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

Глава 2. Экспериментальные исследования электроискрового источника в НВС.

Цель экспериментальных исследований эффекта возбуждения импульсными токами упругих волн в водонаполненной скважине состоит в том, чтобы использовать этот эффект для создания источника упругих колебаний. При этом, источник должен удовлетворять следующим требованиям: а) генерировать упругие колебания со стабильными параметрами в диапазоне сейсмических и сейсмоакустических частот от 20 до 2000 герц; б) позволять варьировать спектральный состав и интенсивность возбуждаемых колебаний в широких пределах, что вызвано необходимостью изучения реальных геологических сред в широком диапазоне их физических характеристик; в) необходимо иметь возможность рассчитывать соотношения, определяющие параметры сейсмических колебаний в частотной и временной областях в зависимости от конструктивных и электрических параметров источника.

Первым вопросом, требующим исследования, является собственно механизм возникновения упругих колебаний при электрическом разряде в скважине. За отправную точку приняты теоретические и экспериментальные исследования механизма образования упругих волн в открытой воде.

Ограничение объема, в котором происходит преобразование электрической энергии в акустическую приводит к принципиальному изменению формы волны давления, излучаемой в окружающую среду, и ее интенсивности при тех же параметрах разрядной цепи.

В диссертационной работе представлены результаты ряда лабораторных экспериментов, на основании которых сделаны выводы об отличии механизма разряда в трубах и скважинах от условий свободной воды. Получена зависимость типа разряда от величины межэлектродного промежутка в воде с различной соленостью при напряжении выше 3-4 кВ и показано, что независимо от солености (проводимости) разряд типа стекания тока с образованием интенсивных упругих волн начинается с расстояний 4-6 см. Это существенное отличие от условий безграничной жидкости, где в соленой воде режим стекания тока начинается с нескольких десятков сантиметров, а в пресной воде вообще не реализуется. Этот результат позволяет ориентироваться на механизм возбуждения упругих волн при разряде типа стекания тока без существенных увеличений размеров излучателей в скважинах в виде альтернативы режиму пробоя. При пробое требуется строгое поддержание межэлектродного расстояния в первые сантиметры в процессе работы для обеспечения стабильности возбуждаемых колебаний. Кроме того, режим пробоя хотя и обеспечивает возрастание интенсивности возбуждаемых волн в сравнении со стеканием тока при тех же электрических параметрах разряда, создает разрушающие нагрузки на собственно излучатель и разрядные электроды.

По данным других авторов и результатам собственных экспериментов показано как изменяется форма импульса давления при размещении излучателя в цилиндрической полости в сравнении с импульсом в открытой воде.

Исследовано влияние металлических и пластиковых обсадных труб на интенсивность возбуждаемых колебаний.

Ключевым моментом этой части работы является то, что в лабораторных и натурных экспериментах исследуются характеристики волн разных типов, появление которых связано с наличием скважины, в зависимости от электрических и конструктивных параметров электроискрового источника. При изучении параметров возбуждаемых сигналов в различных обсадных трубах ранее исследовались лишь продольные волны в окружающем пространстве.

Далее в этой главе приведены описания аппаратно-технических средств, установок для проведения исследований и методик экспериментов.

Приводится описание экспериментов по изучению функции электроискрового источника как инструмента для практического использования в реальных условиях и с реальными излучающими конструкциями.

При анализе характеристик возбуждаемых прямых волн и гидроволн в скважине с источником и при межскважинных просвечиваниях исследовался ряд электроискровых источников: маломощных - с энергией разряда до 100 -200 джоулей, источников средней мощности - до 1 кДж и мощных источников с энергией разряда в десятки килоджоулей.

Анализ экспериментальных зависимостей параметров возбуждаемых волн от величины межэлектродного промежутка l показал следующее.

Для источников большой мощности процесс выхода кривой амплитуды возбуждаемых колебаний на асимптоту только начинается с межэлектродных расстояний в 20 см. Проигрыш в интенсивности сигнала при увеличении межэлектродного промежутка с 5 см до 20 см составляет около 4 раз. Поскольку поддержание постоянного малого l представляет серьезные технические трудности, и кроме того, работа на крутом участке кривой может привести к потере стабильности возбуждаемых импульсов, конструкторы излучателей стоят перед альтернативой: потеря интенсивности либо потеря стабильности возбуждения.

Для источников средней и малой мощности выход на асимптоту осуществляется гораздо раньше - примерно между 5 и 6 см и между 4 и 5 см соответственно. Во-первых, оказывается, что для энергий с 5 кДж и ниже характер кривых примерно одинаков, во-вторых, в области малых межэлектродных расстояний характер этих кривых гораздо круче, чем для больших энергий. Зато и обеспечить точное поддержание малого межэлектродного промежутка при малых и средних энергиях разряда легче, поэтому возможны варианты стабильно и долго работающих излучателей в области асимптоты, например, 7 - 8 см, и в области резкого подъема интенсивности, например, 2 -3 см.

