Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исторический очерк и физические основы метода . 13
1. Подходы к описанию явления образования и распространения упругих волн от источника давления в трубах и скважинах с жидкостью 13
2. Реальные ситуации: а) источник колебаний внутри неглубокой водонаполиенной скважины ; б) источник вне скважины 22
3. История практического взгляда на поле упругих волн в водонаполиенной скважине (НВС) 39
Выводы 43
Глава 2. Экспериментальные исследования электроискрового источника в НВС . 45
1. Механизм возникновения упругих колебаний при электрическом разряде в скважине 45
2. Методика экспериментов и экспериментальные исследования 60
3. Зависимость упругих параметров импульсов давления от электрических параметров разрядной цепи, конструкций излучателя и условий возбуждения 71
Выводы 96
Глава 3. Аппаратура для скважинных исследований с электроискровым источником упругих волн . 97
1. Электроискровой источник для скважинных исследований 98
2.Излучатели 102
3. Приемные устройства 107
4. Вариант комплекса аппаратуры для работы в НВС 112
Выводы 114
Глава 4. Волновое поле электроискрового источника при каротажных наблюдениях и межскважинных просвечиваниях в реальных средах и при физическом моделировании . 115
1. Сравнительные кинематические и динамические характеристики объемных волн и гидроволн в реальных средах. Влияние жесткости разреза 117
2. Поглощение объемных волн и гидроволн 137
3. Влияние обсадки 158
4. Волновое поле в среде страницами. Вторичные волны 159
5. Волны- помехи 188
6. "Зона захвата" гидроволн, информационный радиус исследований . 192
7. Волновое поле в скважине без источника - межскважинные просвечивания 197
Выводы 206
Глава 5. Применение сейсмоакустических исследований в НВС при решении геологических и геотехнических задач . 208
1. Изучение скоростного строения приповерхностного разреза в целях нефтяной сейсморазведки 208
2. Определение прочностных и деформационных характеристик массива грунтов, закрепленного грунтоцементными сваями 210
3. Изучение массива песчано-глинистых пород под крупным сооружением 234
Заключение 264
Список литературы 267
- Реальные ситуации: а) источник колебаний внутри неглубокой водонаполиенной скважины
- Методика экспериментов и экспериментальные исследования
- Вариант комплекса аппаратуры для работы в НВС
- "Зона захвата" гидроволн, информационный радиус исследований
Реальные ситуации: а) источник колебаний внутри неглубокой водонаполиенной скважины
Интерес к волнам давления в трубах, заполненных жидкостью, имеет давнюю историю и охватывает широкие сферы человеческой деятельности, которые включают в себя, например, такие далекие друг от друга области как техника водоснабжения, робототехника с гибкими гидравлическими связями, скважинная геофизика, гидродинамика кроветока с пульсовой диагностикой.
Далее в каждой области возникают свои специфические условия -размеры трубы, свойства ее стенок, свойства окружающего пространства, свойства заполняющей жидкости, параметры и режим работы источника волн и т.д. Несмотря на это, и поскольку интерес к волнам в трубах в разных областях возникал не одновременно, практически до настоящего времени ученые не оставляют попыток создать максимально общую теорию этого явления.
Задачей этой главы является краткое рассмотрение исторически сложившихся взглядов на волны в трубах применительно к ситуации в водонаполненной скважине и выделение той области существующих теоретических построений, которую можно использовать для дальнейшего извлечения геолого-геофизической информации из результатов натурных наблюдений.
Подходы к описанию физики явления образования и распространения упругих волн от источника давления в трубах и скважинах с жидкостью.
Рассмотрение явления передачи давления в скважинах как в трубах, в том числе и с бесконечно толстыми упругими стенками, и рассмотрение этого процесса как специфической волны, существующей благодаря наличию контакта «жидкость - твердое тело», определили первую точку ветвления теории - принципиально два разных направления описания явления.
