Механизмы затухания волновых процессов при ультразвуковых наблюдениях Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

МЕХАНИЗМЫ ЗАТУХАНИЯ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЯХ*

Семинар № 2

Данная статья является развитием работы [1], где предложен подход определения эффективного коэффициента затухания по полной энергии сигнала по данным ультразвукового каротажа (УЗК) и направлена на увеличение количества информативных параметров, характеризующих строение и состояние массива горных пород, получаемых при ультразвуковых исследованиях.

В общем случае затухание энергии упругих волн, обуславливает уменьшение амплитуд волн при их распространении в поглощающей среде по экспоненциальному закону:

А = Л *

(1)

где Ах - амплитуда на расстоянии х от источника; а - коэффициент затухания.

Очевидно, что определяемый по указанной формуле коэффициент затухания является интегральной величиной. Известно, что в общем случае затухание обусловлено тремя причинами.

1. Поглощением колебательной энергии, связанным с неидеальной упругостью среды, которое вызывает необратимый переход сейсмической энергии в тепловую.

2. Рассеянием энергии упругих волн на внутренних неоднородностях и аномалиях среды, которая определяется не только внутренними физическими свойствами среды, но и ее структурным строением.

3. Расхождением волнового фрон-та, которое главным образом связано со свой-

ствами источника колебаний и геометрией.

Каждая из указанных причин затухания упругих волн по-своему определяет характер изменения энергии волны с расстоянием и дает свой вклад в результирующее изменение поля с расстоянием. В связи с этим представляет интерес определение количественных значений каждой из составляющих коэффициента затухания для расчетов физико-механических и реологических параметров среды.

Общепринятым подходом учета величины расхождения волнового фронта является подбор коэффициентов уравнения вида [2]:

А =

(2)

Ае"

где п - показатель расхождения волнового фронта.

Анализ результатов подбора коэффициентов указанного уравнения показал, что наиболее устойчиво процесс подбора происходит для уравнения

А =

. Для других уравнений

возникали случаи подбора положительного коэффициента затухания, что противоречит физическому смыслу этого явления, поэтому во всех дальнейших расчетах принято именно это уравнение. Сравнивая результаты определения коэффициента затухания по уравнениям (1) и (2) получили, что затухание, обусловленное расхождением волнового фронта, достигает 50 % от

* Работа выполнена при поддержке государственной программы «Ведущие научные школы» (проект НШ -1467.2003.05).

величины эффективного коэффициента затухания.

Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению затухания упругих волн, все попытки оценки составляющих эффективного коэффициента затухания, определяемых поглощением и рассеянием, носят частный характер, и единый подход к их оценке пока не выработан.

В работе [3] разработана методика определения интегрально усредненных параметров горного массива: коэффициентов пористости и проницаемости, декрементов поглощения, плотности, коэффициентов вязкости среды, упругих постоянных Ламе и времени релаксации на основе сейсмических (от 100 до 1000 Гц) исследований угольных пластов и вмещающих пород.

Декремент затухания находим по формуле:

д _ арасУ8

I

(3)

где / - видимая преобладающая частота Б-волны.

Значение относительной плотности скелета породы определяется выражением:

г = і-л (і+^)2 -1

(4)

Коэффициент пористости находится по формуле

Кп =-^-100%.

(5)

(6)

дС1 -1)

У

Р2 Р

Значение средней плотности на исследуемом участке, определяется зависимостью

Р=А(1 - КП ) + Р2 РКП . (7)

Величина времени релаксации составляет

2аУ.

(1 + г)/2

(8)

а постоянную релаксации рассчитываем 1

по формуле Щ =—----------- (9)

1 П8

Значение коэффициента проницаемости, характеризующего способность максимально насыщенной породы при наличии градиента давлении пропускать однородный флюид, найдем по выражению УХ,

, (10)

К ПР =-

Р2

где V - величина коэффициента вязкости флюида.

Эффективные упругие константы Ламе определяются по формулам:

Іі = рУІ (11)

Я = р(У2Р - 2у2) (12)

Очевидно, что величина коэффициента затухания входящая в указанные зависимости характеризуется рассеянием энергии упругих волн на неоднородностях. Таким образом, используя данные зависимости, для разделения поглощения и рассеяния предлагается следующий подход.

