Содержание к диссертации
Введение
1. Методы геоконтроля массивов горных пород 8
1.1.Общая характеристика изучаемых объектов 8
1.2.Методы изучения физико-механических и реологических свойств горных город 12
1.3.Численные методы математического моделирования 29
1.4.Теоретические исследования природы поглощения 32
1.5 Способы экспериментального определения коэффициента затухания 42
1.6.Точность и представительность экспериментальных оценок коэффициента затухания 46
1.7.Анализ волновой картины и природа регистрируемых волн 50
2. Моделирование поля ультразвуковых волн в поглощающих средах 65
2.1.Математическая модель полного волнового поля и ее конечно-разностное представление 65
2.2.Исследования по интегральной оценке физико-механических и реологических свойств массива горных пород 70
2.3.Аппаратура и методика полевых измерений 72
2.4. Экспериментальное определение коэффициентов затухания упругих волн поданным УЗК 75
2.5.Выбор параметров модели 84
2.6.Результаты моделирования 92
3. Экспериментальные исследования свойств и состояния массивов ультразвуковым методом 99
3.1.Днестровская ГАЭС 99
3.2.Саяно-Шушенская ГЭС 104
3.3. Богучанская ГЭС 107
ЗАБурейскаяГЭС ПО
3.5.Красноярский ГХК 112
3.6.Оценка возможности выделения отдельных трещин и их ориентации по данным УЗК 113
4. Методика обработки данных узк с привлечением динамических характеристик регистрируемых сигналов 117
4.1.Назначение методики 118
4.2.Сущность методики 118
4.3.Проведение полевых измерений 119
4.4. Обработка материалов УЗК 121
4.5.Интерпретация результатов ультразвукового каротажа 126
4.6.Оценка погрешности расчетов 131
ЗаключениЕ 134
- Способы экспериментального определения коэффициента затухания
- Экспериментальное определение коэффициентов затухания упругих волн поданным УЗК
- Богучанская ГЭС
- Обработка материалов УЗК
Введение к работе
Актуальность проблемы. Информация о строении и состоянии породных массивов, как важнейшее условие правильных проектных решений, необходима при выборе и обосновании рациональной технологии добычи полезных ископаемых, обеспечивающей безопасность горных работ на шахтах и рудниках, при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений, наземных и подземных атомных электростанций, других объектов технического назначения, находящихся во взаимодействии с окружающим массивом.
Для изучения массива горных пород в окрестностях выработок применяются различные геологические, геодезические и геофизические методы, причем именно последние с каждым годом занимают все более доминирующее положение в геоконтроле. В свою очередь среди методов горной геофизики для решения многочисленных задач геоконтроля, связанных с исследованием относительно небольших участков массива и требующих высокой разрешающей способности, наиболее перспективны ультразвуковые методы. Последнее обуславливается не только наличием устойчивых функциональных и корреляционных связей параметров ультразвуковых сигналов с важнейшими свойствами и состоянием горных пород, но и высоким уровнем соответствующих разработок направленных на теоретическое, методическое и аппаратурное обеспечение контроля. Вместе с тем, до сих пор при ультразвуковых исследованиях изучаются преимущественно кинематические характеристики волн — времена пробега и определенные по ним скорости распространения упругих волн. Динамические характеристики волн (особенности формы записи, преобладающие частоты и амплитуды) обычно используются только на начальном этапе интерпретации данных измерений, при выделении и корреляции полезных волн. Теоретически и экспериментально установлено, что динамические характеристики упругих волн более чувствительны к изменению состояния среды, чем кинематические и,
следовательно, могут служить не только дополнительным, но и основным источником информации при анализе геофизических данных.
Целью работы является получение дополнительной, ранее недоступной информации о физико-механических и реологических свойствах, строении и состоянии массивов горных пород на основе изучения динамических характеристик упругих волн ультразвука.
