CC BY
28
СЕМИНАР 17
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99
В.Н. Носов, проф., Р.В. Кузьмин, асп.,
МАДИ ТУ МАДИ ТУ
ПРОБЛЕМА ПРИМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-СЕЙСМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ГОРОДСКИХ И НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ
Планирование, качественное
проектирование, строительство новых, а также реконструкция существующих сооружений должны опираться на своевременно получаемую, качественную инженерно-геологическую информацию. Последняя также необходима в период эксплуатации сооружений.
Задачу получения качественной информации в требуемые сроки можно решить лишь в том случае, если инженерно-геологические исследования проводятся по научно обоснованной методике, базирующейся на достижениях современной инженерной геологии.
В настоящее время не существует системы, позволяющей получать наглядную геологическую информацию в виде разрезов грунтов в реальном масштабе времени, пригодную для использования при строительстве, проектировании и эксплуатации сооружений. Созданные на сегодняшний день системы, работающие на принципе излучения и регистрации электромагнитных волн, не способны обеспечить требуемую глубину исследования и обладают низкой разрешающей способностью. Кроме того, электромагнитные свойства исследуемого грунта зависят от таких факторов, как влажность, температура и т.п., следовательно, подобные методы не могут быть достаточно достоверными.
Безусловно, наиболее информативными в области исследования внутреннего строения, а также свойств грунтов являются упругие колебания, распространяемые в них. Параметры, которыми характеризуются физико-механические свойства грунта, такие как модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона ц,
плотность среды р, модуль сдвига G связаны математическими зависимостями со скоростями распространения объёмных продольных и поперечных упругих волн, и, следовательно, регистрируя упругие волны и вычисляя скорости их распространения, можно с достаточной точностью охарактеризовать физико-механические свойства исследуемого грунта.
Кроме того, каждый вид грунта может быть определён по его поглощающими свойствам, которые характеризуются логарифмическим декрементом затухания упругих волн.
Обратимся к существующим на сегодняшний день сейсмическим методам и проанализируем их.
1. Сейсмические наблюдения
Так как сейсмические наблюдения основаны на определении скоростей распространения упругих волн в исследуемой среде, то непосредственно, в результате их применения, можно получить только сейсмический разрез, на котором нанесены положения и форма преломляющих границ и значения граничных скоростей, что требует применения громоздкого математического аппарата. Для того, чтобы сейсмическому разрезу придать инженерногеологическое содержание (т. е. сейсмические границы отождествляются с определёнными геологическими границами, а каждому пласту приписываются соответствующие инженерно-геологические характеристики) требуется дополнительная совместная обработка с геологами.
Таким образом, непосредственные результаты сейсморазведочных наблюдений не позволяют получить наглядный геологиче-
ский разрез, что является одним из основных недостатков.
Применение математического аппарата предопределяет погрешности вычислений, что влияет на достоверность конечного результата.
Также к недостаткам следует отнести сложность технологии проведения наблюдений, низкую производительность.
Некоторые виды сейсмических наблюдений позволяют получать геологическую информацию с больших глубин (десятки метров и более), но при этом имеют низкую разрешающую способность.
К преимуществам сейсморазведочных наблюдений следует отнести наличие переносных образцов аппаратуры и её универсальность.
2. Акустические наблюдения
На сегодняшний день уже созданы методики и комплекты аппаратуры, позволяющие получать изображения разрезов исследуемого грунта на акваториях. Наиболее удачным является использование для этих целей электроакустического преобразователя
«Сапфир», имеющего электроакустический КПД - 0.95; также к преимуществам следует отнести наглядность результатов наблюдений (самописцы в реальном масштабе времени методом амплитудно-частотной модуляции вычерчивают геологический разрез исследуемого грунта), высокая разрешающая способность, высокая производительность.
Недостатком существующих акустических методов является возможность работы только в воде.
3. Ультразвуковые наблюдения.
К преимуществам следует отнести возможность применения в лабораторных исследованиях,
152
возможность создания переносных образцов аппаратуры, высокую разрешающую способность.
Недостатком ультразвуковых наблюдений является невозможность применения для исследования больших массивов (вследствие быстрого затухания волн ультразвукового диапазона).
