22322 (602982), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Низкочастотные сейсмические шумы (НОШ) или микросейсмы обладают информативностью о геологическом строении и могут использоваться для изучения земной коры. Была выявлена четкая связь между величиной периодов микросейсм и мощностью мезозойско-кайнозойских отложений платформенного чехла. При мощности платформенного чехла от 0 до 400 м период микросейсм изменяется от 0,5 до 2,2 с, адекватно реагируя на локальные изменения мощности отложений. Период микросейсм увеличивался от 2,6 до 4,5 с, когда толща отложений плавно увеличивалась от 0,6 до 1,7 км. Эти данные послужили основой для разработки нового способа определения мощности покровных платформенных образований при площадном картировании погребенного фундамента на территории прогибов, впадин, депрессий, а также при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях.

Способность горных пород излучать акустические импульсы используются для получения информации о неоднородности, нарушенности, напряженном состоянием пород, а также о развивающихся в земной коре динамических процессах. На практике широко используется та часть ВСШ, природа которых обусловлена эмиссией упругих волн, возникающих в процессе разрушения объема геосреды. В горных породах при хрупком разрушении сейсмоакустическая эмиссия (САЭ) обусловлена развитием и микро- и макротрещин. По САЭ оценивают удароопасность пород[¹⁴], контролируют состояние массива пород и процессы разрушения. Данные САЭ массива пород используются для определения линейных размеров максимальных трещин и позволяют выявить момент перехода к макроразрушениям в исследуемом блоке породы. Метод на основе изучения спектра сигналов САЭ успешно применяется для прогноза обрушений на калийных рудниках [¹⁵]. Шахтные исследования САЭ соляного массива, после возбуждения среды исполнительным органом (шахтным комбайном) позволили выработать следующие рекомендации по оценке состояния кровли в калийных рудниках (табл. 3)¹⁶.

При исследовании сейсмоакустического критерия выбросоопасности на угольных шахтах было отмечено, что в периоды формирования выбросоопасной ситуации частота спектрального максимума сигналов снижается [¹⁷]. Эти и другие примеры, показывающие возможности регистрации САЭ для решения горно-геологических задач, представлены во многих сборниках научных трудов и монографиях.

В настоящее время в ведущих геофизических службах мира получил распространение шумовой каротаж, основанный на регистрации акустических шумов в полосе частот 20-2000 Гц, создаваемых потоками флюида и газа в условиях перепада давления, вызванного технологическими процессами при эксплуатации скважин. Разработаны методики, скважинная аппаратура и ведутся исследования с целью контроля за разработкой газовых и нефтяных месторождений.

2. Физические основы применения геоакустического каротажа

2.1. Модель акустически активной геосреды

Земная кора является открытой термодинамической системой с иерархически блочным строением и находится в напряженном состоянии под действием внешних и внутренних сил [¹⁸] распределение напряжений зависит не только от действующих нагрузок, но и от степени неоднородности, трещиноватости массивов пород; изменение напряженного состояния пород вызывает их деформацию, приводит к перестройке в контактных поверхностях в системе трещин, к появлению новых дефектов, что сопровождается акустической эмиссией. Такова общая схема процессов.

По существу, это механизм рассеянных разрывов своеобразных наноземлетрясений, который функционирует геологически длительное время даже в тектонически стабильных областях. Но что приводит в действие подобный механизм, почему его эффективность выше в зонах большой нагруженности пород, почему он не подавляется значительным литостатическим давлением на больших глубинах?

Для получения некоторых оценок рассмотрим блочную модель массива горной породы.

По известным критериям прочность тела зависит от числа и размеров дефектов. А эти характеристики в ряде случаев можно определить. Воспользуемся, например, условием Гриффитса для разрывного напряжения при сдвиге:

где G – модуль сдвига;

W – плотность поверхностной энергии;

1 – критическая длина трещины;

μ – коэффициент Пуассона.

Во многих случаях по экспериментальным данным известно распределение трещин по размерам. Часто оно имеет нормальное распределение [¹⁹].

