梯度变化的监测；全井段或地面浅部地下温度和温度梯度的变化，反映的是地下深处热能的快速传递和岩石孔隙内流体运移的过程和状态，或者是地下活动断层内热能的快速传递和断层内流体受到地应力的挤压作用后的快速运移，地下温度和温度梯度的异常作为地下构造运动开始活跃的指示参数，用来对天然地震和地质灾害发生前的预测与预警；
34.(n)超级计算机工作站对采集到的三分量天然地震数据、地下地应力场与应变的变化数据和地下温度与温度梯度的变化数据进行多维多参数多尺度的综合处理分析，判别潜在天然地震和地质灾害发生的可能性，提前给预警系统按照预先设定的流程向有关部门和社会发送天然地震或地质灾害将要发生的预报或预警信息。
35.本发明具体的技术效果：
36.本发明提出了的基于光纤传感技术的天然地震和地质灾害监测系统及监测方法，通过基于光纤传感技术的天然地震和地质灾害监测系统实时测量和监测地下或井下应力、应变、温度、噪声和震动信号等有可能诱发天然地震和地质灾害的地下信息，分析地下诱发天然地震或地质灾害的潜在风险和可能性，及时提供天然地震或地质灾害可能发生的预警信息，实施对天然地震和地质灾害进行监测和预警。
附图说明
37.图1是本发明的在地面和垂直井中的监测系统布设示意图。
38.图2是本发明的按照螺线管绕制的在地面和垂直井中的监测系统布设示意图。
39.图3是本发明的在垂直井和水平井的监测系统布设示意图。
40.图4是本发明的按照螺线管绕制的在垂直井和水平井中的监测系统布设示意图。
41.图5是实施例的地震波传感光缆横截面结构示意图。
42.图6是实施例的按照螺旋管方式绕制的地震波传感光缆横截面结构示意图。
43.图7是实施例的铠装监测光缆和地震波传感光缆的结构示意图。
具体实施方式
44.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明公开内容的理解更加透彻全面。它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
45.本发明的
46.基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统，包括三组相互正交的铠装监测光缆1，铠装监测光缆1布设或埋置在一口直井中和地面或一口直井中和两口地下水平井内，
47.在地面和井中布设基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统示意图如图1所示。图3是在垂直井和水平井布设监测系统的布设示意图。
48.每组铠装监测光缆1内均包含有地震波传感光缆7，地震波传感光缆7内包含地震波弹性体2，地震波弹性体2上有单模光纤3；地震波弹性体2内镶嵌两根多模光纤5，两根多模光纤5的尾端9熔接成u字型；
49.还包括绞合镶嵌在铠装监测光缆1上的应变光纤4；
50.还包括设在地面井口处的复合调制解调仪器6；复合调制解调仪器6的九个das信号端口分别与单模光纤3相连接，所述复合调制解调仪器6的六个dts信号端口分别与多模光纤5的首端相连接，复合调制解调仪器6的三个dss信号输入端口与分别与应变光纤4相连接；
51.单模光纤3为无氢损高反射系数增敏纯硅芯碳涂覆光纤；
52.应变光纤4为耐高温高灵敏度的应变纯硅芯碳涂覆单模光缆；
53.多模光纤5为耐高温高灵敏度的纯硅芯碳涂覆多模光纤；
54.所述的复合调制解调仪器6为das/dts/dss复合调制解调仪器。
55.如图2、图4、图6所示，所述的地震波弹性体2上有单模光纤3，为采用一根单模光纤3按照螺旋形绕制在地震波弹性体2上；或者，如图7所示，三根单模光纤3分别安置在地震波弹性体2上。
56.图5是实施例的震波传感光缆横截面结构示意图。所述的地震波传感光缆7、多模光纤5外有至少一层连续金属细管对其进行封装；应变光纤4采用耐高温单模光纤，耐高温单模光纤外挤压有一层高强度耐高温复合材料，外面有至少一层连续金属细管对其进行紧包封装，封装后的应变光纤4的外径与铠装钢丝的外径相同，并且与铠装钢丝一起绞合镶嵌在铠装监测光缆1的最外层。以便于及时感应地下的应力和应变的变化。
57.所述的单模光纤3尾均安装有消光器8。
58.所述的复合调制解调仪器6连接有监测数据存储、处理和分析用的超级计算机工作站10。
59.超级计算机工作站10，对实时监测到的三个相互正交方向的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度变化数据和地温及地温梯度变化数据进行实时处理与分析。