Сформулируем общие требования к инженерно-сейсмическим методам, применимым в городских и натурных условиях, а также к аппаратуре, используемой в них:
♦ высокая производительность;
♦ большая (до нескольких десятков метров) глубина исследования;
♦ высокая разрешающая способность;
♦ наглядность конечного результата (получение изображения разреза грунта);
♦ универсальность (по отношению к различным видам дорожных покрытий);
♦ возможность определения физико-механических свойств грунта;
♦ безопасность и экологичность;
♦ простота конструкции;
♦ простота эксплуатации и обслуживания;
♦ мобильность. Проанализировав различные
сейсмические методы, можно сделать вывод о том, что наиболее полно отвечают вышеперечисленным требованиям акустические методы исследования, из которых следует особо выделить метод
профилирования дна акваторий с использованием электроакустического преобразователя «Сапфир».
В настоящее время не существует равнозначного по эффективности метода для наземных наблюдений. Наиболее перспективным, на взгляд автора настоящего доклада, способом наблюдений с поверхности земли является метод, основанный на использовании наземного сейсмопрофилографа (геовизора), одна из конструкций которого была разработана и запатентована профессором Носовым В.Н. (патент SU 1396110). Перечислим задачи, решаемые сейсмо-профилографом (геовизором):
♦ обнаружение подземных карстов и неоднороднородностей;
♦ обнаружение рудных тел;
♦ прослеживание подземных коммуникаций, диагностика состояния фундаментов зданий и сооружений, дорог и др. объектов, обнаружение утечек из трубопроводов;
♦ контроль за состоянием плотин гидростанций в процессе строительства и эксплуатации;
♦ оценка и выбор места при установке опор;
♦ археология;
♦ мостостроительство;
♦ сооружение промышленных объектов и строительство в нефтяной, газовой и др. отраслях промышленности;
♦ сооружение и контроль за состоянием ВВП аэродромов и др.
Разнообразие вышеперечисленных задач обуславливает работу с различными типами грунтов, различной плотностью поверхностного слоя и высотой его неровностей.
Так как в настоящий момент не представляется возможным создать конструкцию геовизора, способную решать все вышеперечисленные задачи, то целесообразно вести разработку конструкций, основанных как на контактном, так и на бесконтактном способе излучения акустических волн в исследуемую среду.
До сих пор не представлялось возможным создать систему для подземного звуковидения из-за того, что существующие акустические преобразователи не могли обеспечить требуемую чувствительность, полосу пропускания и др. параметры, необходимые для решения поставленной задачи.
Однако, при использовании в исследованиях электроакустических преобразователей третьего поколения, выполненных на основе пьезокерамики, «Сапфир» (который прекрасно зарекомендовал себя при работе на акваториях) и также «Оникс», были получены первые положительные результаты, о которых будет доложено далее.
© В.Н. Носов, Р.В. Кузьмин
В.Н. Носов, проф., Р.В. Кузьмин, асп.,
МАДИ ТУ МАДИ ТУ
Результаты экспериментов при проведении инженерно-сейсмических работ в городских условиях
Экспериментальные исследования были проведены на кафедре ТТР на территории МАДИ (ТУ) в период с октября 1996 г. по декабрь 1997 г.
Основной задачей исследований являлся поиск средств и мето-
дик, с помощью которых стали бы возможными приём и излучение акустических колебаний через прослойку твёрдого покрытия в подстилающий грунт на возможно большую глубину. При этом ставились следующие задачи:
♦ обеспечение максимальной глубины при работе комплекса в режиме отражённых волн;
♦ поиск конструктивного решения излучателя звуковых импульсов;
♦ поиск конструктивного решения приёмника отражённых сигналов;
♦ исключение помеховых факторов (фон переменного напряжения, плохой контакт, расположение приборов, рефракция звука);
♦ поиск наиболее простых технических решений комплекса в целом;
♦ техническое решение комплекса должно быть согласовано с автомобильной техникой, стандартной измерительной аппаратурой и ЭВМ.
В процессе проведения экспериментов не ставилась задача обнаружения объектов в толще грунта.