Количество вновь появившихся дефектов определяется формулой:

Отсюда можно оценить число трещин, возникающих в единицу времени:

Тем самым определяется интенсивность акустической эмиссии, сопровождающей образование дефектов.

Т.к. интенсивность акустической эмиссии пропорциональна числу связей или дефектов N в объеме, зависит экспоненциально от энергии активации разрывов при постоянной нагрузке а0 и от отношения действующего переменного напряжения к среднему значению разрывного напряжения, которое в данном случае определено как отношение энергии активации разрывов к структурному параметру, характеризующему перенапряжения на неоднородностях среды .

Этот вывод имеет и практическую значимость. Например, если толща пород охвачена одним режимом нагружения, то зоны с повышенными значениями трещиноватости будут выделяться аномалиями ГАШ, что и наблюдается на практике (рис.1)²⁰. Конечно, возможны случаи, когда трещиноватость увеличивается, а уровень шума не меняется. Согласно предыдущей формуле соответствующая компенсация в потере прочности может осуществляться за счет повышения разрывного напряжения. Наблюдения подтверждают этот вывод (рис.2)²¹.

Эксперименты на образцах горных пород показывают, что с возрастанием всестороннего давления число трещин уменьшается, повышается прочность пород. В реальных условиях в верхней части земной коры наблюдаются существенные отклонения от этих закономерностей, что обусловлено рядом причин, в том числе непрерывными физико-химическими процессами в проницаемых, заполненных флюидами и газами горных массивах. Это проявляется во временных вариациях ГАШ, в том числе и на больших глубинах. Прочность хрупких пород хорошо апроксимируется модифицированным условием Кулона-Мора [²²]:

где - сцепление пород, f - коэффициент трения при сдвиге, - нормальное напряжение и давление в жидкости, заполняющей трещину.

Когда f мало, а и Р близки, что выполняется в замкнутых объемах, то на больших глубинах прочность на сдвиг будет в основном определяться сцеплением пород. Как показывают лабораторные эксперименты, оно растет с давлением, так как с давлением уменьшаются размеры дефектов и увеличиваются упругие модули. Но напряжение на разрыв будет расти только в том случае, когда поверхностная энергия не будет эквивалентно уменьшаться. На самом деле с глубиной флюиды могут понижать свободную поверхностную энергию трещин.

В понижение прочности пород вносят также свои вклад коррозия под напряжением, электрохимические процессы и, наконец, рост температуры с глубиной. Отсюда видно, что в земной коре существуют конкурирующие повышению литостатического давления процессы и пока породы остаются хрупкими, могут существовать условия, при которых естественная геоакустическая активность не подавляется.

2.2. О некоторых механизмах возбуждения геоакустических шумов

При разведке и эксплуатации нефтегазовых залежей в породах-коллекторах, вмещающих толщах, вскрытых скважинами, возникают геоакустические шумы (ГАШ). Они отражают разнообразные и сложные процессы в толще пород, околоскважинном объеме. Правильно л поставленная шумометрия является мощным диагностическим инструментом. Породы в осадочной толще можно рассматривать как систему, включающую твердый скелет и заполняющую по крайней мере, 3-х компонентную среду (нефть, вода, газ), находящуюся в термодинамическом равновесии. Бурение скважин и их использование для извлечения нефти, газа раз личными технологическими приемами приводит к нарушению этого состояния, что сопровождается усилением действовавших и возникновением новых механизмов генерации акустических колебаний, которые регистрируются по разрезам, вскрытым скважинами. Остановимся теперь на физических основах информативности ГАШ. Каждая из компонент составляющих систему (твердый скелет, нефть, вода, газ) может быть источником акустических колебаний.