Составляющую эффективного коэффициента затухания, определяемую рассеянием, можно представить в виде арас — К ■ аэф , где К - коэффициент, характеризующий долю общей энергии волны, теряемую ею за счет рассеяния на неоднородностях. Зная из лабораторных определений физико-механи-ческих свойств пород коэффициент пористости, плотность скелета и плотность флюида и решая затем обратную задачу, по формулам 3 - 5 можно рассчитать величину ардс. Значения скорости и частоты получаем из экспериментальных данных ультразвукового каротажа, относящиеся к сохранному массиву. Отбросив случайные отскоки

значений скорости и аэф, определяем их средние значения. Отношение рассчитанного значения а по формуле 3 к среднему значению аэф и является переходным коэффициентом К.

В случае отсутствия достоверной информации о коэффициенте пористости для изучаемого массива можно воспользоваться величинами К, полученными эмпирическим путем. Анализ большого количества экспериментальных данных УЗК, полученных на различных объектах и типах горных пород, показал, что величина К для изверженных и метаморфических пород колеблется около 0,1, а для осадочных и глинистых пород К близок к 0,06.

Таким образом, на основании изложенного, можно дать обобщенные количественные оценки составляющих величину коэффициента затухания, определяемого по формуле 1 при ультразву-ковых исследованиях (от 20 до 80 кГц): 45 % - поглощение энергии за счет неидеальной упругости среды (переход в тепловую энергию); 5 % -рассеяние энергии на неоднородностях и 50 % - потери энергии за счет геометрии расхождения волнового фронта.

Выполненные исследования позволили провести обработку данных ультразвукового каротажа на основе информации о динамических параметрах сигналов. Наиболее показательными представляется Саяно-Шушенская ГЭС на которой проводилось два цикла измерений и Богучанская ГЭС измерения на которой проводились в обсаженных металлической трубой скважинах.

Саяно-Шушенская ГЭС

Полевые работы по изучению напряженно-деформированного состояния береговых примыканий Саяно-Шушенской ГЭС выполнялись в левобережной цементационно-дренажной галереи в 2002 г. На-

блюдения проводились в два цикла: весной при минимальном уровне верхнего бьефа (УВБ ~ 500 м) и осенью при максимальном УВБ (~ 534 м). Скважины расположены на оси галереи на расстоянии 15, 25, 40 и 60 м от примыкания плотины и обозначены Л-1, Л-2, Л-3 и Л-4 соответственно.

В результате подъема УВБ отмечается общее снижение уровня скоростей упругих волн и значительное увеличение коэффициента затухания на участках относительно сохранных пород, что может объясняться увеличением порового давления и как следствие раскрытие микротрещин (см. рис. 1 и 2).

Отмечаемое наиболее четко в скважине Л1 на глубине 13 мив скважине Л3 на глубинах 2, 4, 7 и 16-18 м уменьшение коэффициента затухания на крупных геологических нарушения, свидетельствует о значительной пригрузке массива, приведшей к уменьшению трещинной пустотности (см. рис. 3).

По результатам повторных измерений отмечается более чувствительное изменение величины коэффициента затухания к изменениям в массиве, вызванным повышением уровня воды в водохранилище. Что доказывает возможность оценки текущего состояния

Богучанская ГЭС

Ультразвуковые измерения выполнены в пьезометрических скважинах диаметром 50 мм, разбуренных в цементационной галерее в секциях №№ 18-25. Все они обсажены стальными трубами. Волновая картина осложнена высокоскоростными трубными волнами, распространяющимися по металлу. В мировой практике имеется опыт выделения поперечных волн в обсаженных скважинах

[4].

1-й цикл

2-й цикл

В результате стандартной обработки

[5] на фоне помех удалось выделить только поперечную волну Уб!, для которой были построены скоростные графики У8 = КИ), отличающиеся сильной из-резанностью, вызванной неоднородно-

Рис. 1. Скорости упругих волн V, м/с. СаяноШушенская ГЭС

Рис. 2. Эффективный коэффициент затухания, м1. Саяно-Шушенская ГЭС

стью геологического строения исследуемого массива. Отсутствие данных о скоростях продольной волны Ур не позволило оценить упругие и деформационные характеристики скалы для отдельных интервалов скважин. Графики У8 = ДИ) были использованы лишь для уточнения информации о размерах зоны разгрузки.