Экспериментальные исследования были разделены на две части по принципу возбуждения упругих волн в исследуемом грунте, а также разделены на две части по типу исследуемого покрытия (асфальт, бетон).
Для проведения исследований использовалась следующая аппаратура:
♦ сферический гидрофон СФ-80;
♦ электроакустический преобразователь третьего поколения «Сапфир»;
♦ датчик ускорения И.С. 313А;
♦ генератор импульсных колебаний «Садко»;
♦ ударный источник колебаний (молот);
♦ универсальный электроакустический преобразователь
«Оникс 2-0,1»;
♦ установка для иммерсионного введения колебаний в грунт;
♦ регистрирующая аппаратура (осциллограф С1-82);
♦ фотоаппарат «Зенит».
В процессе проведения первой группы экспериментов введение упругих колебаний осуществлялось при помощи установки для иммерсионного введения колебаний в грунт, в которой был установлен электроакустический преобразователь третьего поколения «Сапфир», работающий от генератора импульсных колебаний «Садко», а в качестве приёмника использовались сферический гидрофон СФ-80 (по схеме метода проходящих волн) и электроакустический преобразователь «Сапфир» (по схеме метода отражён-
ных волн). Данная группа опытов не дала положительных результатов - не был получен отражённый сигнал или сигнал прошедший через слой грунта от источника колебаний к приёмнику. Этот факт объясняется следующими причинами:
♦ значительное или полное отражение звуковых сигналов от асфальта, вследствие большой разницы значений рс воды и асфальта;
♦ возможное влияние явлений рефракции и преломления, из-за действия которых узкий луч характеристики направленности отклонился и ушёл в сторону от приёмника.
Было принято решение о нецелесообразности дальнейшего применения установки для иммерсионного введения колебаний в грунт в настоящих исследованиях без дальнейшего её усовершенствования.
В следующей группе опытов преобразователь «Сапфир», работающий как источник колебаний от генератора «Садко», был установлен непосредственно на поверхность асфальта. В остальном схема исследований не изменялась. При этом также не был достигнут положительный результат. По всей видимости поверхность (асфальт) невосприимчива к колебаниям малых амплитуд, создаваемым рупором преобразователя «Сапфир», или же необходимо было использовать усилители для повышения чувствительности приёма.
Было принято решение о переходе к ударным методам возбуждения упругих колебаний, и первые же опыты дали положительный результат.
В качестве источника колебаний ударного типа был использован молоток, а в качестве приёмника сферический гидрофон СФ-80. Был получен сигнал амплитудой 150мВ, а сама осциллограмма имела характерную затухающую форму. Амплитуда принятого сигнала уменьшалась при удалении от приёмника, причём она обратно пропорциональна расстоянию между источником и приёмником,
что доказывает то что принятый сигнал есть ни что иное, как звуковая волна, прошедшая от источника колебаний через толщу грунта к приёмнику.
В дальнейшем был проведён ряд экспериментов, в которых в качестве приёмника использовался преобразователь «Сапфир».
Некоторые из полученных результатов:
♦ был принят сигнал амплитудой 50мВ при разнесении источника и приёмника на расстояние 8м;
♦ при ударе молотком непосредственно под приёмником, установленном на специальной треноге, обеспечивающей надёжный акустический контакт с исследуемым грунтом, был получен сигнал амплитудой 400мВ, что обеспечило отношение сигнал/помеха около 20-30 безо всякого усиления. Кроме того метод отражённых волн (МОВ), по схеме которого проводился данный эксперимент, оказался приемлемым для решения поставленных выше задач;
♦ была обнаружена неоднородность строения грунта (пустота), когда эксперимент проводился над помещением тира, расположенном под землёй на территории внутреннего двора МАДИ. На осциллограмме было отчётливо видно отражение звуковых волн от пустоты, что выразилось в виде максимума, амплитуда которого достигла в данном случае 200 мВ.
Следующая группа экспериментов проводилась на гладком бетонном покрытии в подвальном помещении нового корпуса МАДИ.