1.Обратимся прежде всего к твердой части породы. Ее отличительные признаки - дискретная гетерогенная структура с порами, трещинами и напряженное состояние с локальными перенапряжениями на неоднородностях, дефектах. Своеобразие сочетания такой структуры и распределения напряжений приводит к квазистабильному состоянию, к состоянию, когда при литостатических давлениях до 100 МПа и выше, породы реагируют на ничтожно малые деформации порядка 10-7м (земные приливы), 10-10м (собственные колебания Земли) акустической и электромагнитной активностью, что свидетельствует о микроразрушениях, возникновении новых дефектов, трещин. Как показывает шумометрия глубоких и сверхглубоких скважин аномально высокими значениями шума выделяются структуры повышенной нарушенности, трещиноватости и динамической активности. К таким структурам относится большинство пород-коллекторов. Существенную роль в активизации деформационных процессов, а следовательно ГАШ, играет насыщенность пород флюидами, что обусловлено снижением прочности пород за счет уменьшения внутреннего трения, электрохимических процессов и других факторов. Разбуривание нефтегазовых площадей и эксплуатация нефтегазовых залежей нарушает сложившуюся схему распределения давлений, флюида, газонасыщенности пластов, температур. В результате возрастает динамика скелета и, как следствие, проницаемость коллекторов, и акустической шумности, характеристики которой могут нести информацию об эффективности техногенных воздействий. На основе обобщения результатов лабораторных и натурных исследований разработана модель возбуждения ГАШ в дискретной, напряженно-деформированной среде для получения некоторых оценок при воздействии на пласты.

2. Насыщающие пласт флюиды и газы не только влияют на акустическую активность твердой части пласта, но в свою очередь могут генерировать акустические колебания, когда возникает дегазация флюидов и фильтрационный поток становится неустойчивым с пульсациями скорости и давления, что соответствует переходу числа Рейнольдса через критическое значение.

Оно не имеет универсального значения и может находится в пределах от нескольких десятков до тысяч, в зависимости от условий фильтрации и свойств флюида или газа. При, числах Рейнольдса больших критического движение быстро приобретает сложный и запутанный характер со все меньшими масштабами турбулентности, возмущения взаимодействуют друг с другом, приводя как к упрощению, так и усложнению движения. Сейчас нет исчерпывающей теории возникновения турбулентности в различных типах течений. Допускаемые уравнениями движения моды возмущений обладают разными масштабами, т.е. расстояниями, на которых заметно меняется скорость пульсаций. Чем меньше масштаб движений, тем больше градиенты скорости и тем сильнее оно тормозится вязкостью. Остановимся теперь на некоторых параметрах развитой турбулентности, которая может встречаться на практике при затрубных перетоках, негерметичности обсадной колонны, в перфорированных интервалах, в пластах с интенсивным газовыделением. По мере возрастания числа Рейнольдса сначала появляются крупномасштабные пульсации, затем их масштаб уменьшается. Крупномасштабные обладают наибольшими амплитудами. Их скорость сравнима с изменениями Δν средней скорости на протяжении 1 основного масштаба турбулентности. Частоты этих пульсаций имеют порядок V/1. Мелкомасштабные пульсации, соответствующие большим частотам, имеют значительно меньшие амплитуды. Имеется как бы непрерывный поток энергии от малых частот к большим. Этот поток диссипируется в самых высокочастотных пульсациях. Порядок величины пульсации давления в области турбулентного движения . Наряду с пространственными масштабами представляют интерес временные характеристики пульсаций – частоты. Нижний порог частотного спектра турбулентных движений находится на частотах V/1, верхний определяется частотами

где - λ0 внутренний масштаб турбулентности, который определяет порядок величины масштабов наиболее высокочастотных пульсаций в потоке. Приведенные здесь общие характеристики турбулентного потока раскрывают один из механизмов генерации колебаний в околоскважинной среде и тем самым диагностические возможности ГАШ.