Исследование зависимостей спектрального состава и формы возбуждаемых импульсов от величины межэлектродного промежутка показало, что в рассматриваемом диапазоне l зависимость величины центральной частоты спектра возбуждаемых колебаний от l внешне напоминает рассмотренные зависимости для интенсивности, абсолютные перепады осредняющих кривых не превышают 10%. Необходимо отметить, что для маломощного источника при измерениях в той же скважине смещение максимума спектра (центральной частоты) гидроволны практически "параллельно" смещению максимума спектра объемной продольной волны.

Таким образом, при уменьшении межэлектродного промежутка импульсы остаются подобными сами себе, но при этом несколько уменьшается величина видимого периода (на 5 -15 %) и возрастает интенсивность (в 2 -4 раза).

При исследовании зависимости энергии возбуждаемого импульса давления от площади разрядных электродов была обнаружена область экстремума в окрестности значений суммарной площади потенциальных электродов 14,4 мм². Большая крутизна кривой E(S) в окрестности экстремума свидетельствует о необходимости тщательного контроля не только за величиной межэлектродного промежутка, но и площади разрядных электродов при конструировании и в процессе эксплуатации электроискрового источника.

В работе представлена зависимость характеристик возбуждаемых волн от солености (проводимости) жидкости и определена асимптотическая часть кривой, где возрастание солености не приводит к изменениям характеристик сигналов - наиболее предпочтительная с точки зрения стабильности возбуждаемых колебаний.

В исследованиях зависимостей характеристик возбуждаемых сигналов от электрической энергии разряда использовался весь ряд источников от маломощных до мощных.

Для мощных источников по характеру зависимости интенсивности возбуждаемых колебаний , определяемой по размаху между P⁺ и P^- (величины положительного и отрицательного пиков избыточного давления) от энергии W, выделяются два диапазона энергий. В диапазоне W=5-20 кДж скорость возрастания A(W) значительно меньше, чем скорость возрастания в диапазоне 30-210 кДж. В первом случае наблюдается неинвариантность относительно C и U при фиксированной W.

В частности, увеличение напряжения U от 5 до 10 кВ приводит к двукратному увеличению А при W=const для излучателя с закрепленными значениями межэлектродного промежутка, площади и геометрии разрядных электродов. В области значений W>30-40 и вплоть до 210 кДж увеличение A(W) с ростом W происходит с большей (в 2-3 раза) скоростью, чем в области низких значений W. При этом наблюдается четко выраженный характер уменьшений скорости роста A(W,U) при уменьшении U для W=const. При максимальных значениях U=15 кВ A(W) ведет себя линейно вплоть до W=210 кДж, в то время как кривая A(W,U) при U=5 кВ резко уменьшает скорость роста, начиная со значений W=100кДж.

Ряд закономерностей, отмеченных для мощных источников, имеет сходный характер при возбуждении упругих волн с помощью источников средней и малой мощности.

Для источников средней мощности в диапазоне энергий от 0.625 до 5 кДж изменения частотного состава и формы колебаний не превышают первых процентов. Интенсивность колебаний практически линейно возрастает с ростом энергии разряда. В работе представлены осредняющие кривые по большим сериям опытов для трех наиболее часто встречающихся в приповерхностной части разреза разностей пород. В целом, чем плотнее порода, тем ярче проявляется рост интенсивности волн давления от энергии разряда. Так при переходе от глин к известнякам интенсивность сигнала возрастает в десятки раз. Собственно увеличение интенсивности в этом диапазоне энергий при постоянных внешних условиях не велико и если возникает настоятельная необходимость в увеличении сигнала, например, в 4 раза, то не исключено, что гораздо технологичнее достигнуть этого с помощью синхронного накопления, чем с помощью увеличения энергии разряда (увеличение веса и объема накопительных емкостей, нагрузок на разрядные электроды и т. д.).

Для маломощных источников полученные результаты исследований сводятся к следующему.

• Изменение гидродинамики процесса приводит к повышению центральной частоты спектра импульса продольной волны;
• сравнительное с безграничной водой ослабление импульса продольной волны, тем большее, чем выше акустическая жесткость стенок скважины;
• мощное поршневое движение в обе стороны от излучателя в скважине, порождающее гидроволну.

Полученные в работе зависимости характеристик возбуждаемых электроискровым источником сигналов от параметров разряда и конструкции излучателей позволяют выбирать оптимальные участки кривых для работы в водонаполненных скважинах и управлять интенсивностью и спектральным составом возбуждаемых волн давления.