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

Глава 5. Применение сейсмоакустических исследований в НВС при решении геологических и геотехнических задач.

В этой главе приводятся три примера исследований в НВС c описанием аппаратурно-методического обеспечения, обработки и интерпретации результатов. Целью этой главы является демонстрация возможностей предлагаемого метода исследований верхней части разреза, его информативности, гибкости и эффективности.

Наблюдения проводились на профиле длиной 900 м в необсаженных скважинах диаметром 127 мм непосредственно после окончания процесса бурения и промывки технической водой. Наблюдения проводились по методике каротажа с использованием 10-ти канальной приемной пьезокосы и одноэлектродным излучателем в контейнере с соленой водой в составе приемно-излучающего устройства на расстоянии 2 м от первого приемника. Подъем устройства с забоя скважины осуществлялся с обеспечением перекрытия на 2 канала. Привязка годографов к поверхности осуществлялась по показаниям электродинамического приемника на устье скважины. Использован блок электроискрового возбуждения с энергией разряда 90 Дж при напряжении разряда 5 кВ. Затем построенные годографы времен вступлений прямых продольных волн и гидроволн были подвергнуты стандартной обработке для определения интервальных скоростей.

По скоростям распространения продольных волн разрез от поверхности до 35-40 м можно представить двухслойной моделью: под слоем собственно ЗМС располагается толстый слой со слабыми вариациями скорости продольных и гидроволн. Зона малых скоростей представлена слоем, в нижней части которого имеется градиентный переход. Таким образом, подошва ЗМС образует границу второго рода. Ниже глубин порядка 20 м скорость гидроволн можно считать постоянной. В этом интервале глубин она в 5-6 раз меньше, чем скорость продольных волн. Выше по разрезу можно выделить слой с заметным градиентом скорости гидроволн, причем во всех скважинах зона градиента v_г начинается значительно ниже зоны градиента v_р.

Это экспериментальное доказательство возможности резкого несовпадения мощностей ЗМС для продольных и поперечных волн. В практическом отношении это обстоятельство имеет важное значение, поскольку при введении статических поправок за ЗМС для метода ОГТ на поперечных и волнах и при использовании обменных волн знание скоростной характеристики ЗМС, полученной только по продольным волнам, не может удовлетворить требованиям эффективного суммирования.

Факт "расщепления" ЗМС может привести к значительному усложнению волновой картины и динамики отраженных обменных волн от глубоких границ раздела и при решении задач прогнозирования свойств разреза.

По-видимому, такие наблюдения, занимающие не более 0.5 часа времени на скважину глубиной 30 -40 м целесообразно проводить при мощных зонах малых скоростей на площадях проведения различных модификаций МОВ-ОГТ со взрывами, если не в каждой взрывной скважине, то по крайней мере, в местах пересечения профилей.

Определение прочностных и деформационных характеристик массива грунтов, закрепленного грунтоцементными сваями.

Это весьма распространенная геотехническая задача, решаемая в основном путем откапывания стенки закрепленного массива и выбуривания образцов из разных его частей. Полученные образцы подвергаются лабораторному анализу и таким образом получают искомые характеристики. Очевидно, что технологически такой способ контроля качества закрепления имеет много недостатков, хотя полностью отказаться от лабораторных определений прочностных и деформационных характеристик не представляется возможным.

В то же время, можно значительно сократить объемы таких определений с откапыванием стенок, если воспользоваться скважинами, пробуренными с поверхности в нескольких закрепляющих сваях. Отобранный керн может служить материалом для лабораторных определений свойств вещества сваи, а собственно скважины - для предложенного метода сейсмоакустических наблюдений и в теле свай, и на просвет, что даст сведения об интегральных характеристиках закрепленного массива.

Для производства работ были предоставлены три скважины в центрах закрепляющих грунтоцементных свай, расположенных на разных расстояниях на профиле вдоль закрепленного массива.

Были проведены сейсмоакустические наблюдения по методикам каротажей в каждой скважине с неподвижным источником и перемещающимся пошагово приемником, а также на постоянных базах между источником и приемником. Анализу подвергались характеристики продольных волн и гидроволн. В результате вдоль стволов каждой скважины были получены скоростные кривые продольных волн, значения динамического модуля сдвига, скоростные кривые поперечных волн, рассчитанные по значениям модуля сдвига и заданной плотности материала. В диссертации приведена оценка относительной погрешности определения значений модуля сдвига и скорости поперечной волны по скорости гидроволны. В данном примере максимальная погрешность при расчете модуля сдвига на интервале в 1 м составила 5%, а скорости поперечной волны - 2,5 %.