Более 100 лет назад Релей разработал классическую теорию распространения волн в трубах [86]. Лэмб исследовал влияние упругости стенок на распространение звуковых волн [75,112] и решил статическую задачу для трубы с бесконечно толстыми стенками [112]. Выведенная для последнего случая и широко известная формула для скорости распространения звука имеет ключевое значение для дальнейшего использования в исследовании скважин, поскольку скорость распространения волны давления в трубе с бесконечно толстыми стенками (прямой аналог скважины в массиве пород) определяется свойствами заполняющей скважину жидкости и, что самое важное для скважинных исследований, сдвиговой характеристикой околоскважинного пространства:
Другой путь теоретических исследований - рассмотрение волновых явлений на границе «жидкое - твердое». Классическими исследованиями для плоского случая здесь являются работы Стоунли [122, 123]. Важнейший вывод Стоунли состоит в том, что на границе двух сред возникает волна, существование и свойства которой определяются не каждой средой в отдельности, а лишь существованием контакта - их взаимодействием. При этом скорость распространения специфической волны поверхностного типа по приконтактной области будет меньше, чем скорость распространения продольных волн в каждой из сред. Волнам Стоунли посвящена большая литература теоретического и экспериментального направлений (например 119, 124-126). Общее желание исследователей - использовать характеристики волн для получения характеристик донных осадков.
При попытках перейти от плоского случая к ситуации в скважине немедленно возникает ряд принципиальных и трудноразрешимых вопросов. Первый из них - вопрос о типе источника колебаний - как правило, решается в пользу точечного источника типа центра расширения, либо в пользу плоской волны. Далее возникает вопрос о сочленении имеющихся решений, либо о получении новых решений для декартовых координат пространства, сферической симметрии источника и аксиальной симметрии скважины в цилиндрических координатах. Для развития того или иного теоретического направления ключевым вопросом будет соотношение длин волн и диаметра скважины, поскольку в пределе kid - 0 задача сводится к теории волн Стоунли, а на противоположном конце оси kid —» оо к чисто статическому "трубному" случаю. Классической теорией высокочастотных гидроволн является работа Био [93]. В ней исследовано влияние аксиальной симметрии на волны Стоунли, исходя из волнового уравнения для потенциала смещения в жидкости в цилиндрических координатах: dVa +l/r dcp/Sr + dVfe2 = 1/С2 tfyldt2, (1.3) где С -скорость упругих волн в неограниченной жидкости; г - радиальная координата; z- вертикальная координата, направленная по оси скважины.
Решение для случая гидроволн - волн давления в заполняющей скважину жидкости, которые Био называет волнами Стоунли, - было записано в виде : фазовая скорость гидроволны. Далее, исходя из граничных условий на стенке скважины, получается довольно сложное уравнение для скорости распространения гидроволны. Анализируя полученный результат, Био сделал важный вывод: в отличие от волн Стоунли в плоском случае, волны в скважине (гидроволны) обладают аномальной дисперсией. В случае увеличения частоты фазовая скорость гидроволн стремится к значению скорости волн Стоунли в плоском случае, зато с уменьшением частоты фазовая скорость гидроволн стремится к горизонтальной асимптоте, определяемой выражением: V = C0/(l+poCo2/u)1/2 (1.5) Это выражение соответствует приведенным ранее результатам Лэмба и Н.Е. Жуковского.
В работе [88] проведен анализ дисперсионных кривых Био в зависимости от трех основных параметров: VS]/Co , po/pi (pi- плотность околоскважинного пространства) и коэффициента Пуассона околоскважинного пространства v. Автор этой работы отметил, что при соотношении длины волны и диаметра скважины A/d 5 дисперсия при любых соотношениях трех указанных параметров практически отсутствует и гидроволны идентичны волнам, изучаемым в классической теории гидроудара. Отсюда автором работы [88] сделан вывод, что при низкочастотном (X,/d 5), например, электроискровом возбуждении отсутствует частотная дисперсия гидроволн и для извлечения информации о модуле сдвига околоскважинного пространства пригодно решение Лэмба (1.1).
Методика экспериментов и экспериментальные исследования
В любом случае следует ожидать, что начальная часть импульса Р(т) должна подвергаться гораздо меньшим вариациям, поскольку она формируется на временном интервале 0,1-0,2 от общего времени развития гидродинамических процессов, возникающих при разряде. Последующие части кривой P(t) должны быть более подвержены изменениям из-за нарушения устойчивости формы парогазовой полости при ее свободных колебаниях.