В качестве источника упругих колебаний вновь был использован электроакустический преобразователь третьего поколения «Сапфир», работающий от генератора импульсных колебаний «Садко», установленный непосредственно на гладкую бетонную поверхность, а в качестве приёмника -универсальный электроакустический преобразователь «Оникс 2-
0,1». В процессе выполнения эксперимента был получен отражённый сигнал, на котором отчётливо выделялись несколько максиму-
мов, соответствующих отражению звуковой волны от неких неоднородностей, сокрытых толщей грунта. Амплитуда полученного составила около 60мВ.
Таким образом было выяснено, что преобразователь «Сапфир» работает значительно эффективней как источник колебаний на гладкой бетонной поверхности, чем на асфальте, что объясняется обеспечением более надёжного акустического контакта его рупора с поверхностью, а применение преобразователя «Оникс» в качестве приёмника - целесообразно.
В дальнейшем были проведены опыты с использованием ударного источника колебаний, причём в схему эксперимента был введён датчик ускорения И.С.313А для оценки силы удара, а полученные осциллограммы отражённых сигналов фотографировались при помощи фотоаппарата. Приёмником колебаний являлся преобразователь «Оникс».
Вот некоторые результаты данного эксперимента:
♦ амплитуда отражённого сигнала 20В;
♦ сила удара 1225Н;
♦ давление на поверхность при ударе 1.73Мпа;
♦ максимальная глубина про-звучивания - около 40м.
Затем проводились эксперименты по аналогичной схеме, но с изменением некоторых условий:
♦ варьировалось расстояние между источником и приёмником колебаний;
♦ изменялась сила удара;
♦ удар производился не «напрямую», а через прослойки различных материалов (дерево, бумага, песок, металл и др.
Вышеперечисленные изменения оказывали влияние на амплитуду принятых сигналов, на их форму в приповерхностном слое грунта (около 1м), но при этом общая форма осциллограмм, отражающая внутреннее строение исследуемого грунта оставалась неизменной.
Анализируя результаты описанных выше экспериментов, можно сделать следующие выводы:
-введение и выведение из грунта полезного сигнала возможно. Введение полезного сигнала возможно контактным сейсмоакусти-ческим методом. Приём сигнала также возможен при использовании контактного (сейсмоакустиче-ского) метода;
-возможно обнаружение объектов, захороненных в толще исследуемого грунта, но при данной конструкции системы технического зрения нельзя говорить о достоверном распознавании объектов и о точном их местоположении;
-при исследовании грунта, покрытого твёрдым дорожным покрытием (асфальт или бетон) надёжно принимаются сигналы с преобладающими частотами 100 Гц, 333 Гц, 2кГц, причём отношение «сигнал/помеха» было равным 10-100, что является хорошим показателем для данной схемы исследования, где не использовались фильтры, усилители для выделения и усиления полученных отраженных сигналов.
♦ целесообразно применение для исследований в данном направлении электроакустических преобразователей «Сапфир» и «Оникс», хорошо зарекомендовавших себя в описанных выше экспериментах;
♦ необходимо создание банка данных с результатами экспериментов по прозвучиванию различных типов грунтов, что необходимо для дальнейшей интерпретации получаемых сигналов.
© В.Н. Носов, Р.В. Кузьмин
В.Н. Носов, проф. ,д.т.н., А.В. Пивикова, асп.,
МАДИ ТУ МАДИ ТУ
НОВЫЙ ПОДХОД МЕТРОЛОГИИ СКВАЖИННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ
ля начала давайте рассмотрим сам метод акустического каротажа.
Акустический каротаж основан на возбуждении в жидкости, заполняющей скважину, импульса упругих колебаний (акустического импульса) и регистрации волн, прошедших через горные породы, на заданном расстоянии от излучателя в одной или нескольких точках на оси скважины. Возбуждение и регистрация упругих волн при акустическом каротаже осу-
ществляется с помощью электроакустических преобразователей. Метод предназначен для изучения акустических параметров горных пород, пересеченных скважинами. Измеряемые акустические параметры функционально связаны с физико-механическими свойствами, пористостью, структурными особенностями и характером насыщения горных пород. Характеристики акустических сигналов, зарегистрированных в обсаженных скважинах, весьма чувстви-
тельны также к условиям на контактах между цементным камнем, обсадной колонной и горной породой. Поэтому акустический каротаж широко применяется как при изучении разрезов скважин, так и при оценке их технического состояния.