Идея работы состоит в разработке методики оперативного определения типов горных пород и их основных физико-механических свойств с использованием коэффициента затухания, вычисляемого по полной энергии ультразвуковых сигналов без идентификации на записях волн различной природы. Задачи исследования:
Оценка возможности определения коэффициента затухания по полной энергии регистрируемого сигнала;
Установление для конкретных типов горных пород частотных зависимостей коэффициента затухания;
3. Исследование влияния расположения трещин различной
ориентации на величину коэффициента затухания;
4. Разработка методики применения динамических характеристик
регистрируемых ультразвуковых сигналов для углубленной обработки
данных каротажа.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе применен комплекс методов исследований:
анализ и обобщение результатов, полученных в данной области;
численные и аналитические методы математического моделирования ультразвуковых волновых полей в массиве горных пород;
компьютерная обработка, анализ и интерпретация полевых ультразвуковых данных с помощью разработанных алгоритмов и программных комплексов.
Научные положения, выносимые на защиту:
определение коэффициента затухания возможно по энергии регистрируемого сигнала без выделения отдельных типов волн;
для конкретного типа горных пород в ультразвуковом диапазоне зависимость коэффициента затухания от частоты имеет определенный вид;
расположение и ориентация одиночной трещины относительно направления распространения упругих волн оказывает существенное влияние на величину коэффициента затухания;
величина коэффициента затухания, определенная по полной энергии сигнала равна величине коэффициента затухания поперечной волны.
Обоснованность и достоверность научных положении, выводов и результатов подтверяедается:
согласованностью результатов экспериментальной обработки данных УЗК по существующей стандартной методике и предложенной методике обработки с учетом динамических параметров, а также данных независимых источников;
представительным объемом и высоким качеством экспериментальных данных ультразвуковых измерений, использованных в качестве исходного материала для расчетов;
применением современных компьютерных технологий при моделировании и расчетах.
Практическая ценность диссертации состоит в
совершенствовании существующей методики получения и обработки данных ультразвуковых измерений на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, которая позволит повысить информативность и достоверность контроля за состоянием горного массива.
Реализация результатов работы. Полученные результаты использованы:
- при составлении методических рекомендаций по проведению
ультразвукового каротажа, принятых к использованию ЦСГНЭО ф-л ОАО
"Инженерный центр ЕЭС";
- в лекционном и лабораторном курсах дисциплины "Обработка и
интерпретация результатов геофизических измерений и неразрушающего
контроля" на физико-техническом факультете МГГУ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на XXII и XXIII международной молодежной научно-технической конференции "Гидроэнергетика в XXI веке" (г. Москва, 2001, 2004 г.г.), на симпозиуме "Неделя горняка" (г. Москва, МГГУ, 2004, 2005 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 179 страниц машинописного текста, включая 27 рисунков, 6 таблиц, список литературы из 117 наименований и графическое приложение.
Способы экспериментального определения коэффициента затухания
Методы изучения реологических свойств пород можно разделить на лабораторные, скважинные и наземные. Рассмотрим варианты исследований, при которых измеряются параметры поглощения пород в лаборатории и в их естественном залегании в диапазоне сейсмических (до 103 Гц), сейсмоакустических (103- 2 10 Гц) и ультразвуковых частот (выше 104Гц). В лаборатории исследованию подвергают керны или геологические образцы. Процесс извлечения керна может приводить к изменению физико-механических характеристик породы. Очевидна также возможность искажения результатов из-за несоблюдения условий, в которых порода находится в массиве, в естественном залегании. Воспроизведение температуры и всестороннего давления может лишь частично компенсировать эти изменения. Пока трудно судить насколько могут отличаться коэффициенты поглощения, замеренные в образцах, от тех же параметров, измеренных в горном массиве. Известно, что различия скорости могут быть в таком случае существенными. Вероятно, это справедливо и для более чувствительного параметра а. Способы лабораторного определения динамических характеристик пород можно разделить на две основные группы. В первой используются периодические воздействия. Среди них наиболее распространен резонансный метод. При возбуждении изгибных колебаний в стержне удается измерить чисто диссипативное затухание в достаточно широком диапазоне частот: от первых десятков герц до сотен килогерц. К этой же группе относятся менее употребительные методы измерений установившихся упругих волн и метод петли гистерезиса.