3. Теперь о механизме, связанном с дегазацией флюида. Если пластовое давление совпадает с давлением насыщения флюида газом, то жидкость находится в насыщенном состоянии. Движение газожидкостных систем в пористой среде сопровождается фазовыми переходами, которые влияют на характеристики фильтрации. Фазовые переходы происходят при изменении давления (процесс изотермический). Движение выделенного объема жидкости в пористой среде связано с изменением давления в нем и, соответственно, происходит выделение газа из жидкости. Темп изменения давления, а значит, и темп выделения газа, зависит от скорости движения в коллекторе. Давление может изменяться также в каждой точке во времени. В общем случае для одномерного потока:

Из термодинамики известно, что процесс фазовых превращений можно считать равновесным, если . При больших значениях процесс неравновесный и количество новой фазы определяется не только значением давления, но и скоростью его изменения. Для нефтегазовых систем неравновесный характер фазовых превращений проявляется при

Рассматривая радиальный поток, получим, что наибольшее значение имеет вблизи скважины, т.е. в призабойной зоне может быть неравновесный процесс разгазирования нефти, порождающий упругие колебания. В процессе дегазации также выделяют докавитационный (пульсация пузырьков преимущественно без схлопывания) и кавитационный режимы. Процесс дегазации происходит вплоть до установления нового значения равновесной концентрации. Практически всякая жидкость содержит газ в растворенном виде и в виде пузырьков. Растворимость основного компонента природного газа - метана в пластовой воде во много раз меньше его растворимости в нефти. При больших гидростатических давлениях, количество растворенного газа в нефти в 10-100 раз больше, чем в воде. Поведение жидкости и газа можно оценить на примере одиночного пузырька. В жидкости, находящейся под давлением Р0, на пузырек газа радиусом г действуют следующие силы: гидростатическое давление Р0,силы поверхностного натяжения , стремящиеся сжать, и давление газа Рг, пара Рп, противостоящие сжатию.

Результирующее давление:

Р = Рг + Рп – Р0 – 2

При Р>0 увеличиваются, а при Р<0 уменьшаются размеры пузырька. При достаточном количестве маленьких пузырьков газа, дегазация жидкости может происходить за счет их слияния. В зависимости от газового фактора, вязкости, поверхностного натяжения и сжимаемости нефти могут дегазироваться как лучше, так и хуже воды. Большую роль играет разность пластового давления P0 и давления насыщения. Если эта разность соответствует давлению метастабильной зоны, то дегазация и кавитация в нефти возможны при малой интенсивности сторонних воздействий. Рассмотренные процессы имеют нестационарный, колебательный характер, являются физической предпосылкой большого информативного потенциала ГАШ для решения наиболее существенных и сложных задач на всех стадиях геологоразведочных и эксплуатационных работ.

2.3. Аппаратура

BN-4002D - регистратор акустических шумов в скважинах с выводом сигналов в цифровом виде для оперативной обработки и визуализации данных на персональном компьютере NOTE BOOK в процессе измерений.

Аппаратура РДА-3 (регистратор динамической активности трехкомпонентный) с чувствительностью, позволяющей регистрировать сейсмоакустический отклик геосреды на деформации порядка 10-7 – 10-11 м, была разработана в Институте геофизики УрО РАН В.А.Фадеевым. (Рис. 3)²³.

Аппаратура РДА-3 состоит из скважинного прибора и наземного пульта. В скважинном приборе размещены: пъезодатчики-акселерометры (вертикальный и два горизонтальных, расположенных под углом 90°) предварительный усилитель, калибровочный генератор, коммутационное устройство и стабилизатор питания. Скважинный прибор соединяется с наземным пультом трехжильным бронированным каротажным кабелем, по которому осуществляется питание прибора, управление режимами его работы и передача информации.

Предусмотрено три режима работы скважинного прибора:

• регистрация сигналов с последовательным опросом датчиков X,Y,Z;

• калибровка электрического тракта канала;

• контроль уровня собственных шумов электрического тракта. В скважинном приборе установлены пьезодатчики, имеющие одинаковый коэффициент преобразования в пределах 5-10 мкВ с/мм.

Акустические сигналы поступают в наземный пульт через блок управления режимами работы аппаратуры и после усиления могут разделятся фильтрами на три полосы частот: 20-100 ; 100-500 и 500-2000 Гц. В автоматическом режиме измерения могут проводится в любом из пяти временных циклов: 20; 10; 5; 2.5 и 1.25 минуты. За цикл измерения наблюдается прохождение режимов от записи калибровочного сигнала до регистрации ГАШ вертикальным датчиком Z. Для любого из пяти временных циклов соотношение по времени следующее:

Тк: Тш: Тх: Ту: Tz = 1: 1: 6: 6: 6,

то есть длительность измерения компонент (Tx, Ty, Tz) в 6 раз больше контрольно-проверочных параметров.