Классификацию методов акустического каротажа проводят по применяемому частотному диапо-зону, используемым типам упругих волн (прямые, головные, отраженные, обменные и др.), а также по регистрируемым пара-
метрам (скорость v, амплитуда А, коэффициент затухания а, время пробега волны по породе ^ ). В основном используется метод проходящих волн.
Рассмотрим скважину, обсаженную зацементированной металлической колонной (рис. 1) [5]. Пространственно-временное распределение энергии импульса, излучаемого в этой скважине, характеризуется появлением специфических волн, связанных с колебаниями, возникающими в обсадной колонне, цементном камне и око-лоскважинном пространстве. Распространяются волны вдоль оси скважины. Образуются волна по обсадной колонне и волна по цементному камню. Но кроме этого, возникают другие волны (поперечные волны, гидроволны, волны типа Лэмба-Стоунли и др.), которые могут накладываться друг на друга.
Основная проблема состоит в том, что не исследуется само око-лоскважинное пространство. На расстоянии по радиусу, равному примерно длине волны X или несколько более, определяют затухание волн, скорость звука и приход одной волны относительно другой. Но совершенно непонятно какая это X, и как ее вычислять, так как волна проходит по разным средам. В связи с этим возникают следующие недостатки, с которыми приходится бороться при использовании метода проходящих волн:
♦ Сложность интерпретации получаемых волновых картин при каротаже, так как волны могут накладываться друг на друга при распространении и интерферировать между собой.
♦ Процесс интерпретации не поддается машинной расшифровке (например, при помощи ЭВМ), поэтому приходится заниматься этим вручную опытным интерпретаторам.
♦ Точночть измеряемых параметров значительно снижается вследст-вии указанных выше причин.
♦ Вследствии малой точности имеется разброс параметров при
повторных операциях спуска-подъема снаряда.
♦ Имеют место большие энергетические потери при распространении излучаемой энергии (более 90-95% акустической излучаемой мощности не попадает на вход приемника и не несет никакой информации).
♦ Значительная часть акустической мощности при излучении расходуется на озвучивание скважинного снаряда, в связи с чем, для исключения структурных помех приходится прибегать к конструированию и установке в скважинном снаряде сложных акустических изоляторов и фильтров.
♦ Возникает большое число обменных волн (продольная волна трансформируется в поперечную, поперечная волна - в продольную, и т. д.), что в свою очередь, превращает эти волны в волны-помехи, которые накладываются на полезный
Рис. 1. Схема измерений для регистрации кинематических и динамических параметров головных продольных и поперечных волн в обсаженной скважине.
сигнал и искажают его.
♦ Излучатель в процессе движения по скважине изменяет свои входные характеристики (входное сопротивление, резонансную частоту и др.) и излучаемая мощность по этой причине меняется непредсказуемым образом.
♦ Нагрузка на импульсный генератор меняется в зависимости от входного сопротивления излучателя каротажного прибора. Так как генератор обладает определенным выходным сопротивлением, то вследствие этого меняется его выходная мощность.
В настоящее время калибровка скважинной акустической аппаратуры акустического каротажа, используемой при строительстве мостов, дорог и других народнохозяйственных объектов, а также в нефтяной промышленности производится с помощью образцовых искусственных скважин. В образцовой скважине мы работаем в ближней зоне, поэтому к ней относится все выше сказанное относительно X. Кроме того, такая калибровка является неправомерной в связи с тем, что условия распространения волн в скважине от излучателя к приемнику при использовании метода проходящих волн от скважины к скважине сильно меняются не только вследствие большей изменяемости с течением времени физико-механических свойств горных пород, примыкающих к стенке скважины, но и значительной изменчивости горных пород (изменение влажности, пористости, трещиноватости) и значительного изменения характеристик околоскважинной среды; случайности параметров горных пород; содержания большого количества неоднородностей горных пород, являющихся дестабилизирующими факторами при проведении измерений; изменении геометрии скважины с течением времени (происходит осыпание стенок скважины, если она является необсаженной колонной, изменение поперечной формы скважины и др.); и другими факторами. Не учитываются дифракционные и рефракционные явления при распространении акустических волн; наличие шумовых помех; наличие большой рефракции звука вследствие неоднородности горных пород; влияние большого затухания; образование многих типов волн-помех, искажающих метрологию; и так далее.
