Автор: Владов Михаил Львович
Название работы: Сейсмоакустические многоволновые исследования в водонаполненных скважинах с помощью электроискрового источника упругих волн
|
Присвоенная ученая степень: доктор физико-математических наук
Специальность: 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Классификационный индекс:
Ведущая организация:
Руководитель:
Оппонент:
доктор физико-математических наук Никитин А.А;
доктор физико-математических наук Савич А.И.;
доктор физико-математических наук Ампилов Ю.П;
Место защиты: Москва
Дата защиты: 19 марта 2003 г.
Издательство: Москва
Количество страниц: 277
Язык: русский
Содержание работы:
Глава 1. Исторический очерк. Физические основы метода
Глава 2. Экспериментальные исследования электроискрового источника в НВС
Глава 3. Аппаратура для скважинных исследований с электроискровым источником упругих волн
Глава 4. Волновое поле электроискрового источника при каротажных наблюдениях и межскважинных просвечиваниях в реальных средах и при физическом моделировании
Глава 5. Применение сейсмоакустических исследований в НВС при решении геологических и геотехнических задач
|
Реферат:
Актуальность работы.
Необходимость изучения верхней части разреза мощностью в первые десятки и сотни метров определяется многими причинами, среди которых наиболее важными являются следующие.
Многократно возросший за последнее десятилетие темп строительства зданий и сооружений, для которых приповерхностная часть разреза является основанием, средой создания и эксплуатации
искусственного основания, либо средой, где размещается собственно сооружение.
Необходимость получать прямо или косвенно характеристики приповерхностной части разреза на стадии инженерной разведки и проектирования, контролировать изменения этих характеристик
в процессе возведения сооружения, проводить мониторинг состояния основания сооружения и прилегающей части естественного или искусственного грунтового массива в процессе эксплуатации.
Необходимость оценки состояния приповерхностной части разреза под техногенной нагрузкой с точки зрения прогноза нежелательных или опасных геологических явлений.
Необходимость детального изучения сейсмогеологических характеристик верхней части разреза для их учета при обработке данных нефтегазовой сейсморазведки, ориентированной на
глубокие горизонты.
Среди методов исследования верхней части разреза ведущее место занимают сейсмические методы исследования, позволяющие определять упругие, прочностные и деформационные характеристики
слоев и массивов. Успешное применение сейсморазведки в верхней части разреза наталкивается на ряд препятствий. Верхняя часть разреза представляет собой сложную трехмерно неоднородную
среду с быстро меняющимися характеристиками и высокими значениями параметров поглощения сейсмических волн при относительно низких значениях скоростей распространения волн.
Это приводит к тому, что простой перенос отработанных методов нефтегазовой сейсморазведки с учетом линейных соотношений глубин и расстояний на исследования верхней части разреза
оказывается невозможным или, по крайней мере, неэффективным. Важнейший инструмент нефтегазовой сейсморазведки - акустический каротаж - не работает в условиях, когда скорость
продольных волн в массиве меньше скорости в заполняющей скважину жидкости. Это типичная ситуация для верхней части разреза, сложенной нескальными породами. Наземные методы
сейсморазведки с невзрывными источниками, ориентированные на малые глубины, традиционно решают часть задач исследования верхней части разреза. Однако, условия возбуждения
и приема колебаний не позволяют выйти на частоты выше порядка 100 герц в песчано-глинистых разрезах и не удовлетворяют зачастую требованиям детальности и разрешающей способности.
Собственно поверхность, на которой проводятся сейсмические исследования, в городах и промышленных агломерациях часто бывает недоступной. Кроме того, застроенные территории
характеризуются высокими и сверхвысокими уровнями промышленных регулярных и нерегулярных сейсмических и электромагнитных помех.
Отсюда возникает решение проводить измерения во внутренних точках среды, осуществляя наблюдения в скважинах, например, просвечивая массивы пород, недоступные с поверхности.
В традиционном сейсмокаротаже и межскважинных просвечиваниях на частотах 50-100 Гц с применением прижимных приемников обычно используются только времена пробега прямых проходящих
волн - продольных либо поперечных, реже - тех и других совместно. При этом, для каждого типа волн используются специальные источники колебаний.
В то же время, в сейсморазведке на акваториях весьма хорошо себя зарекомендовали такие устройства возбуждения и приема колебаний как электроискровой источник и пьезоприемники.