Подобные эффекты наблюдаются при экспериментах в свободной жидкости и настолько сильны, что часть кривой P(t) в области после первого цикла пульсации парогазовой полости обычно не рассматривается.
Влияние суммарных эффектов, приводящих к вариациям параметров упругих импульсов, показано на рис.2.16 а,б. В этих экспериментах стабильность напряжения заряда поддерживалась с точностью 5%, длины межэлектродного промежутка - 10%. Экспериментальные зависимости находятся в согласии с ожидаемыми закономерностями. В целом стабильность возбуждаемых колебаний тем выше, чем выше напряжение заряда. После 3-6 последовательных воздействий разброс в форме кривых P(t) снижается в 2-3 раза по отношению к первому возбуждению.
В целом, вариации вышеперечисленных факторов в пределах 5 - 10 % не приводят к такой нестабильности импульсов давления, когда существенно меняется интенсивность и спектральный состав колебаний и в процессе работы нельзя отделить эффекты связанные с работой источника от изучаемых эффектов, связанных со свойствами и строением разреза.
При переходе к более низким напряжениям разрядов, что оправдано требованиями техники безопасности, живучести электродов и т.д. бороться с указанной нестабильностью можно даже малым числом синхронных накоплений. A, MB
Рис. 2.16 Серия импульсов давления, зарегистрированная при неизменных параметрах и условиях разряда. а) при напряжении разряда 1 5 кВ; 6) при напряжении 5 кВ. 2.3.5 Зависимость интенсивности и формы возбуждаемых колебаний от энергии разряда.
Качественные закономерности вида кривой P(t) можно предсказать на основе известных сведений о форме упругой волны, возникающей при физическом взрыве в безграничной однородной жидкости с учетом результатов влияния твердой плоской границы вблизи источника [65]. Согласно решению Рэлея избыточное давление AP(r,t) равное P(r ,t)-P0 (где Ро - статическое давление в точке расположения колеблющейся полости, P(r,t)- абсолютное давление на расстоянии г от центра полости в безграничной жидкости), описывается выражением d (. ,Ї 1 JaY
На расстояниях г \0амакс вторым членом в (2.3) можно пренебречь с точностью до сотых долей процента. Тогда в дальней зоне форма P(r,t) должна иметь классический вид цуга узких импульсов с положительным избыточным давлением Р+, разделенных в 3-5 раз более широкими областями отрицательного избыточного давления Р". Все импульсы Р+, кроме первого, связаны с процессами свободных колебаний полости после «мгновенного» выделения энергии в момент t—0. При наличии свободных поверхностей вблизи пульсирующей парогазовой полости сферический характер гидродинамических потоков нарушается и, как предсказывает теория, все импульсы Р+ , кроме первого (вынужденного), должны падать по амплитуде при одновременном увеличении периода свободных колебаний полости. Парогазовые полости, возникающие в механически жестких цилиндрических оболочках, возбуждают импульсы давления P(t), качественный характер поведения которых соответствует упрощенной теоретической модели. Вследствие того, что скорость расходящихся потоков жидкости падает пропорционально (а/г) при радиусе цилиндрической оболочки гц (5 -10)алшкс, свободные колебания полости развиваются почти как в свободном пространстве. При г (\-2)аиакс амплитуды, как показывают эксперименты, падают в 10-20 раз. При этом меняется соотношение между Р+ и Р": амплитуда первого пика Р" возрастает в 2-3 раза [34].
Можно ожидать, что такого рода качественные и количественные закономерности будут наблюдаться и в скважинах. Следует иметь в виду, что конкретная форма возбуждаемого импульса P(t) в цилиндрической оболочке чувствительна к смещению центра полости относительно оси оболочки.
Внешнее поле мощных источников. Реальные импульсы, полученные при возбуждении мощным источником в скважине и регистрации в соседней скважине (схема измерений описана в разделе 2.3.1), представлены на рис.2.17а,в.