Чтобы уйти от помех, напрашивается вывод о необходимости калибровки скважинной части аппаратуры акустического каротажа в более однородной и стабильной среде, чем горная порода. В качестве такой среды, наиболее часто
встречающейся в природе, предлагается использовать среду водной акватории, при чем она должна быть бесконечной по сравнению с длиной излучаемой волны (море, озеро, большой водоем или гидроакустический бассейн значительных размеров). Гидроакустические бассейны, как правило имеют правильную форму (квадратную или четырехугольную) , что вызывает возникновение отраженных волн (волн-помех). Кроме того строительство больших заглушенных гидроакустических бассейнов очень дорого (очень дорога рупорная резина).
В связи с этим, предлагается проводить измерения в гидроакустических бассейнах цилиндрической формы, сооруженных в естественных условиях (в горных породах или грунте), стенки бассейна предлагается выложить кирпичом. Один из таких бассейн находится в Перми. За счет того, что акустическое сопротивление кирпича (рск) почти равно акустическому сопротивлению горных пород (рсг.п.) и воды, в таком бассей-
не полностью отсутствует отражение сигналов от стенок бассейна. Кроме того, предлагается работать только на одном типе волн - продольных волнах. Все остальные типы волн будут являться помехой и их необходимо отфильтровывать. Об аппаратуре, используемой для калибровки приборов акустического каротажа в воде, будет рассказано отдельно в следующем докладе «Аппаратура для калибровки приборов акустического каротажа в воде».
Однако следует отметить, что полученные в воде параметры скважинной аппаратуры будут несколько отличаться от скважинных, что обусловлено различием акустических сопротивлений сред воды и околоскважинного пространства. Задача состоит в том, чтобы данные гидроакустические измерения каротажной аппаратуры можно было бы связать с помощью определенных нами аналитических, графических и статических зависимостей для определения той или иной горной породы, которую пересекает исследуе-
мая скважина. Над этим сейчас и идет основная работа.
Предложенный нами подход к метрологии скважинной акустической аппаратуры получил признание и понимание специалистов геофизиков ПермьНИПИгеофизика.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носов В.Н. Новые акустические преобразователи с односторонней направленностью колебаний для геофизических работ. - Москва, ВНИИгеоинформсистем, 1988г.
2. Колесников А.Е. Акустические измерения. - Ленинград, «Судостроение», 1983г.
3. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. - Ленинград, «Судостроение», 1982г.
4. Методика измерений гидроакустических преобразователей РЦ0.263.045А. - Москва, Минэлек-тропром, 1963г.
Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов
О.Л. Акустический метод исследования скважин. - Москва, «Недра», 1978г.
© В.Н. Носов, А.В. Пивикова
В.Н. Носов, проф.,д.т.н., А.В. Пивикова, асп.,
МАДИ ТУ МАДИ ТУ
Аппаратура для калибровки акустического каротажа в воде
Для того, чтобы исключить помехи, возникающие при проведении измерений в образцовых скважинах нами было предложено калибровать скважинную часть аппаратуры акустического каротажа в более однородной и стабильной среде, чем горная порода. В качестве такой среды, наиболее часто встречающейся в природе, было предложено использовать среду водной акватории, при чем она должна быть бесконечной по сравнению с длиной излучаемой волны (море, озеро, большой водоем или гидроакустический бассейн значительных размеров).
Зная точно параметры своего преобразователя, предлагается работать только на одном типе волн
- продольных волнах. Можно проводить измерения в режиме отраженных волн, работая с направленным преобразователем. В случае работы с ненаправленным преобразователем, будут помехи, которые однако не будут влиять на измерения, так как приемник и излучатель совмещены. В режиме отраженных волн можно использовать высокочастотные колебания, работая на малых расстояниях (за малые расстояния принимаем расстояние соизмеримое с длиной волны до 5 X в воде). Но име-
ется возможность работать одновременно на больших и на малых расстояниях, если использовать широкополостный преобразователь, например преобразователь «Сапфир 25» [1]. Это преобразователь Ш-го поколения, построенный на основе пьезокерамики. В каротажной технике еще не использовался. По нашему мнению, этот преобразователь следует использовать в области акустического каротажа, который сейчас используется в нефтяной промышленности и наверняка используется в горном деле. С ним возможно работать на низкой и на
высокой частоте, сигнал отделяется с помощью обычных фильтров.