С помощью электроискрового источника можно возбуждать колебания в частотном диапазоне от первых десятков герц до первых тысяч герц, то есть в промежутке между сейсмическими
частотами и диапазоном акустических исследований. При небольших размерах излучателей независимо от величины энергии разряда, управление энергией и частотным спектром возбуждаемых
колебаний осуществляется технологически простыми приемами.
Теория волнового поля давления в трубах и водонаполненных скважинах от источников типа центра расширения, к которым относится и электроискровой источник, предсказывает появление
волн различных типов, кинематические и динамические характеристики которых несут информацию о разрезе.
Таким образом, актуальность данной работы, нацеленной на развитие и внедрение эффективного сейсмического метода изучения приповерхностной части разреза, определяется насущными
потребностями всех видов пользователей приповерхностной части разреза в инструментах и методиках геофизических исследований, способных поставлять надежную информацию о характеристиках
естественных и искусственных грунтовых массивов, строении естественных толщ и техногенных образований, состоянии элементов разреза и оснований конструкций в координатах пространства
и времени при наблюдениях во внутренних точках среды.
Цель работы.
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения одного из источников типа центра расширения - электроискрового источника и приемников давления в водонаполненных
скважинах для изучения параметров разреза по кинематическим и динамическим характеристикам волн различной природы; разработка и подготовка к внедрению на основе полученных
результатов аппаратных средств, методики производства наблюдений, обработки и интерпретации полевых данных при решении задач исследования верхней части разреза.
Задачи исследований.
Проанализировать теоретические представления о волновом поле точечного источника типа центра расширения в заполненной жидкостью скважине (трубе) и выделить среди аналитических
решений те, которые получены для условий, наиболее близких к водозаполненным скважинам в верхней части разреза, учитывая специфику возбуждения и приема, частотный диапазон
и модели среды, соответствующие целям данной работы.
Экспериментально исследовать механизм электроискрового разряда в
водонаполненной скважине и возбуждаемое поле упругих волн.
Изучить характеристики волнового поля, возбуждаемого электроискровым источником, в зависимости от свойств пород приповерхностной части разреза.
Оценить влияние конструкции скважины, размещенных в скважине приборов и свойств заполняющей скважину жидкости на характеристики волнового поля и получаемые в итоге сведения
о строении и свойствах геологического разреза.
Разработать требования к аппаратуре и методике скважинных наблюдений с электроискровым источником и датчиками давления для решения различных геологических и геотехнических
задач.
Разработать приемы обработки и интерпретации результатов, получаемых при скважинных исследованиях.
Научная новизна
Впервые экспериментально количественно изучена кинематика и динамика волновых процессов при электрическом разряде в заполняющей скважину жидкости.
Впервые предложена и экспериментально обоснована возможность комплексного анализа кинематики и динамики продольных волн, гидроволн, обменных и отраженных гидроволн.
Экспериментально выявлены устойчивые связи кинематических и динамических характеристик волн разных типов с параметрами разреза и свойствами реальных сред.
Разработана методика полевых наблюдений для решения разнообразных задач геологии и геотехники.
Получены новые сведения об акустических свойствах различных типов пород в широком диапазоне частот в приповерхностной части разреза с помощью разработанного подхода к исследованию
водонаполненных скважин.
Практическое значение работы.
Разработанный метод возбуждения, приема и анализа упругого волнового поля в неглубоких водонаполненных скважинах (НВС) может быть использован при постановке каротажных наблюдений
и различных видов межскважинных просвечиваний, которые по эффективности, мобильности оборудования, скорости натурных наблюдений, объему и качеству получаемой информации значительно
превышают наблюдения во внутренних точках среды с источниками и приемниками, требующими прижима к стенке скважины.
Разработанный метод может быть рекомендован как составная часть при постановке нефтегазовой сейсморазведки для учета влияния зоны малых скоростей по продольным и поперечным
волнам.
Разработанный метод сейсмоакустических исследований в НВС может быть использован для обследования объемов грунтовых массивов от первых кубометров до десятков тысяч кубометров
за счет возможности управления интенсивностью и спектром возбуждаемых колебаний.
Намечены подходы к использованию динамики упругого волнового поля, открывающие перспективы количественного изучения в абсолютных единицах измерений таких параметров как пористость,
проницаемость, напряженное состояние и реологические характеристики приповерхностной части разреза.