Спектральные характеристики S(a ) импульсов Р(t)-давления и U(t)-скорости смещения для мощных источников представлены на рис.2.17 б,г. При вычислении спектров проводилась предварительная корректировка соответствующих кривых таким образом, чтобы S(0)=0. Необходимость такой корректировки следует из того, что постоянная составляющая P(t) и U(t) в сферической волне принципиально равна нулю. Кроме того, частотная характеристика пьезоприемника Кр(0)=0 и сейсмоприемника Ки(0)=0. Таким образом, при со - 0 S( со) убывает пропорционально со2 или быстрее [34]. В целом спектральные характеристики S(a ) для PQ)K U(t) во всем диапазоне исследуемых параметров электроискрового источника сохраняют вид, подобный представленному на рис. 2.17. Спектральные кривые S(& ) имеют осциллирующий характер с максимальным экстремумом в области низких частот и закономерным уменьшением последующих экстремумов. Кривые S(& )B известной степени напоминают S(co) для импульсов прямоугольной или треугольной формы с тем отличием, что S(0) = 0, и частными особенностями в пределах отдельных лепестков. Полоса частот A/ =fg -fн , определенная по уровню 0,707 от максимума S(fB)=S(iH)=0,707 SMaKC ,будет соответствовать диапазону 40-160 Гц для всех использованных в эксперименте с мощными источниками значений C,U,W. На рис. 2.18 представлена область значений, в пределах которой могут варьировать значения fB и ін как функции энергии W
Вариант комплекса аппаратуры для работы в НВС
Особенный интерес с точки зрения изучения характеристик разреза представляет совместный анализ параметров прямых объемных волн и гидроволн.
Современная тенденция в сейсморазведке к использованию волн разных типов для решения поставленной задачи (многоволновая сейсмика) практически не оставляет места для традиционных волн-помех. Все они должны быть изучены и привлечены к использованию. В этом смысле низкочастотные гидроволны не являются исключением. Довольно сложная волновая картина с помощью методических приемов ее получения и средств обработки может быть расчленена на отдельные волны или волновые пакеты, характеристики которых несут сведения о строении и состоянии околоскважинного пространства.
В качестве примера приведен опыт исследований с электроискровым источником малой мощности в водонаполненных скважинах на территории Москвы, целью которых было изучение карстово-суффозионных процессов. Несмотря на чрезвычайную сложность волновой картины, в ней выделяются две устойчивые компоненты: прямая продольная волна и гидроволна. Кинематика прямой продольной волны позволяет так же, как и в случае акустического каротажа, расчленить разрез по скоростям продольных волн. Частотный состав продольной волны (центральная частота спектра в среднем около 700 Гц) при скоростях продольных волн 1500-3000 м/с обеспечивает захват волной прискважинной зоны радиусом не менее 2 м (подробно вопрос об информативном радиусе исследований обсуждается ниже), т.е. порядка длины волны, что снижает влияние разрушенного приствольного кольца на результаты измерений.
Для доказательства этого положения были проделаны специальные эксперименты в породах с различными зонами разрушения, возникшими в результате бурения, - рыхлых песках и плотных песчаниках. Существенного влияния разрушенной зоны на кинематику и динамику волны не было замечено.
Анализ динамики прямой продольной волны показал, что ее интенсивность и форма чувствительны к свойствам пород, находящихся вблизи источника возбуждения. Так, при переходе от песков мелового возраста к четвертичным амплитуда возбуждаемой волны уменьшилась более чем впятеро. При этом вдвое уменьшилась центральная частота спектра этой волны (табл. 4.1.).
Опираясь на скорость гидроволны, в принципе возможно расчленять разрез непосредственно по модулю сдвига. Динамика гидроволн оказалась не менее чувствительной к упругим свойствам пород в области возбуждения, чем динамика прямой продольной волны. В частности, изменение интенсивности гидроволны в терригенно-карбонатном разрезе доходит до 10 раз и более. Спектральный состав гидроволны реагирует на изменение как свойств пород вблизи источника колебаний, так и на пути ее распространения, но в меньшей степени, чем аналогичная характеристика продольной волны.
