地震监测钻井设计及工艺研究-地质与勘探

［ 收稿日期］ ２ ０ １ ３－ ０ ６－ ０ ３ ； ［ 修订日期］ ２ ０ １ ３－ ０ ８－ １ ２ ； ［ 责任编辑］ 郝情情。 ［ 第一作者］ 李粮纲（ １ ９ ６ １年 －） ， 男， 博士（ 后） ， 教授， 从事地质工程教学与科研工作。 Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｌ ｉ ｌ ｇ ＠ｃ ｕ ｇ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 。
Ｌ ｉ Ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ｇ ａ ｎ ｇ ，Ｚ ｈ ｏ ｕＹ ｉ ，Ｌ ｉ Ｙ ｉ ｍｉ ｎ ｇ ，Ｗａ ｎ ｇＰ ｅ ｎ ｇ ｆ ｅ ｉ ，ＷｕＰ ｅ ｎ ｇ ｑ ｉ ｎ ｇ ，Ｑｉ ｕＭｉ ｎ ， Ｙ ｉ Ｗｅ ｉ ．Ａ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ［ Ｊ ］ ．Ｇｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙａ ｎ ｄＥ ｘ ｐ ｌ ｏ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ２ ０ １ ３ ， ｏ ｆ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙｆ ｏ ｒ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｑ ｕ ａ ｋ ｅｍｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇｗ ｅ ｌ ｌ ｓ ４ ９ （ ５ ） ： ０ ９ ７ ０－ ０ ９ ７ ５ ．
（ ） ｈ λ λ Ｎ－ Ｓ
－ ｈ λ Ｎ Ｒ １ ０ ｈ ＝Ｒ ０ ˑ
㊀㊀ 式中： Ｓ 、 Ｓ —分别为地面和深度为 ｈ处的信号； ０ ｈ Ｒ 、 Ｒ —分别为地面和深度为 ｈ处的干扰； ０ ｈ —分别为干扰和信号的衰减系数； λ λ Ｎ、 Ｓ 信噪比为： Ｓ Ｒ Ｓ Ｒ ） ˑ１ ０ ｈ／ ｈ ＝（ ０／ ０ 令（ Ｓ Ｒ ） ／ （ Ｓ Ｒ ）＝ １ ０ ， ｈ／ ｈ ０／ ０ 取对数 ｌ ｏ ｇ （ （ Ｓ Ｒ ） ／ （ Ｓ Ｒ ） ）＝ １ ， ｈ／ ｈ ０／ ０ 可得出： Ｓ Ｒ １ １ ｈ／ ｈ ｈ ｌ ｏ ｇ ＝ １ ＝ Ｓ Ｒ λ λ Ｎ －λ Ｓ ０／ ０ Ｎ －λ Ｓ ㊀㊀ 因干扰比信 号 随 深 度 衰 减 得 快， 即 λ ， 则 λ Ｎ ＞ Ｓ 有： １ ／ （ ） ＞１ ／ λ λ Ｎ －λ Ｓ Ｎ ㊀㊀ 因此： ｈ ／ λ ｍｉ ｎ ＝１ Ｎ ㊀㊀ 也就 是 使 信 噪 比 提 高 一 个 量 级 的 起 始 深 度 为 １ ／ λ Ｎ。 实际监测数据结果表明， 在基岩地层的监测井， 设计井深为 １ ０ ０ ｍ 就足 以 满 足 监 测 要 求。 若 在 覆 盖 ０ ０ 层较厚的平 原 地 区， 则井下仪器安放在地下 ３ ５ ０ ０ ｍ 深度， 可得到良好的地震记录。 ２ ． ２ ． ２ ㊀ 监测井的垂直度 对于 地 声 监 测 井， 其垂直度要求取决于传感器 的类型。一般要求监测井中心线与垂直线的偏差不 能超过 ３ ʎ ， 但 随 着 仪 器 精 密 度 的 提 高， 对垂直度的 要求越来越高。 如 果 在 平 原 地 区， 井深为 ５ ０ ０ ｍ ， 则 ０ ０ｍ 不 超 过 ０ ． ５ ʎ 。这对于钻井施工难度 要求每 １ 较大。 ２ ． ２ ． ３ ㊀ 完井与固井 完井和固井质量对于地震监测井十分重要。地 声监测井和地层形变监测井对固井和完井的要求有 所不同。地声监测井完井和固井要求如下： （ １ ）采用直径为 １ ４ ６ １ ８ ０ ｍ ｍ 的无 缝 钢管做 井 管， 井管的连接采用特殊丝扣连接与焊接， 确保井管 内壁连接平滑且密封不渗水； ２ ）在井管与 围 岩 之 间 灌 注 高 标 号 的 水 泥 浆， （ 使井管与围岩固结为一体； （ ３ ）井底介质 应 为 基 岩 或 粘 土 层， 并采用高标 ㊀㊀ 如果信噪比提高一个量级， 即：
２ ㊀ 地震监测钻井设计 １ ㊀ 引言