Ко второй группе способов можно отнести импульсные методы лабораторных исследований: метод построения динамической кривой напряжение - деформация, метод свободных колебаний, метод распространения импульсов. Последний позволяет проводить исследования не только компактных образцов, но и рыхлых, сыпучих пород, трещиноватых и сильно пористых сред, насыщенных разными флюидами. Измерения производят в диапазоне ультразвуковых колебаний в килогерцовой и мегагерцовой областях. Затухание упругих волн происходит как вследствие диссипации их энергии, так и из-за рассеяния на минеральных зернах, размеры которых становятся соизмеримы с длиной зондирующей волны. Лабораторные исследования поглощающих свойств среды были стимулированы проблемой прямых поисков залежей углеводородов. Здесь особенно важной оказалась возможность прямого контроля литологии пород, размера зерен, пористости, а также возможность искусственного их насыщения разными флюидами. Значения скоростей распространения и коэффициентов затухания волн разных типов при различных давлениях и температурах даны в работе [94]. Известны параметрические исследования в скважинах с помощью вертикального сейсмического профилирования (ВСП) и акустического каротажа (АК). При наблюдениях ВСП определяется эффективный параметр затухания сЦф = а + к, где к - коэффициент рассеяния, главным образом по прямым волнам [27]. Точность определения ссЭф зависит от базы осреднения амплитудных кривых, которая обычно составляет первые сотни метров. Большую разрешающую способность по данным ВСП достичь пока трудно. Несмотря на это, использование прямых волн, зарегистрированных в наиболее благоприятных условиях, позволяет получать самые надежные данные о поглощении волн в сейсмическом диапазоне частот. При этом могут применяться разнообразные способы спектрального и кепстрального исключения влияния скоростной неоднородности среды. Несмотря на очевидную полезность прямых определений декрементов поглощения пород во внутренних точках среды, объем таких исследований незаслуженно мал и имеется лишь несколько кондиционных определений аЭф, по материалам ВСП.
С достаточно высокой точностью проводятся исследования поглощающих свойств пород в неглубоких скважинах, где можно осуществить хорошую установку и укупорку вертикальных и горизонтальных сейсмографов. По таким материалам удается расчленить по пластовым коэффициентам затухания слои мощностью 5—10 м. В то же время записи прямых волн в ЗМС осложнены интерференцией с отражениями от земной поверхности и подошвы ЗМС, а также ряда промежуточных границ внутри зоны. Неучет этих явлений зачастую приводит к неверным представлениям о коэффициентах поглощения. В работе [54] показано, что если построить графики зависимости а от частоты, не произведя их коррекции за интерференцию волн, то они могут иметь осциллирующий характер с областям резкого минимума и даже отрицательными значениями а. Еще большее влияние спектральная характеристика неоднородной по скорости ЗМС оказывает на вид дисперсионной кривой с((о). Достаточно корректный учет интерференционных явлений позволяет восстановить примерно линейную зависимость а (сф и небольшую нормальную дисперсию фазовой скорости с(сф.
Необходимо особо отметить работу [42], в которой описан способ полевых исследований механических свойств грунта с помощью прямых измерений напряжений и деформации во взрывной волне. Датчики напряжений и деформаций размещаются практически в одной точке в мелких скважинах в сухих породах. Последние ограничения носят чисто технический характер и связаны с трудностями реализации этого способа на больших глубинах. Практически здесь перенесены в натурные условия, упоминавшиеся выше лабораторные способы изучения поглощающих свойств среды, основанные на использовании графиков сжимаемости, одиночной петли гистерезиса и т.п. Особую ценность представляет то, что реологические параметры измеряются практически в одной точке, а не на больших базах, как в волновых способах. Кроме того, здесь не возникает проблемы выявления и учета влияния скоростной неоднородности, а также разделения эффектов поглощения и рассеяния сейсмических волн. Единственное опасение связано с тем, что определение относительной величины потерь энергии в таком способе можно производить достаточно надежно лишь при больших напряжениях, когда возникают остаточные деформации. Для сравнительно малых напряжений, свойственных сейсмическим волнам в дальней зоне, петли гистерезиса очень незначительны по ширине и достигнутая точность измерений напряжений и деформаций пока не позволяет выявить столь тонкие эффекты.