Защищаемые положения.
Теоретически и экспериментально показано, что сейсмоакустические исследования в НВС могут быть эффективным источником информации о строении и свойствах верхней части разреза
при решении широкого круга задач геологии и геотехники.
Источники типа центра расширения и приемники давления в водонаполненных скважинах, с одной стороны, обеспечивают использование характеристик волн разных типов с целью извлечения
информации об объемных и сдвиговых свойствах околоскважинного пространства, а с другой стороны, позволяют избежать трудностей, связанных с необходимостью прижима приемника
и (или) источника к стенке скважины.
Электроискровой источник является весьма гибким инструментом при работе в НВС, обеспечивая широкую полосу возбуждаемых колебаний в диапазоне частот от десятков герц до единиц
килогерц и энергии разряда от первых джоулей до десятков килоджоулей.
Кинематика и динамика прямых, отраженных и обменных гидроволн в приповерхностной части разреза чрезвычайно чувствительны к таким свойствам околоскважинного пространства как
сопротивление сдвигу, проницаемость и частотно-зависимое затухание различного происхождения.
Разработанные технические средства и приемы наблюдений позволяют значительно ослабить или учесть факторы, не связанные со свойствами разреза и мешающие извлечению полезной
информации из записей поля упругих волн.
Разработанные технические средства и приемы наблюдений позволяют выбрать наиболее эффективную методику сейсмоакустических исследований в зависимости от типов реальных сред.
Фактический материал.
Основу экспериментального материала данной работы составили следующие полевые исследования:
1 - в скважинах московского региона по тематикам, связанным с изучением закарстованности известняков в период с 1977 по 1990 год;
2 - на Крымской научной базе МГУ в 1980-84 годах;
3 - в Калининградской области в 1982-86 годах по тематикам, связанным с изучением верхней части разреза для нужд нефтяной сейсморазведки и нужд народного хозяйства;
4 - в Дмитровграде в 1989-90 годах при изучении результатов гидроразрыва глинистых пластов;
5 - на научной базе МГУ в г. Звенигороде в 1987-91 годах при производстве экспериментальных наблюдений, подготовке и проведении задачи по исследованиям в НВС для студентов
инженерно-геологического цикла;
6 - на научной базе Факультета наук о Земле Автономного университета Нуево Леон (Мексика, 1990 г.) при производстве экспериментальных наблюдений, подготовке и проведении задачи
по исследованиям в НВС для студентов инженерно-геологического цикла;
7 - на горе Лома Ларга (г. Монтеррей, Мексика, 1992 г.) при изучении строения массива трещиноватых пород;
8 - на территории г. Москвы по изучению колебаний, возбуждаемых электроискровым источником в скважинах при внедрении новых технологий в изготовление буро-набивных свай;
9 - скважинные исследования в Иране в 2000-2001 годах при изучении оснований блоков АЭС;
10 - в г. Москве и г. Перми в 2002 г. при оценке результатов закрепления массива грунто-цементными сваями.
Кроме того, в период с 1985 г. по 2000 г. проведен большой объем физического моделирования в лабораторных условиях с целью выяснения влияния конструкции скважин, проницаемых
зон, соотношений свойств околоскважинного пространства и заполняющей скважину жидкости на параметры волновых полей.
Личный вклад.