Аппаратура РДА-3 позволяет проводить измерения в скважинах при давлении свыше 60 МПа и температуре до +125 °С.

Заключение

Целесообразность применения данного метода в геофизике позволят решать проблемы самого разного характера.

Изучение характеристик техногенных сейсмических шумов (ТСШ) необходимо, прежде всего, для разработки методик исключения их влияния или учета в случае невозможности подавления шумов аппаратурными средствами. Информация об амплитудных, частотных и временных характеристиках ТСШ, традиционно рассматриваемых как помехи, позволяет оценить не только уровень шумов экзогенного происхождения, но может использоваться при изучении природы сейсмоакустических шумов Земли.

Актуальность проблемы изучения сейсмоакустических шумов (САШ) Земли обусловлена получением принципиально новой информации о геологическом строении земной коры, характере протекающих в ней процессов и их активности, в также выявлением возможностей практического использования шумов при решении задач рудной и нефтяной геофизики.

По сейсмоакустической эмиссии (САЭ) оценивают удароопасность пород, контролируют состояние массива пород и процессы разрушения. Метод на основе изучения спектра сигналов САЭ успешно применяется для прогноза обрушений на калийных рудниках. При исследовании сейсмоакустического критерия выбросоопасности на угольных шахтах было отмечено, что в периоды формирования выбросоопасной ситуации частота спектрального максимума сигналов снижается. Эти и другие примеры, которые показывают, что возможности регистрации САЭ могут успешно применяться для решения горно-геологических задач.

В настоящее время в ведущих геофизических службах мира получил распространение шумовой каротаж. Разработаны методики, скважинная аппаратура и ведутся исследования с целью контроля за разработкой газовых и нефтяных месторождений.

Список литературы

Монахов Ф.И. «Низкочастотный сейсмический шум Земли». М., Наука, 1997.

Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли». М., ВНИЦПИ, 1984.

Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Аппаратура и методы для исследований слабых сейсмических эффектов» М., 1978 – Деп. ВИНИТИ, № 2919.

Каррыев Б.С. «Исследования высокочастотных сейсмических шумов Ашхабадского сейсмоактивного района». Автореферат. М., ИФЗ АН СССР, 1984.

Дьяконов Б.П., Иваев А.Т., Улитин Р.В. «Об усилении циклических изменений физических характеристик горных пород в земной коре» Докл. АН СССР, 1985. Т. 282. Н.

Сероглазов Р.Р. «О воздействии короткопериодных деформаций на высокочастотные микросейсмы. Вулканология и сейсмология». 1993.

Черепанцев А.С. «Связь параметров высокочастотного сейсмического излучения с динамикой геофизической среды» Автореферат. Кондидатская диссертация. М. МГУ. 1991.

Гордеев Е.Н., Салтыков В.А., Синицин В.И., Чебров В.Н. «Первые результаты исследования высокочастотного сейсмического шума на Камчатке. Вулканология и сейсмология». 1991.

Гальперин Е.Н., Ситников А.В., Кветинский С.И. Опыт и результаты экспериментального изучения высокочастотных сейсмических шумов. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989.

Дергачев А.А., Данциг Л.Г., Бортников П.Б. Сейсмические шумы в районе Новосибирска. Геология и геофизика. 1984.

Коридалин В.Е., Кузьмина И.В., Осика В.И., Попов Е.И., Токмаков В.А. Сейсмические шумы индустриального города. Докл. АН СССР 1985. Т. 280. № 5.

Агиенко В.А., Турок В.А., Мелузин А.А., Юрьев А.В. Контроль сейсмоакустической эмиссии удароопасного участка горных пород СУБРа. Сб. Геофизические основы контроля напряжения в горных породах. Новосибирск. 1983.

Медведев И.И., Жихарев С.Я. Прогноз обрушений на калийных рудниках с помощью сейсмоакустического метода. Сб. Горная геофизика. Батуми.1985.