При межскважинных просвечиваниях была реализована система наблюдений NxM лучей, где N- число пунктов возбуждения, а M - число пунктов приема.

Такая система наблюдений обеспечивает необходимое количество лучей для измерения времен пробега прямых продольных волн при постановке задачи двумерной томографии.

При комбинации каротажных наблюдений с просвечиваниями задание начальной модели среды для томографического обращения и контроля результата имеет хорошую основу в виде скоростных кривых вдоль стволов скважин и результатов просвечивания с размещением источника и приемника на одинаковых глубинах. В результате были получены разрезы межскважинных пространств в изолиниях скоростей продольных волн. Дальнейший пересчет динамических модулей в статические и расчеты предела прочности на сжатие осуществлялись по известным корреляционным зависимостям с привязкой к лабораторным определениям.

Решение этой геотехнической задачи предложенным в диссертации способом в настоящее время осуществляется в Перми, Москве и Санкт-Петербурге при закреплении массивов грунтов для строительства тоннелей, дорог и других сооружений.

Типичная задача исследования массива грунтов, когда поверхность закрыта сооружением и недоступна для наземных методов. В таких ситуациях скважины располагают по периметру сооружения и проводят просвечивания в комбинации с каротажными наблюдениями.

Скважинные исследования проводились в трех скважинах - С-51,52,53. Расстояния между скважинами составляли: С53-С51 - 85м и С51-С52 - 92м.

Скважины имели диаметр 146 мм, глубину 100 м, были обсажены пластиковыми трубами диаметром 110 мм. Скважина 51 заполнена водой до отметки -4 м от поверхности, скважина 52 - 7м , скважина 53 - 4м. Разброс в отметках абсолютных высот устьев скважин составил 4м. Естественная соленость воды в скважинах превышала 5 %, что позволяло использовать режим стекания тока без искусственного подсаливания воды. При размещении источника и приемной косы в одной скважине излучатель находился ниже пьезокосы. Источник располагался на глубинах 96 м и 50 м. Использованная методика двухступенчатых наблюдений применялась с целью непрерывного прослеживания гидроволн. Продольные волны четко регистрировались во всем интервале наблюдений при всех указанных положениях источника. При каждом положении источника регистрация волн проводилась при последовательном перемещении пьезокосы на 1 м вниз. Кроме того, во всех трех скважинах был выполнен сейсмокаротаж на постоянной базе 2 м с шагом наблюдений 1 м (источник и приемник перемещались синхронно с фиксированным расстоянием между ними 2 м).

Для проведения сейсмоакустических исследований использовался комплект аппаратуры аналогичный тому, что использовался в предыдущем примере, но с энергией разряда 600 Дж.

В первых вступлениях отчетливо прослеживается проходящая Р-волна, в последующих - можно выделить ось синфазности, соответствующую гидроволне. При этом и продольная волна в первых вступлениях, и гидроволна прослеживаются на любом удалении от источника. Соотношение сигнал шум - не менее 300.

Вышеописанные аппаратура и методика обеспечивали инструментальную погрешность отсчета времен +0.05 мс. Это позволяло определять скорости проходящих продольных волн на интервале 2 м с погрешностью 5-8% и скорости гидроволн с погрешностью 1.5 -2 %.

Методика определения интервальных скоростей была обычной для каротажа. Были получены времена первых вступлений проходящих волн t_P и гидроволн t _G . В случае, когда источник находился в той же скважине, что и приемник, скорость определялась по формуле :

;

где h = 2м , t = t_i+2 - t_i -разность времен на приемниках, расположенных через 2 метра. При каротаже на постоянной базе скорость определялась по формуле $V_{int}^{} = \Delta h / t_{i} $, где t - наблюденное время вступления, h = 2 м.

Полученные интервальные скорости гидроволн использовались для расчета скоростей поперечных волн :

,

где - - модуль сдвига (Па), - плотность породы (кг / м³ ); V_P - скорость продольных волн (м/с).

Модуль сдвига рассчитывался по формуле:

;

где : ₀ , с₀ - плотность жидкости, заполняющей скважину, и скорость продольных волн в этой жидкости, V_G - скорость гидроволны. Используемая формула верна в случае, если длина гидроволны много больше диаметра скважины. В песчано-глинистых разрезах скорость гидроволны не превышает 700-800 м/с, что при частоте 1000 Гц и менее соответствует длине волны 0.7 м и более.

