|
Владов Михаил Львович
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук
|
оглавление |
Общая характеристика работы.
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.
Апробация работы (1980-2001 г.г.).
Вопросы, связанные с методикой возбуждения и приема упругих волн бесприжимными
устройствами и использованием результатов просвечивания для изучения карстовых
явлений в крупных городах, обсуждались на 1 Всесоюзном семинаре "Методы
типизации и картирования геологической среды городских агломераций для решения
задач планирования инженерно-хозяйственной деятельности" (г. Горький,1982
г.)
Проблемы изучения верхней части разреза по данным сейсмического каротажа
и межскважинного просвечивания обсуждались на "Совещании-семинаре по
автоматизации обработки геофизической информации" (г. Пермь, 1986 г.),
на научно-техническом семинаре "Применение геофизических методов при
инженерно-геологических исследованиях и охране окружающей среды" (г.
Симферополь- г. Киев, 1987 г.), на международной научной конференции "Геофизика
и современный мир" (Москва, 1993 г.).
Многоволновой подход к результатам работы источника
типа центра расширения в водонаполненной скважине, вопросы использования гидроволн
при восстановлении скоростного разреза сдвиговых волн по данным скважинной
томографии обсуждались на ежегодной научной конференции "Ломоносовские
чтения" (г. Москва, 2001 г.) и научно-практической конференции "Геоакустика-2001"
(г. Москва, 2001 г.).
Основное содержание работы изложено в 30 статьях и главах двух монографий.
Всего в соавторстве опубликовано более 50 работ, получено 1 авторское свидетельство.
По тематике исследований автором работы читаются лекции для студентов 5
курса и магистрантов, защищаются дипломные работы, защищены две кандидатских
диссертации по результатам работ, в в постановке и проведении которых автор
принимал непосредственное участие.
Благодарности.
В течении более, чем 25 лет научным руководителем, идейным вдохновителем и
во многих случаях непосредственным участником всех сейсмических исследований
и скважинных в том числе являлся заведующий кафедрой сейсмометрии и геоакустики
Геологического факультета МГУ, профессор, доктор физико-математических наук
Аркадий Васильевич Калинин. Хочу выразить глубокую благодарность своему учителю
и скорбь по поводу его безвременной кончины.
Все проведенные исследования и работы являются
результатом тесного сотрудничества с коллегами по кафедре сейсмометрии и геоакустики.
Только благодаря усилиям большого коллектива мог быть осуществлен огромный объем
экспериментальных и производственных работ в России и за рубежом. В разное время
и в разных формах, но постоянно автор пользовался поддержкой, помощью и советами
коллектива лаборатории сейсмоакустики, это: профессор, доктор физ.-мат. наук
В. В. Калинин, канд. геол.-мин. наук
канд. геол.-мин. наук Смольянинова Е.И., канд.
геол.-мин. наук Стручков В.А., канд. геол.-мин. наук Шалаева Н.В., инж. Кузуб
Н.А. канд. геол.-мин. наук Мусатов А.А., канд. геол.-мин. наук Гайнанов В.Г.,
канд. геол.-мин. наук Старовойтов А.В., инж. Рослов А.Г., инж.Белашов Г.В.,
инж.Кирсанов В.А.
Всем автор выражает глубокую признательность и благодарность с надеждой на
дальнейшее сотрудничество.
Состав и структура работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 277 страниц текста, включая 99 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 137 наименований.
|