自汶 川 地 震 和 玉 树 地 震 之 后， 我国更加重视地 震监测与预报研究 工 作， 并进一步加强地震监测台 网的建设与升级。湖北省 “ 十一五” 期 间， 在地震台 网建设方面投入了 近 １亿 的 资 金， 全面提升了地震 台网的软硬件， 对井下地震监测做了重点研究。 新增的地震监测井分为地声观测井和地层形变 观测井两种类 型。 地 声 观 测 井 可 观 测 极 微 震、 超微 震的变化规律； 地层形变观测井可进行地层形变观 测、 地应力测量、 水位、 水温、 地温及地下水化学成分 测量等多种观测项目。 井下地层形变（ 地倾 斜、 体应变等） 观测可以摆 脱地表的天然及 人 为 干 扰， 如 降 雨、 交 通 等 等， 使观 测数据更加真实地反应地层变化情况。 为了 使 地 震 监 测 井 达 到 精 准 观 测 的 目 标， 首先 必须保证 钻 井 的 各 项 技 术 指 标 满 足 地 震 监 测 的 要 求。因此地震监测井的钻井设计和施工工艺直接影 响监测数椐的精度和可信度。 ２ ． １ ㊀ 井孔选址 在选 择 地 震 监 测 井 点 时， 应避开振动源和油田 开采区或工业采水 区， 避开滑坡和易发生洪涝的地 区。一般根据干扰源的特性选取 １ ５ｋ ｍ 的避开距 离。避开距离最小值应达到在深井实地测试时的最 大干扰双振幅要求。 地下流体综合观测井应选在地应力容易集中的 地方。如活动断裂带， 特别是深大断裂带的端点、 拐 点、 交汇点。由于这些断裂带切入地壳很深， 形成了 许多地下水的天然通道， 当巨大块体相对运动时， 断 裂带是地下活动最 剧 烈 的 地 方， 同时也是地下水最 活跃的地方。 地下流体综合观测井还应选在具有一定封闭条 件的承压含水地层。这种含水层受降雨、 蒸发、 渗透 的影响很小， 能客观反映地壳的应变状态。 ２ ． ２ ㊀ 监测井设计 ２ ． ２ ． １ ㊀ 监测井最佳深度 地声监测井的干扰幅度随井孔深度的增加而减 小； 另一方面， 由于 表 层 介 质 的 放 大 作 用， 也使信号 随深度的增加而减小。若干扰和信号随深度的减小
李粮纲， 周 ㊀ 奕， 黎艺明， 王鹏飞， 吴朋青， 邱 ㊀ 敏， 易㊀威
（ 中国地质大学（ 武汉） 工程学院， 湖北武汉 ㊀４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
［ 摘 ㊀ 要］ 采用井下地震仪可监测到许多地面地 震 台 未 记 录 到 的 微 弱 地 震 波； 井下地层形变观测可 以摆脱地表的天然及人为干扰， 使观 测 数 据 更 加 真 实 地 反 应 地 层 变 化 情 况， 可大幅度提高震源定位精 度。本文结合实际工程对地震监测井的设计、 钻井 和 固 井 的 工 艺 技 术 进 行 了 分 析 研 究。 针 对 地 震 监 测 井的特殊要求， Leabharlann Baidu用了钻井综合防斜保直技术和分层注浆固井新工艺， 使所建地震监测 井 的 垂 直 度 和 固 井质量都达到了优良， 为获取精准的地震监测数椐提供了基本保障。 ［ 关键词］ 井下地震监测 ㊀ 钻井 ㊀ 固井 ㊀ 分层注浆 ［ 中图分类号］ Ｐ ６ ４ １ ㊀㊀㊀ ［ 文献标识码］ Ａ ㊀［ 文章编号］ ０ ４ ９ ５－ ５ ３ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５－ ０ ９ ７ ０－ ６
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第 ５期 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ ㊀㊀㊀ 李粮纲等： 地震监测钻井设计及工艺研究 ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ ㊀㊀㊀
都遵从指数规律， 即： Ｓ １ ０ ｈ ＝Ｓ ０ ˑ
－ ｈ λ Ｓ
ｍ ； 号的水泥封底， 井底水泥塞长度为 ３ ５ （ ４ ）固井后先清洗井管， 然后排干井内积水， 最 后用吸水海棉将井内水吸干； （ ５ ）井 口 处 用 高 标 号 水 泥 配 制 混 凝 土 浇 筑 井 ｍ ， 面积约为 ４ ｍˑ ６ ｍ 。 井管高 台， 井台高出地面 ≮１ 出水泥井台面 ０ ． ５ ｍ ， 并在井口标刻方位刻度。 地下流体监测井在完井和固井方面与地声监测 井最大的不同点是： 固井应满足封闭全部非观测层 的要求。即井的上 部 采 用 无 缝 钢 管 做 井 管， 并在井
地质与勘探 第４ ９卷 ㊀ 第 ５期 Ｖ ｏ ｌ ． ４ ９ ㊀Ｎ ｏ ． ５ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ Ｇ Ｅ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ ＹＡ Ｎ ＤＥ Ｘ Ｐ Ｌ Ｏ Ｒ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ ２ ０ １ ３年 ９月 Ｓ ｅ ｐ ｔ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ， ２ ０ １ ３
地震监测钻井设计及工艺研究