Личный вклад автора состоит в:
-постановке проблем многоволнового подхода к исследованиям водонаполненных скважин бесприжимными источниками и приемниками;
-руководстве и непосредственном участии в исполнении всего объема физического моделирования;
-непосредственном участии в разработке, создании и использовании аппаратных средств для исследований в НВС;
-руководстве и участии в многочисленных полевых работах за последние 25 лет;
-разработке приемов анализа волновых полей при наблюдениях в НВС
|
Библиография:
1. Проблемы межскважинного сейсмоакустического просвечивания при изучении карстово суффозионных процессов на территории крупных городов. "Инженерная геология", N 2, 1983 г. с. 92-97. (Соавторы: Калинин А.В., Жигалин А.Д., Стручков В.А.) 2. Экспериментальные наблюдения обменных гидроволн в скважинах. ДАН СССР, т. 286, N 4, 1986 г. с. 845-847. (Соавторы: Калинин А.В., Пивоваров Б.Л.). 3. Исследование околоскважинного пространства по данным сейсмоакустического каротажа и просвечивания. Труды ГИДРОПРОЕКТа, N 114, М., 1986 г. с. 55-64.(Соавторы: Калинин А.В., Калинин В,В., Пивоваров Б.Л., Стручков В.А.,Цванкин И.Д.) 4. О строении зоны малых скоростей в условиях водонасыщенных песчано-глинистых отложений. "Вестник МГУ", сер. Геология, N 1, 1987 г. с.90-92 .(Соавторы: Калинин А.В., Стручков В.А., Шалаева Н.В.) 5. Теоретические и экспериментальные исследования низкочастотных гидроволн в скважинах. Труды ВНИИЯГГ, сб. "Скважинная геоакустика при поисках и разведке месторождений", М., 1987 г. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В,В., Пивоваров Б.Л., Стручков В.А.) 6. О комплексном изучении характеритсик волнового поля в скважине с целью расчленения разреза по инженерно-геологическим свойствам пород. ДАН СССР, т. 299, N 2, 1988 г. с.330-333. (Соавторы: Калинин А.В., Мусатов А.А., Шалаева Н.В., Кузуб Н.А.) 7. Особенности упругого волнового поля от электроискрового источника в скважине. "Вестник МГУ", сер. Геология, N 4, 1989 г. с. 53-59. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В,В., Кузуб Н.А.) 8. Электроискровой источник упругих волн для целей наземной сейсморазведки. М., Изд-во МГУ, 1989 г. 193 с. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В,В., Мусатов, Пивоваров Б.Л., Шалаева Н.В., Стручков В.А.) 9. Вертикальное сейсмическое профилирование в морских инженерно-геологических скважинах (аппаратура и методика). В сб. "Инженерно-геологические условия шельфа и методы их изучения", г. Рига, ВНИИМОРГЕО, 1991 г.с. 3-12. (Соавторы: Калинин А.В., Рубцов Э.Д.) 10. Вертикальное сейсмическое профилирование в морских инженерно-геологических скважинах (результаты работ). В сб. "Инженерно-геологические условия шельфа и методы их изучения", г. Рига, ВНИИМОРГЕО, 1991 г. с. 13-26. (Соавторы: Калинин А.В., Рубцов Э.Д., Устьянцев В.Л.) 11. Методика, техника и результаты комплексных геофизических исследований на акватории р. Москвы. В сб. "Геологические проблемы Московской агломерации", изд-во Московского университета, 1991 г. с. 80-138. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В.В., Мусатов А.А., Модин И.Н.) 12. Комплексные геофизические исследования на реках и пресноводных акваториях применительно к задачам геоэкологии."Вестник МГУ", сер. Геология, N 2, 1994 г. с.9-17.(Соавторы: Калинин А.В., Калинин В,В., Мусатов А.А., Кульницкий Л.М., Кузуб Н.А., Шалаева Н.В.) 13. Комплексные эколого-геофизические исследования на территории иакваториях Московского региона. "Вестник МГУ", сер. Геология, N 1, 1993 г. (Соавторы: Карус Е.В., Калинин А.В., Демура Г.В., Кузьмина Э.Н., Богословский В.А., Белашов Г.В.) 14. Сейсмометрические исследования грунтов в основании резервуаров на нефтеперекачивающих станциях. В книге "Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности". Москва, 1999 г. Изд-во RUSSO, 512 стр. (Соавторы: Калинин А.В., Богомазов В.Н., Старовойтов А.В., ШалаеваН.В..) 15. Высокоразрешающие волновые методы в современной геофизике. Разведка и охрана недр. N 1, 2002 г., М., Недра.с.23-27. (Соавторы: Калинин А.В., Старовойтов А.В., Шалаева Н.В). 16. Межскважинная томография в акустическом диапазоне частот.