Экспериментальное определение коэффициентов затухания упругих волн поданным УЗК
Приведенный в главе 1 обзор экспериментальных работ посвященных определению коэффициента затухания, показывает, что практическое использование коэффициент затухания получил только в сейсмическом диапазоне и при акустическом каротаже в промысловой геофизике. В инженерной геофизике при ультразвуковом каротаже изучаются преимущественно кинематические характеристики волн — времена пробега и определенные по ним скорости распространения упругих волн. Динамические характеристики волн (особенности формы записи, преобладающие частоты и амплитуды) обычно используются только па начальном этапе интерпретации данных измерений, при выделении и корреляции полезных волн. Однако теоретически и экспериментально установлено, что динамические характеристики упругих волн более чувствительны к изменению состояния среды, чем кинематические и, следовательно, могут служить не только дополнительным, но и основным источником информации при изучении свойств и состояния горных пород. Для оценки величины коэффициента затухания продольных и поперечных волн, а также определения его частотной зависимости (в диапазоне от 20 до 100 кГц) для различных типов горных пород были использованы данные ультразвукового каротажа, полученные в подземных выработках строящихся и эксплуатируемых энергосооружений Днестровской ГАЭС (Украина), Саяно-Шушенской ГЭС и Красноярского горно-химического комбината (ГХК).
Поглощение энергии ультразвуковых волн, связанное с неидеальной упругостью среды, обуславливает затухание амплитуд волн при их распространении. Выбор параметров затухания базируется на предположении о том, что амплитуда волны убывает в однородной поглощающей среде по экспоненциальному закону Л= г- (2.20) где Лх - амплитуда на расстоянии х от источника; а - коэффициент затухания; 4х - фактор, характеризующий расхождение волнового фронта. Это предположение подтверждается типичной кривой изменения амплитуды ультразвукового сигнала с расстоянием (см. рис. 2-2). Обоснование выбора показателя расхождения в формуле 2.20 приводится ниже. Исходя из этого, значение эффективного коэффициента затухания а Для определения частотной зависимости коэффициента затухания для каждого канала были получены спектры изучаемой волны путем быстрого преобразования Фурье (БПФ). Временные окна выбирались длиной 25-50 мкс (1,5-2 периода колебаний в зависимости от горных пород и типа волны), в результате применения БПФ в заданном диапазоне частот оказывалось недостаточное количество точек для определения аф. Поэтому результаты БПФ аппроксимировались сплайновой интерполяцией, а затем по полученным кривым для каждого канала (расстояния от излучателя) определялись значения амплитуды Л(х) на фиксированных частотах с интервалом 10-20 кГц (рис. 2-3). Дальнейшая обработка состояла в подборе коэффициентов указанного выше уравнения для каждой частоты.