В табл. 4.1. обобщены экспериментальные данные для шести разностей пород, типичных для московского разреза до глубин порядка 100 м. Каждый из приведенных типов пород можно охарактеризовать шестью независимыми измеренными характеристиками волнового поля, которые прямо или косвенно, количественно или качественно указывают на физические свойства и физическое состояние породы в естественном залегании. Сравним относительную чувствительность полученных параметров волнового поля. Скорость продольных волн Vp в пределах представленных разностей пород изменяется в 1,6 раза. Очевидно, что значение 1500 м/с для скорости продольной волны в доломитах Сзп и интервала глинисто-карбонатной толщи Сз говорит о сильной разрушенности пород. Если судить только по этому параметру, то карбонаты Сз« окажутся «слабее» соседних с ними юрских глин, однако высокие значения амплитуд волн и в шесть раз более высокие значения модуля сдвига указывают на наличие твердого скелета в карбонатах, хотя значение р. =1,8 10" н/м на порядок меньше справочных значений для доломита. Следовательно, напрашивается вывод о его высокой степени разрушенности.
Наблюдения в глинах Ізсі-ох дают значения скорости продольных волн 1900 м/с - практически максимальное для подобных пород, а также для приповерхностных суглинков Qj_n . Эти же глины и суглинки почти не различаются по амплитуде возбуждаемых колебаний. Однако центральная частота возбуждаемых колебаний в юрских глинах втрое превышает центральную частоту продольных волн в четвертичных суглинках. По скорости гидроволн эти породы различаются вдвое, а по модулю сдвига - в 5 раз. Последнее обстоятельство указывает на большую степень уплотненности и однородности юрских глин в сравнении с четвертичными суглинками. При этом следует подчеркнуть, что по результатам стандартного сейсмического каротажа, использующего только времена первых вступлений, эти отложения трудноразличимы. То же самое можно сказать и о соседних по глубинам отложениях песков мелового и четвертичного возраста. Скорость продольных волн указывает лишь на их общие свойства - водонасыщенность и неконсолидированность. С другой стороны, эти породы резко различаются ( более чем в 6 раз) по амплитуде возбуждаемых в них колебаний и вдвое по центральной частоте продольных волн. Это скорее всего можно объяснить различной степенью уплотненности песков и различным гранулометрическим составом. Низкие значения модуля сдвига для обеих разностей говорят о слабом сцеплении между зернами.
Другим примером совместного использования характеристик продольной волны и гидроволны являются результаты работ в разрезе Калининградской области.
На рис. 4.10 представлены графики скоростей продольных и гидроволн для двух скважин, расположенньк на расстоянии друг от друга 500 м. Подошва зоны малых скоростей, имеющей градиентный характер, располагается на глубине около 10 м. В интервале глубин 25-30 м выделяется слой со скоростью выше 2000 м/с. В данном случае важную информацию несут графики амплитуд продольной и гидроволн, представленные на рис. 4.11. Соотношение амплитуд прямой волны и гидроволны является хорошим картировочным параметром водонасыщенности. В случае неводонасыщенньгк песков или глин отношение Ар/А г (с учетом соответствующей поправки за расхождение) не превышает 1. Для водонасыщенных пород с высокой проницаемостью это отношение всегда больше 1. На скважине 1 граница водонасыщенности располагается на глубине около 40 м, а на скв.2 - на глубине около 30 м. Таким образом, с учетом расстояния между скважинами, можно говорить о наклонной под углом 1 границе водонасыщения.
"Зона захвата" гидроволн, информационный радиус исследований
Анализ скоростных кривых продольных волн в трех наблюдательных скважинах показывает, что среднее значение скорости продольных волн во всех трех скважинах близко к 1600 м/с. Интервал с наибольшими значениями скорости в 2000м/с и более расположен в скважине «а» между 4 и 7 метрами по глубине. Наименьшие значения скорости 1300 м/с относятся к первому метру и призабойной части скважины «а». В скважине «в» интервалы с минимальными значениями скорости также относятся к верху и низу обследованного интервала. В скважине «с» значения скоростей продольных волн близки к среднему значению.
Разрезы по скоростям сдвиговых волн показывают, что контрастность по интервальным сдвиговым скоростям выражена так же.