Анализ скоростных кривых продольных волн показал, что по всем скважинам можно выделить семь "комплексов", характеризующихся сходным характером скоростных кривых: пласты с постоянной скоростью, пласты с явным положительным градиентом скорости, пласты с отрицательным градиентом скорости. Выявляется и достаточно четкая корреляция скоростных кривых между скважинами.

По записям волновых картин при каротажных наблюдениях с фиксированным на забое излучателем произведено определение параметров поглощения продольных волн и гидроволн.

Расчеты параметра поглощения способом отношения амплитудных спектров проводились в полосе 500 - 2000 Гц для продольных волн. В работе приведены примеры амплитудных спектров прямой продольной волны для различных положений приемника и кривые логарифмов результатов деления спектров с осредняющими кривыми в выбранной полосе частот. Отсутствие нулей в спектрах в выбранной полосе частот подтверждает отсутствие интерференции в области прямой продольной волны. Кривые зависимости логарифма отношения амплитудных спектров от частоты хорошо осреднялись отрезком прямой по методу наименьших квадратов, что говорит о выполнении условия линейной зависимости коэффициента поглощения от частоты.В результате, на фоне общего уменьшения константы поглощения с глубиной от 4,0х10^-6с/м в верхней части до 1,5х10^-6 с/м внизу можно отметить два слоя с повышенным поглощением до 5,0 х10^-6 с/м в интервале глубин от 35 до 58 метров. Наиболее высоким поглощением в данном случае характеризуется нижняя часть слоя глин и пески с глинистыми пропластками.

Импульсы гидроволн вдоль ствола скважины были подвергнуты тем же процедурам, что и импульсы продольных волн. Однако, импульсы гидроволны имеют гораздо более узкополосный спектр в сравнении с импульсами прямой продольной волны на всем пути своего распространения, поэтому и полоса для расчетов параметра поглощения выбирается более узкой 50 - 300 Гц. В итоге получены значения константы поглощения для следующих интервалов разреза. Интервал - 23 - 36 м. 40 - 44 м 58 - 78 м 78 - 91м

Значение - 3х10^-4с/м 1,253х10^-4с/м 1,353х10^-4с/м 1,73х10^-4с/м

Как видно, для тех же интервалов глубин, константа поглощения гидроволн более, чем на порядок, превышает значения константы поглощения для продольных волн. Собственно значения константы поглощения действительно близки к значениям константы поглощения поперечных волн в песчано-глинистой толще по справочным данным.

Методика томографических исследований состояла в следующем. Источник и приемник перемещались вдоль скважины с шагом 2 м. При каждом положении источника в одной скважине приемная пьезокоса перемещалась в другой скважине в интервале глубин от 4 м до забоя.

При постановке просвечиваний свободно перемещающиеся в стволах скважины источники и приемники открывают новые возможности для постановки наблюдений по методу вертикального сейсмического профилирования.

В предыдущих главах диссертации были показаны зависимости возбуждаемого электроискровым источником импульса продольной волны от различных внешних условий и, в том числе, от свойств пород. Наиболее высокочастотный импульс продольной волны образуется в наиболее акустически жестких породах и при большем гидростатическом давлении - глубине. Это свойство было реализовано при производстве межскважинных просвечиваний. Излучатель был зафиксирован в стометровой скважине вблизи забоя, а приемник перемещался в стволе другой скважины, расположенной на расстоянии также около 100 метров. В результате такого варианта обращенного ВСП получены записи волн в диапазоне до 1000 Гц, на которых четко видны оси синфазности отраженных при больших углах падения продольных волн. Результаты этих наблюдений легли в основу выделения сейсмических комплексов в слабо дифференцированной по скоростям песчано-глинистой толще и послужили для привязки отражающих границ к глубинам при обработке и интерпретации данных МОГТ.

Необходимо подчеркнуть, что такой частотный диапазон, детальность и разрешенность волновой картины принципиально недостижимы для традиционных вариантов ВСП в верхней части разреза с поверхностным источником.

В итоге сейсмоакустических наблюдений получены скоростные разрезы по плоскостям между скважинами с опорой на каротажные данные в каждой скважине, с помощью кинематики гидроволн восстановлен разрез по скоростям поперечных волн, получены параметры поглощения продольных волн и гидроволн, по результатам варианта обращенного ВСП разрез расчленен на ряд сейсмических комплексов.

Приведенными примерами практического использования представленного в диссертации метода исследований верхней части разреза далеко не исчерпываются его возможности и реальное использование для решения разнообразных задач.