По описанной выше методике были получены диапазоны изменения и зависимости эффективного коэффициента затухания от частоты - а фф для продольных Р и поверхностных R волн в аргиллитах и песчаниках (Днестровская Г АЭС), поперечных S волн в ортосланцах (Саяно-Шушенская ГЭС), а также в диабазах и гнейсах (Красноярский ГХК). Как известно [16, 82], высокочастотные компоненты колебаний поглощаются сильнее, чем низкочастотные. И по нашим данным при удалении от источника максимумы спектров волн сдвигаются в область низких частот, что наглядно представлено на рис. 2-3. В таблице 2-1 приведены диапазоны изменения и средние значения скоростей и динамических параметров «вторых» волн для исследованных горных пород. Значение эффективного коэффициента затухания для продольных волн в аргиллитах меняется в пределах от 4,0 до 13,0 м"1, среднее 9,8 м 1 при скоростях 2700-2800 м/с, для песчаников - затухание 5,1-12,9 м"1 при среднем 8, 8 м"1, скорости - 2800-3900 м/с. Графики зависимости аэфф для исследуемых типов пород представлены на рис. 2-4. Следует отметить, что указанные зависимости получены в относительно сохранном массиве горных пород. Таким образом, полученные результаты не противоречат теоретическим представлениями о затухании упругих волн. Порядок величин коэффициента затухания согласуется с данными, полученными разными авторами для ультразвукового диапазона частот [16, 29, 94]. Однако трудоемкость и большое количество ограничений при выделении волн конкретных типов не позволяют определять коэффициент затухания по всей глубине скважины. А именно сведения об изменении коэффициента затухания в пределах исследуемого массива и являются условием повышения информативности ультразвукового каротажа на основе использования динамических характеристик упругих волн. Алгоритм вычисления коэффициента затухания по полной энергии сигнала заключается в следующем: -для каждого канала (расстояния от излучателя) находится величина и энергии Е = А} , где і = L .n - номер отсчета записи; п - длина записи м сигнала. А - величина амплитуда сигнала для /-го отсчета записи. -по полученным значениям полной энергии сигнала подбираются коэффициенты уравнения (2.20), в котором вместо величины амплитуды Ах подставляется значение энергии Ех, соответствующее своему каналу. Экспериментальные расчеты коэффициента затухания по энергии полного регистрируемого сигнала по всей глубине скважины показали, что характер изменения его с глубиной не противоречит характеру изменения скорости, более того на участках повышенной трещиноватости и геологических нарушений коэффициент затухания сильнее реагирует на изменение строения массива (см. Приложение). Процесс автоматического вычисления коэффициента затухания требует гораздо меньше времени, чем определение скоростей (несколько минут против нескольких часов), что позволяет получать экспресс-информацию о строении массива. Однако до использования этих данных для анализа строения и состояния массива необходимо оценить факторы, влияющие на величину коэффициента затухания, для исключения возможных ошибок и повышения надежности обработки. При подстановке получаемых при экспресс-обработке значений коэффициента затухания в расчетные формулы (2.10-2.19) вычисленные значения параметров плохо согласуются со значениями параметров, приводимых в литературе [16, 27], Очевидно, данное несоответствие объясняется тем, что определяемый по формуле (2.20) эффективный коэффициент затухания является интегральной величиной. Известно, что в общем случае затухание обусловлено тремя причинами [13,16, 54]. 1.Поглощением колебательной энергии, связанным с неидеальной упругостью среды, которое вызывает необратимый переход сейсмической энергии в тепловую. 2.Рассеянием энергии упругих волн на внутренних неоднородностях и аномалиях среды, которое определяется не только внутренними физическими свойствами среды, но и ее структурным строением. 3.Расхождением волнового фронта, которое главным образом связано со свойствами источника колебаний и геометрией. Каждая из указанных причин затухания упругих волн по-своему определяет характер изменения энергии волны с расстоянием и дает свой вклад в результирующее изменение поля с расстоянием. В связи с этим для расчетов нам необходимо выделить составляющую коэффициента затухания сс , которая характеризует физические свойства среды и ее структуру.