Необходимо отметить, что значения скоростей продольных Vp и поперечных (сдвиговых волн) Vs между собой плохо коррелированы. Максимальные значения отношений Vs/Vp приурочены к интервалам с минимальными значениями скоростей продольных волн Vp и наоборот.
Межскважинное сейсмоакустическое просвечивание.
Сейсмическая томография межскважинного пространства находит широкое применение при решении разнообразных геологических и инженерно-геологических задач, связанных со строением и свойствами верхней части разреза. С физической точки зрения точность томографических построений при решении обратной задачи определяется контрастностью скоростного разреза. Известно, что точность определения упругих свойств в плоскости двух скважин возрастает по мере уменьшения скоростной контрастности и уменьшения изменчивости упругих свойств в направлении, нормальном к изучаемой плоскости, т.е. принимается, что упругие свойсгва являются функциями X,Z в координатной плоскости, проходящей через каждую пару скважин.
В рамках двумерной томографии изучение среды в межскважинном пространстве проводится путем измерения времен пробега прямых проходящих волн по системе NxM лучей, где N - число пунктов возбуждения, располагаемых последовательно вдоль скважины, а М - число пунктов приема, расположенных в соседней скважине. Шаг между последовательными пунктами возбуждения и приема выбирается, исходя из спектрального состава регистрируемых колебаний, инструментальной точности измерения времен пробега, а также величин корреляционных погрешностей, возникающих при измерении времен пробега проходящих волн. Как правило, именно последними погрешностями определяется точность отсчета времен. Корреляционные погрешности достигают наибольшего значения в случаях, когда изучаемая среда имеет четкую слоистую структуру, и весьма часто первыми оказываются не проходящие, а преломленные волны от выше- и нижележащих границ. В случае массива, закрепленного грунтоцементными сваями предположение о горизонтально-слоистой модели среды маловероятно.
Напротив, в условиях приповерхностной части разреза, наличия техногенного слоя со сложным рельефом подошвы и вертикальных новообразований сложной формы, можно предполагать большую изменчивость и неоднородность в горизонтальном направлении на всех глубинах обследуемого интервала. То есть, априорная модель среды для восстановления ее скоростного строения по продольным волнам наиболее благоприятна для межскважинных просвечиваний.
Для проведения сейсмоакустических исследований на объекте Бахаревка был использован тот же комплект аппаратуры на базе электроискрового источника упругих волн, который применялся при каротажных измерениях.
Методика просвечиваний состояла в следующем. Источник и приемник перемещались вдоль скважины с шагом 1 м. При каждом положении источника в одной скважине приемная пьезокоса перемещалась в другой скважине в интервале глубин от 1 м до забоя.
С такой методикой были отработаны все доступные интервалы скважин «а», «в» и «с». Схема лучей, по которым проводились последующие построения приведена на рисунке 5.6.
Пример монтажа волнового поля при размещении источника и приемника на одинаковых глубинах в двух соседних скважинах («параллельная проегрелка»)приведен на рисунке 5.7. На рисунке 5.8 приведен пример монтажа волнового поля при неподвижном источнике в одной скважине и перемещающемся приемнике в соседней скважине («косая прострелка»).
Обработка данных межскважинного просвечивания. Основным этапом обработки данных межскважинного просвечивания является измерение времен прихода проходящих продольных волн. В условиях высокого отношения сигнал/шум инструментальная погрешность измерения прихода волн не превышает 0.05 мс. Анализ показал, что влияние поглощения и относительно высокого уровня шума в условиях действующей строительной площадки приводит к увеличению погрешности в определении времен
Схема лучей пробега волн от источников к приемникам при межскважинном просвечивании. вступления до 0.2 мс, а корреляционные погрешности для отдельных лучей, в основном горизонтальных, могут быть даже больше на базах до 10-12 метров.
Собственно обработка времен пробегов по лучам состоит в решении систем уравнений лучей и получении значений скоростей продольных волн в межскважинном пространстве, разбитом на большее или меньшее число клеток в координатах [X,Z] - томографическое обращение поля времен пробегов в поле значений скоростей.