Разведка и охрана недр. N 1, 2002 г., М., Недра.с.41-46.(Соавторы: Калинин А.В., Кульницкий Л.М., Шалаева Н.В.) 17. Изучение ВЧР по данным сейсмического каротажа и межскважинного просвечивания. "Материалы совещания-семинарапо автоматизации обработки геофизической информации". г. Пермь, 1986 г. с. 67-69. (Соавторы: Калинин А.В., Пивоваров Б.Л., Стручков В.А., Шалаева Н.В.) 18. Сейсмоакустические исследования околоскважинного и межскважинного пространства с электроискровым источником упругих волн. Научно-технический семинар "Применение геофизических методов при гидрогеологических и инженерно-геологических исследованиях и охране окружающей среды". г.г. Симферополь-Киев, 1987 г. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В.В., Кузуб Н.А., Мусатов А.А.,Стручков В.А., Белашов Г.В.) 19. Проблемы высокоразрешающих межскважинных сейсмических исследований верхней части разреза. Международная научная конференция "Геофизика и современный мир". Москва, 9 - 13 августа 1993 г. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В.В., Кузуб Н.А.) 20. Высокоразрешающие волновые методы в современной геофизике. Ежегодная научная конференция "Ломоносовские чтения", 19-27 апреля 2001 г., Москва, Изд-во МГУ. (Соавторы: Калинин А.В., Кульницкий Л.М., Старовойтов А.В., Шалаева Н.В.) 21. Межскважинная томография в акустическом диапазоне частот. Тезисы докладов научно-практической конференции "Геоакустика- 2001", Москва, МГУ, 16-20 апреля 2001 г. (Соавторы: Калинин А.В., Кульницкий Л.М., Шалаева Н.В.) 22. Изучение разреза грунтов и определение скоростей упругих волн методом сейсмического каротажа в скважинах. В книге "Полевые методы гидрогеологических, инженерно-геологических, геокриологических, инженерно-геофизических,и эколого-геологических исследований". М, Изд-во МГУ, 2000 г., 352 с. (Соавтор: Калинин А.В.) 23. Использование гидроволн при восстановлении скоростного разреза сдвиговых волн по данным томографии. Разведка и охрана недр. N 1, 2002 г., М., Недра. С.46-48. (Соавторы: Калинин А.В., Шалаева Н.В.) 24. Использование гидроволн при восстановлении скоростного разреза сдвиговых волн по данным скважинной томографии. Тезисы докладов научно-практической конференции "Геоакустика- 2001", Москва, МГУ, 16-20 апреля 2001 г. . (Соавторы: Калинин А.В., Шалаева Н.В.) 25. Исследование динамических характеристик прямой волны с целью оценки напряженного состояния верхней части разреза."Вестник МГУ", сер. Геология, N 4, 1991 г. с.81-86. (Соавтор: Павлов С.А.) 26. Метод подавления восходящих и нисходящих волн в сейсморазведке."Вестник МГУ", сер. Геология, N 6, 1991 г. с.85-90. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В.В.) 27. Оценка прочности грунтов в основании нефтехранилищ сейсмическими методами. "Вестник МГУ", сер. Геология, N 2, 2001 г. с.48-52. (Соавторы: Калинин А.В., Шалаева Н.В.) 28. Использование низкоскоростной волны-помехи (гидроволны) для изучения околоскважинного пространства. "Материалы VIII научной конференции аспирантов и молодых ученых МГУ" секция "Геофизика", МГУ. Деп. N 2541-82, ВИНИТИ, 1982. 0,5 п.л. (Соавторы: Смольянинова Е.И., Стручков В.А.) 29. Проблемы межскважинного просвечивания при наличии обсадных труб. "Материалы VIII научной конференции аспирантов и молодых ученых МГУ" секция "Геофизика", МГУ. Деп. N 2541-82, ВИНИТИ, 1982. 0,5 п.л. (Соавторы: Стручков В.А., Кульницкий Л.М.) 30. Изучение стабильности гидроволн, возбуждаемых электроискровым источником. "Материалы VIII научной конференции аспирантов и молодых ученых МГУ" секция "Геофизика", МГУ. Деп. N 6129-82, ВИНИТИ, 1982. 0,5 п.л.(Соавторы: Смольянинова Е.И., Стручков В.А.) 31. Увеличение разрешающей способности метода МОВ при инженерно-геофизических исследованиях. "Материалы XV научной конференции аспирантов и молодых ученых МГУ" секция "Геофизика", МГУ. Деп. N 1847-13, ВИНИТИ, 1989. 0,4 п.л. (Соавтор: Белашов Г.В.) 32. А.С. Устройство для возбуждения упругих волн. Заявка N 4108263.Авторское свидетельство N 1380470. Приоритет от 17.06.1986 г. (Соавторы: Калинин А.В., Калинин В.В., Мусатов А.А., Пивоваров Б.Л.).
|
|