Богучанская ГЭС
Инструментальное обследование скального основания бетонной плотины Богучанской ГЭС выполнялось после длительного перерыва в производстве строительных работ. За это время резко изменились условия залегания скальных грунтов основания. Техногенная разгрузка в сочетании с сезонными промерзаниями — оттаиваниями могла привести к существенному снижению упругих, деформационных и прочностных показателей горных пород (долеритов) в приповерхностных зонах массива. На изученном участке, основание плотины сложено долеритами с линзами габбро-дол еритов с повышенной трещиноватостью и водопроницаемостью. Под влиянием процессов выветривания прочность долеритов резко снижается, они расслаиваются и растрескиваются на воздухе. Ультразвуковые измерения выполнены в разведочных и пьезометрических скважинах диаметром 50 мм, разбуренных в цементационной галерее в секциях №№ 6-25. Все скважины за исключением скв. №7864 в 6-ой секции обсажены стальными трубами. Волновая картина осложнена высокоскоростными трубными волнами по металлу. В результате стандартной обработки [82] удалось надежно выделить только поперечную волну Vs, для которой были построены скоростные графики Vs = Дії), отличающиеся сильной изрезанностью, вызванной неоднородностью исследуемого разреза и ограниченной точностью измерений. Отсутствие данных о скоростях продольной волны Vp не позволило оценить упругие и деформационные характеристики скалы для отдельных интервалов скважин. Графики Vs = .Дп) были использованы лишь для уточнения информации о размерах зоны разгрузки. Скорости поперечных волн ультразвукового диапазона Vsy, были пересчитаны по масштабным кривым для сейсмического диапазона VscefiCM и в сочетании с данными сейсмического каротажа и просвечивания использованы для расчета упругих и деформационных свойств горных пород. Пределы изменения параметров, определенных на основании скоростей упругих волн приведены в таблице 3-3.
Определение эффективного коэффициента затухания выполнено во всех скважинах, в Приложение рис. 21, 23, 25, 27 приведены скоростные графики и графики затухания. При известном коэффициенте затухания были рассчитаны значения коэффициента пористости и релаксационные параметры для каждой скважины (Приложение рис. 22, 24, 26, 28). В скважине №7864, расположенной в 6-ой секции, по графику затухания четко выделяется зона до глубины 9.0 м, включающая бетон 0-5.5 м (Vp=4.20-4.50 км/с, У8=2.40-2.70 км/с) с прослоем долеритов мощностью 0.5 м на уровне 3.5 м и группу субвертикальных трещин с большой степенью раскрытия (Vp=2.60-3.10 км/с). Ввиду сильного разрушения стенок скважины выделить поперечную волну удалось лишь на отдельных, относительно сохранных участках. Значения упругих волн в относительно сохранном массиве долеритов изменяются в широких пределах Vp=5.00-6.00 км/с, Vs=2.20-3.50 км/с. Значение коэффициента пористости в трещиноватой зоне меняется от 7 до 20%, а в зоне относительно сохранных пород от 3 до 7%. В скважине №7751 (секция 18) под бетоном выделяется зона 4.0-6.0 м с повышенными значениями затухания и падением скоростей поперечной волны. Согласно геологическому описанию скважины в интервале 4.2-5.0 м отмечен слой рассланцованных габбро-долеритов, отнесенных к группе сохранности 2А [91]. Значения скорости Vs=2.30-2.80 км/с, коэффициент затухания 0 ,=5.2-7.5 м"1, коэффициент пористости Кп=9-13%. В сохранной части массива Vs=2.80-3.10 км/с, аЭф=1.7-4.5 м"1, Кп=3-7%. Скважина №7822 расположена в секции 24, мощность бетона составляет 6.0 м, до глубины 10.5 м залегают трещиноватые габбро-дол ериты (группа сохранности 2А). Данный участок характеризуется скоростью Vs=2.50-2.80 км/с, ссЭф=3.2-7.5 м"1, Кп=5-11%. В зоне относительно сохранных пород Vs=3.00-3.40 км/с, аЭф= 1.0-5.0 м"1, Кп=2-5%. В скважине №7829 мощность бетона составляет 7.5 м. Ниже выделяется слой в интервале 7-9 м с пониженными значениями скоростей Vs=2.20-2.40 км/с, коэффициент затухания 3.2-7.0 м 1, Кп=5-9%. Сохранная часть массива характеризуется скоростью поперечной волны — 3000 м/с, коэффициент затухания менее 2 м" , пористость 2-3%. По геологическим [91] данным коэффициент трещинной