Параметры преобразователя:
- Полоса пропускания - 10-300 кГц.
- Чувствительность в режиме приема - 10000 мкВ/Па.
- Эффективность в режиме излучения - 22 Па/В,м.
- Ширина характеристики направленности (ХН) на частоте 25 кГц - 60°. На более высокой частоте ширина ХН сужается еще сильнее и коэффициент концентрации растет.
- Ширина ХН с фазоинверто-ром на частоте 25 кГц - 23°.
- Электроакустический коэффициент полезного действия - более 90 %.
При калибровке каротажной аппаратуры в этом случае могут быть использованы хорошо отработанные методики и аппаратура измерений и поверки акустической аппаратуры, используемые в гидроакустике (см. например, инструкцию по поверке гидроакустических преобразователей РЦО.263.045 литер А, а также общеизвестные рекомендации [2, 3, 4].
Как показал опыт, использование предложенного подхода может увеличить точность измерений примерно на порядок по сравнению с теми методами, которые существуют на сегодняшний день. Для примера чувствительность сферического гидрофона 0 50 мм из пьезокерамики ЦТС-19 в режиме приема равна порядка 80-100 мкВ/Па. Иногда вместо сферы используется цилиндрический преобразователь, но чувствительность этого преобразователя имеет тот же порядок, что и сферического преобразователя.
При использовании в каротажной аппаратуре преобразователя «Сапфир 25» практически все помехи исчезают. Вид сиг-
налов, полученный в режиме отраженных волн приведен на фиг.
1. Условия измерения приведены в подрисуночной надписи. Как следует из фиг. 1., в данном случае полностью исключены все помехи, характерные для аппаратуры, работающей на основе метода проходящих волн. Тип волны
- продольный.
Следует особо отметить, что с помощью некоторых технических приемов, которые не раскрываются в данном докладе, исключена зона (зона 1), включающая слой воды между стенкой обсадной колонны и преобразователем, толщину обсадной колонны и цементный камень. Песчаник, который пересекает скважина содержит некоторые неоднородности 2, 3, 4, хорошо зафиксированные на фиг. 1. При тщательном рассмотрении фиг. 1. наблюдается изменяемость периода колебаний на частоте 3000 Гц, что свидетельствует об изменяемости акустических характеристик, в частности скорости распространения продольной волны в песчанике. Первый по-лупериод колебаний значительно меньше, чем остальные последующие полупериоды, что свидетельствует об уплотненности участка горной породы вокруг скважины и увеличении скорости распространения звука в этом месте. По изображению колебаний рис. 1. можно определить затухание в горной породе
на любом отрезке радиуса от центра скважины.
С помощью таких скважинных приборов реализуется скважинная техника звуковидения (скважинный геовизор).
Участок 1 включает слой воды между стенкой обсадной колонны и преобразователем, толщину обсадной колонны и цементный камень. Частота - 3000 Гц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носов В.Н. Новые акустические преобразователи с односторонней направленностью колебаний для геофизических работ. - Москва, ВНИИгеоинформсистем, 1988г.
2. Колесников А.Е. Акустические измерения. - Ленинград, «Судостроение», 1983г.
3. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении. - Ленинград, «Судостроение», 1982г.
4. Методика измерений гидроакустических преобразователей
РЦО.263.045А. - Москва, Минэлек-тропром, 1963г.
5. Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. Акустический метод исследования скважин. - Москва, «Недра», 1978г.
© В.Н. Носов, А.В. Пивикова
Рис. 1. Вид отраженного сигнала, полученного в обсаженной скважине с помощью акустического преобразователя Ш-го поколения «Сапфир 25» в песчанике с неоднородностями 2, 3, 4.
152