Векслер Ю.А., Шакиров А.Т., Лагутин С.В., Бекбулатов Т.А. Критерий оценки выбросоопасных угольных пластов. Сб. Горная геофизика. Тбилиси. 1989. ч.1.

Бакланов И.В. «Деформирование и разрушение породных массивов». М.Недра.1988.

Алексеев А.Д., Недодаев Н.В. «Предельное состояние горных пород». Киев, Наукова Думка, 1982.

Борисов А.А. «Механика горных пород и массивов». М., Недра, 1980.

Приложение 1

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Рекомендации по оценке состояния кровли в калийных рудниках

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ronl.ru

1 Монахов Ф.И. «Низкочастотный сейсмический шум Земли». М., Наука, 1997 – с. 96.

2 Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли». М., ВНИЦПИ, 1984 – с.14-18.

3 Рыкунов Л.Н., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. «Аппаратура и методы для исследований слабых сейсмических эффектов» М., 1978 – Деп. ВИНИТИ, № 2919 – с. 48, 78.

4 Каррыев Б.С. «Исследования высокочастотных сейсмических шумов Ашхабадского сейсмоактивного района». Автореферат. М., ИФЗ АН СССР, 1984 – с. 23.

5 См. приложение 1.

6 Дьяконов Б.П., Иваев А.Т., Улитин Р.В. «Об усилении циклических изменений физических характеристик горных пород в земной коре» Докл. АН СССР, 1985. Т. 282. Н. С. 34 – 37.

7 Сероглазов Р.Р. «О воздействии короткопериодных деформаций на высокочастотные микросейсмы. Вулканология и сейсмология». 1993. с. 69 – 75.

8 Черепанцев А.С. «Связь параметров высокочастотного сейсмического излучения с динамикой геофизической среды» Автореферат. Кондидатская диссертация. М. МГУ. 1991 с.44.

9 Гордеев Е.Н., Салтыков В.А., Синицин В.И., Чебров В.Н. «Первые результаты исследования высокочастотного сейсмического шума на Камчатке. Вулканология и сейсмология». 1991. с. 104 – 111.

10 Гальперин Е.Н., Ситников А.В., Кветинский С.И. Опыт и результаты экспериментального изучения высокочастотных сейсмических шумов. Изв. АН СССР. Физика Земли. 1989. с. 99 – 109.

11 Дергачев А.А., Данциг Л.Г., Бортников П.Б. Сейсмические шумы в районе Новосибирска. Геология и геофизика. 1984. с. 77 – 80.

12 Коридалин В.Е., Кузьмина И.В., Осика В.И., Попов Е.И., Токмаков В.А. Сейсмические шумы индустриального города. Докл. АН СССР 1985. Т. 280. № 5. с. 1094 – 1097.

13 См. приложение 1.

14 Агиенко В.А., Турок В.А., Мелузин А.А., Юрьев А.В. Контроль сейсмоакустической эмиссии удароопасного участка горных пород СУБРа. Сб. Геофизические основы контроля напряжения в горных породах. Новосибирск. 1983. с 73 –76.

15 Медведев И.И., Жихарев С.Я. Прогноз обрушений на калийных рудниках с помощью сейсмоакустического метода. Сб. Горная геофизика. Батуми.1985. с. 265.

16 См. приложение 1.

17 Векслер Ю.А., Шакиров А.Т., Лагутин С.В., Бекбулатов Т.А. Критерий оценки выбросоопасных угольных пластов. Сб. Горная геофизика. Тбилиси. 1989. ч.1. с. 42- 44.

18 Бакланов И.В. «Деформирование и разрушение породных массивов». М.Недра.1988.

19 Алексеев А.Д., Недодаев Н.В. «Предельное состояние горных пород». Киев, Наукова Думка, 1982, с. 197.

20 См. приложение 2.

21 См. приложение 2.

22 Борисов А.А. «Механика горных пород и массивов». М., Недра, 1980.

23 См. приложение 2.

Характеристики

Список файлов курсовой работы