пустотности для долеритов групп сохранности Б и В составляет 1-5%, для группы А данные отсутствуют. Бурсйская ГЭС. После перерыва в строительстве в 2000-2001 гг проводились геофизические исследования с целью оценки современного состояния и свойств пород основания и примыканий плотины и здания ГЭС, а также для создания исходной базы геолого-геофизических данных для контроля за изменением напряжённо-деформируемого состояния и фильтрационных характеристик скального основания плотины и здания ГЭС при строительстве и эксплуатации гидроузла. В геологическом строении района принимают участие коренные интрузивные породы палеозойского возраста и четвертичные образования. Участок основных сооружений (плотина и здание ГЭС) сложен верхнепалеозойскими гранитами, залегающими в форме батолита. Граниты биотитовые и роговообманково-биотитовые, среднезернистые, порфировидные, светло-серые и розовато-серые. Текстура пород массивная, из вторичных изменений основное место занимают катаклаз и выветривание. В целом вне зон катаклаза и выветривания, граниты характеризуются постоянством петрографического состава и монолитностью внешнего облика. В гранитном массиве отмечено наличие жил даек аплитов и пегматитов [21]. В 2001 г. выполнен ультразвуковой каротаж в вертикальных скважинах диаметром 120 мм. Скважина 21610 расположена в правобережном котловане на оси плотины в 6-ой секции, скважина 21611 -разбурена в русловой части плотины на границе секций 21 и 22. Измерения выполнены семиэлементным скважинным зондом с расстоянием между датчиками 20см. В результате стандартной обработки были построены графики изменения скоростей по глубине. На основе подхода изложенного в главе 2 оценен коэффициент затухания. Сопоставление графиков изменения скоростей и коэффициента затухания приведены в Приложении рис. 29 и 31.
Обработка материалов УЗК
Обработка полученных данных делится на два этапа. На первом этапе проводится предварительная автоматизированная обработка, с целью получения графиков изменения коэффициента затухания по глубине скважины, а также выборочная обработка по кинематическим параметрам на предмет выделения и корреляции соответствующих волн. По этим данным получается предварительная информация о качестве первичного материала (выявление файлов с аппаратурными помехами и искажениями) и строении массива. Этот этап обработки выполняется непосредственно на объекте, чтобы при выявлении некачественных материалов или аномальных участков в разрезе была возможность провести дополнительные повторные измерения. Определение коэффициента затухания выполняется подбором коэффициентов уравнения вида Ех=Е0-е вх методом наименьших квадратов для каждой стоянки зонда. В этом уравнении Е - суммарная энергия сигнала на каждом канале. Подбор коэффициент а осуществляется для каждого файла соответствующему 1-му и 7-му излучателю. Среднее значение а] и ct7 при встречной «прострелке» является коэффициентом затухания для соответствующей глубины. Программа обработки может быть написана на любом языке программирования, позволяющем оперативно обработать имеющиеся данные. На втором этапе выполняется камеральная обработка по стандартной методике [82], которая заключается в определении скоростей продольных и поперечных волн по приращениям времени на минимальной базе измерения, осреднении значений методом скользящего среднего, в построении графиков изменения скоростей с глубиной, определении пластовых скоростей и т.д., а также в детальном анализе динамических параметров зарегистрированных сигналов. Выделение и корреляция волн. Выделение основных типов волн проводится по кинематическим и динамическим особенностям волн указанным в п. 1.9. Обычно прослеживается первый максимум или минимум продольных Р- и поперечных S-волн. При достаточной интенсивности сигналов иногда удается прослеживать первое вступление Р-волн. Корреляцию волн следует начинать с интервалов, на которых получен хороший материал. Обычно это наиболее глубокие интервалы скважин. Затем после "освоения" особенностей волновой картины можно переходить к более трудному материалу. Обычно это участки вблизи устья скважины и в трещиноватых зонах.