60.所述的基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统的监测方法，包括以下步骤：
61.(a)在需要进行天然地震监测或潜在的地质灾害发生地钻一口直井，把一条铠装监测光缆1缓慢的下入完钻的井孔里，随后在井孔里灌注水泥浆，将铠装监测光缆1永久的固定在井下；
62.(b)在井口处沿相互正交的两个方向开挖两条浅沟，浅沟的长度与直井深度大致相当；在两条浅沟内铺设两条铠装监测光缆1，用水泥浆把两条铠装监测光缆1永久性的固定起来，使铠装监测光缆1处于水泥中部；
63.或者在直井的井底钻两口相互正交的水平井，水平井长度与直井深度大致相当，在两口水平井内铺设两条铠装监测光缆1；
64.(c)用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿铠装监测光缆1外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把铠装监测光缆1和地层岩石永久性的固定在一起；
65.(d)在地震波传感光缆7尾端分别安装消光器9，把每根地震波传感光缆7内镶嵌的两根多模光纤5的尾端9呈u字形熔接在一起；
66.(e)在井口处把单模光纤3和多模光纤5分别连接到复合调制解调仪器6的das和dts信号输入端；把应变光纤4的首端与复合调制解调仪器6的dss信号输入端口相连接；
67.(f)把对监测数据进行存储、处理和分析用超级计算机工作站10与复合调制解调仪器6相连接；
68.(g)启动复合调制解调仪器6，实时采集沿三个相互正交方向的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度变化数据和地温及地温梯度变化数据；
69.(h)复合调制解调仪器6将连续采集的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度数据和地温及地温梯度数据实时进行调制解调，然后传输给旁边的超级计算机工作站10；
70.(i)超级计算机工作站10内有专用的监测数据处理分析软件系统，对实时监测到的三个相互正交方向的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度变化数据和地温及地温梯度变化数据进行实时处理与分析；
71.(j)在井口周围已知位置用重锤或雷管或炸药或可控震源进行人工地面震源激发，同时利用地震波传感光缆7以及复合调制解调仪器6记录人工震源激发地震信号，利用这一人工震源激发信号的纵波和横波的走时差和预先假定的地下地层的初步纵波和横波速度分布，反演计算人工震源激发的地震信号的三维空间位置；如果反演出来的人工震源激发的地震信号的三维空间位置与已知震源位置不一致，则调整地下地层的纵波和横波速度场，直到反演出的人工震源激发的地震信号的三维空间位置与已知地面震源位置在允许误差范围为止；此反复调整后的三维纵波和横波速度体就是最终用于天然地震事件定位的地下地层的速度场；
72.(k)对三个相互正交方向的铠装监测光缆1上记录到的三分量天然地震数据进行纵波走时初至和横波走时初至进行自动拾取，根据地震纵波和横波的走时差和地下地层的纵波和横波速度分布，反演计算进行地下地层破裂时产生的天然地震事件的发生时间、三维空间位置和能量大小，并将反演计算的结果马上通过与超级计算机工作站10相连接的天然地震预警系统按照预先设定的流程向有关部门和社会发送天然地震预警信息；
73.(l)对应变光纤4实时采集的地下沿三个正交方向的应变和应变梯度即应变率数据进行处理，实时监测和了解地下应力场在三维空间上随时间的变化，及时发现地应力或应变异常地段或井段，分析地下异常地应力场和异常应变地带诱发天然地震或地质灾害的潜在风险和可能性，及时提供天然地震或地质灾害可能发生的预警信息；
74.(m)应用复合调制解调仪器6和多模光纤5进行井下和浅地表温度和温度梯度变化的监测；全井段或地面浅部地下温度和温度梯度的变化，反映的是地下深处热能的快速传递和岩石孔隙内流体运移的过程和状态，或者是地下活动断层内热能的快速传递和断层内流体受到地应力的挤压作用后的快速运移，地下温度和温度梯度的异常作为地下构造运动开始活跃的指示参数，用来对天然地震和地质灾害发生前的预测与预警；
75.(n)超级计算机工作站10对采集到的三分量天然地震数据、地下地应力场与应变的变化数据和地下温度与温度梯度的变化数据进行多维多参数多尺度的综合处理分析，判别潜在天然地震和地质灾害发生的可能性，提前给预警系统按照预先设定的流程向有关部门和社会发送天然地震或地质灾害将要发生的预报或预警信息。