Все о геологии :: на главную страницу! Геовикипедия 
wiki.web.ru 
Поиск  
  Rambler's Top100 Service
 Главная страница  Конференции: Календарь / Материалы  Каталог ссылок    Словарь       Форумы        В помощь студенту     Последние поступления
   Геология >> Геофизика >> Сейсмометрия и геоаккустика | Диссертации
 Обсудить в форуме  Добавить новое сообщение

Сейсмоакустические многоволновые исследования в водонаполненных скважинах с помощью электроискрового источника упругих волн

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

    Пивоваров Б.Л.

    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.

    содержание | следующая >>
    Полные данные о работе Геологический факультет МГУ

    Проект осуществляется при поддержке:
    Геологического факультета МГУ,
    РФФИ
       
    TopList Rambler's Top100