Рассчитанные по формулам 3-12 параметры и их диапазоны изменения приведены в таблице.

По геологическим данным коэффициент трещинной пустотности для доле-ритов групп сохранности Б и В составляет 1-5 % [6], результаты наших расче-

Рис. 3. Коэффициент пористости, Шушенская ГЭС

Саяно-

тов удовлетворительно согласуются с этими величинами.

Выводы:

Полученные результаты разделения составляющих коэффициента затухания не противоречат физическому смыслу этого явления.

Применение указанного подхода к выделению составляющих коэффициента затухания позволяют получать дополнительный ряд физико-механических и реологических параметров при обработке данных УЗК, что существенно повышает его информативность.

Скорость поперечных ВОЛН, У8 м/с 2.25-3.42 2.82 Время релаксации, т 10-6 с 0.35-4.19 1.13

Коэффициент затуха- 1.47-14.11 Постоянная релакса- 0.12-1.18

ния, а м"1 3.59 ции, 0 10-3 с 0.50

Коэффициент порис- 1.2-11.9 Коэф. проницаемо- 0.63-7.55

тости, Кп % 3.7 сти, Кпр 10-10 м2 2.03

Плотность, р кг/м3 2.22-2.77 Модуль сдвига, 5.34-32.0

2.68 ц 103 МПа 21.96

1. Аверин А.П. Исследование параметров затухания при ультразвуковых наблюдениях. Горно-информационный бюллетень, №10, - М.: Изд-во МГГУ, 2004.

2. Берзон И.С. Епинатъева А.М., Парий-ская Г.Н., Стародубровская С.П. Динамические характеристики сейсмических волн в реальных средах. Изд. АН СССР, М., 1962.

3. Захаров В.Н. Сейсмоакустическое прогнозирование и контроль состояния и свойств массива горных пород при разработке угольных месторождений.- М.: ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2002.

4. Sonic logging through casing for porosity and fluid characterization in the Wilmington Field, CA. / Moos Daniel, Dvorkin Jack // SEG / DEN-VER'96: SEG Int. Expo. and 66th Annu. Meet., Denver, Colo, Nov.10-15, 1996 Vol.1 - Tulsa (Okla), 1996.- c. BG 2.5.\

5. Савич А.И., Коптев В.И., Никитин B.H., Ященко З.Г. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. - М.: Недра, 1969.

6. Смулъский П.Я. Богучанская плотина на р. Ангаре. В кн. Геология и плотины. Вып. XII -М.: Энергоатомиздат, 1992.

— Коротко об авторах

Захаров В.Н. - ИПКОН РАН, Аверин А.П. - ЦСГНЭО.

---------------------------------------------------------------------- НОВИНКИ

ИЗДАТЕЛЬСТВА МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА

Пучков Л.А., Сластунов С.В., Федунец Б.И. Перспективы добычи метана в Печорском угольном бассейне. — 556 с.: ил.

КВЫ 5-7418-0336-9 (в пер.)

Изложены результаты исследований, в ходе которых собрана и обобщена горно-геологическая и горно-техническая информация по Воркутинскому месторождению, основные принципы и методология оценки участков угольных месторождений и конкретных шахтных полей Воркутинско-го месторождения по метанодобываемости. Дан анализ распределения метана по месторождению. Описаны подготовка геодинамического районирования объектов для выявления перспективных участков работ по добыче угольного метана и методика метанодобываемости угольных пластов с определением показателей природной газоотдачи угольных пластов в скважины. Рассмотрены перспективы использования угольного метана. Изложены основные экологические аспекты рассматриваемого вопроса и первичные результаты натурных исследований, проведенных на двух скважинах поля доразведки шахты «Комсомольская».

Для инженерно-технических работников топливно-энергетического комплекса, специалистов научно-исследовательских и проектных организаций угольной и газовой промышленности.

УДК 622.411.33

lOO