Вычисление скоростей. Следующим этапом является вычисление разности времен прихода одноименных фаз колебаний на соседних трассах. Резко заниженные или завышенные значения At необходимо проверять повторно. Поскольку наблюдения проводятся по встречной системе, то для каждого интервала 0,1 (0,2) м имеется обычно два значения Atf и Atl. В случае, когда наблюдения осуществляются с перекрытием части каналов или по системе с дополнительными излучателями, значений At для каждой глубины может быть несколько. После такой проверки значений для каждой глубины h определяются средние значения Atp(s), используемые для вычисления скоростей Vp и Vs. Таблицы значений At и V на минимальной базе 0,1 0,2) м являются исходным материалом для количественного определения кинематических параметров. По этим данным может быть получена следующая информация. 1.Скорости волн Vp и Vs на постоянной минимальной базе вдоль всей скважины. Они являются наиболее детальной характеристикой скоростного разреза скважины и служат для выделения и характеристики отдельных трещин, трещиноватых зон и других мелких неоднородностей. Изрезанность графиков первичных скоростей связана, как с мелкой неоднородностью разреза, так и с ограниченной точностью измерений на этой базе. 2.Сглаженные графики скоростей Vp и Vs=f(h), которые получаются при аналитическом осреднении по выбранному закону первичных значений At и служат для общей характеристики скоростного разреза скважины. Обычно используется сглаживание скоростей по трем соседним точкам. По полученным значениям скоростей вычисляются модуль упругости, коэффициент Пуассона, трещинная пустотность и другие показатели. 3.Скорости Р и S волн на различных базах, начиная с минимальной и до баз в десятки метров, получаются в результате суммирования значений At на заданных базах и вычисления соответствующих значений скоростей. Эти данные необходимы для количественной увязки результатов определения скоростей на ультразвуковых и сейсмических частотах, для оценки степени неоднородности горных пород, выявления общих закономерностей в строении массива. 4.Вертикальные годографы волн Р и S, необходимые для сопоставления данных ультразвукового и сейсмического каротажа а также для интерпретации данных наземной сейсморазведки, получаются в результате последовательного суммирования значений At по всему разрезу скважины. Анализ динамических параметров Анализ динамических параметров заключается в составлении таблиц коэффициентов затухания, а также в определении преобладающей частоты сигналов. Коэффициенты затухания вычисляются отдельно: сначала для файлов соответствующих первому излучателю, затем для седьмого излучателя. Полученные значения коэффициентов затухания, по аналогии с первичными значениями времен At, проверяются на наличие резко заниженных и завышенных величин, в таких случаях данные проверяются повторно. После выполнения проверки и корректировки для каждой a, +of, стоянки зонда определяют среднее значение — -, которое и задается в дальнейших расчетах. Эмпирическим путем установлено, что убывание энергии ультразвукового сигнала с расстоянием наилучшим образом аппроксимируется функцией вида Ех=— е аху где х - расстояние от излучателя до приемника. Частота регистрируемого сигнала, как и затухание сильно зависит от литологии, строения и состояния горных пород. Частота определяется как преобладающая по первичным данным УЗК, либо как модальная в спектрах полных сигналов. Для расчетов задаются средние значения частоты для различных литологических типов пород, ослабленных и трещиноватых зон. При выполнении больших объемов УЗК могут применяться несколько комплектов оборудования, включая зонды с разными размерами и частотными характеристиками. Как показано в главе 2 величина коэффициента затухания в зависимости от частоты источника может сильно меняться. В этом случае для сравнения графиков затухания необходимо провести измерения разными комплектами в одной скважине на основании чего определить переходный коэффициент. Зачастую данные УЗК приходится сравнивать с материалами прошлых лет, в этом случае проведение натурного эксперимента не представляется возможным, поэтому надежным решением этого вопроса является математическое моделирование.
Похожие диссертации на Методика определения свойств и состояния горных пород в массиве на основе затухания ультразвуковых волн
