CC BY
22
СЕЙСМОТЕРМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРИ РАБОТЕ ВИБРАТОРА НА БЫСТРОВСКОМ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОМ ПОЛИГОНЕ
Дмитрий Евгеньевич Аюнов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, ведущий программист, тел. 333-03-99, e-mail: [email protected]
Михаил Евгеньевич Пермяков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник, тел. 33025-91, e-mail: [email protected]
Вячеслав Иванович Юшин
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр-т ак. Коптюга, 3, доктор технических наук, главный научный сотрудник, тел. 330-39-52, e-mail: [email protected]
Оценка диссипативных характеристик верхней части разреза является важной фундаментальной задачей сейсмологии и сейсморазведки. С целью исследования частичного преобразования упругой энергии в тепловую с сентября 2010 года проводятся температурные наблюдения в ближней зоне действия 40-тонного низкочастотного (8-10 гц) вибратора, расположенного на полигоне Быстровка вблизи г. Новосибирска. В настоящей работе приведены результаты оценки изменения температурного поля в ходе стандартного цикла работы вибратора, а также результаты мониторинга температурного поля на протяжении четырех месяцев.
Ключевые слова: сейсмотермический эффект, диссипация упругой энергии,
мониторинг температуры
SEISMOTHERMAL EFFECT DURING VIBRATOR WORKING ON BYSTROVKA VIBROSEIS TESTING AREA
Dmitry E. Ayunov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, 630090, Novosibirsk, 3, Koptyug av., Leading programmer, tel. 333-03-99, e-mail: [email protected]
Mikhail E. Permyakov
Ph.D., Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, 630090, Novosibirsk, 3, Koptyug av., tel. 330-25-91, e-mail: [email protected]
Vyacheslav I. Yushin
Doctor of Science, Chief research officer, Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, 630090, Novosibirsk, 3, Koptyug av., tel. 330-39-52, e-mail: [email protected]
Estimating of the dissipative parameters of upper part of the profile is an important fundamental problem of seismology and seismic survey. Near zone temperature observations are being conducted from September, 2010, which are aimed to research the partial transformation into heat of elastic energy, produced by 40-tons low-frequency vibrator situated on Bystrovka testing region, Novosibirsk. In this paper the results of assessment of temperature field change during
standard vibrator run as well as the results of temperature monitoring during 4 months are presented.
Key words: seismothermal effect, dissipation of elastic energy, temperature monitoring.
Превращение энергии упругих сейсмических волн в тепловую в реальных средах остается сравнительно малоизученным физическим феноменом. Хорошо известный в сейсмике эффект поглощения сейсмических волн согласно закону сохранения энергии должен быть связан, прежде всего, с выделением и рассеянием тепла, однако прямое экспериментальное измерение этого явления часто встречает значительные технические трудности. Так, при использовании сейсмических воздействий сейсморазведочного энергетического уровня в высокодобротных консолидированных средах сейсмотермический эффект (СТЭ), характеризуемый нагревом среды, согласно расчетам столь ничтожен, что не поддается прямым температурным измерениям современными средствами. Его измерение возможно либо при весьма мощных сейсмических воздействиях, например, вблизи промышленных взрывов или очагов землетрясений, либо (если говорить о реально достижимых энергиях невзрывных воздействий) в низкодобротных рыхлых средах. Между тем, изучение СТЭ имеет не только фундаментальное значение, но может найти и вполне практическое применение именно в таких средах. Благодаря своей компактности, термодатчики могут быть помещены внутрь среды, что может позволить косвенно контролировать изменения её напряженно-деформированного состояния. Кроме того, при генерации сейсмических волн вибрационными источниками отношение величины тепловых потерь к полезной упругой энергии возбужденных волн в ближней зоне может служить, во-первых, объективным показателем, диссипативных характеристик верхней части разреза и, во-вторых, характеристикой сейсмической эффективности самого источника колебаний.
Исследование СТЭ проводилось и ранее. Так в работе В.В. Велинского и др. сообщается о том, что удалось зафиксировать СТЭ в частотной области 6-12 °С [1] при работе мощного 100-тонного вибратора. Также был выявлен так называемый «эффект усталости», заключающийся в постепенном снижении СТЭ в процессе длительного воздействия вибратора.
Для исследования физики процесса преобразования части упругой энергии в тепловую с сентября 2010 года нами организованы наблюдения температуры (Т) в ближней зоне 40-тонного низкочастотного (8-10 Гц) вибратора ГС СО РАН, расположенного на полигоне Быстровка вблизи г. Новосибирска. Первые результаты этих наблюдений опубликованы в работе [2]. В настоящей статье анализируются новые данные.
Для измерения температуры применялись термисторы КМТ-1, помещенные в грунте под платформой сейсмовибратора. Схема расположения датчиков представлена на рис. 1. Запись данных производится автономным измерителем температуры [3], размещенным около вибратора. Разрез вблизи вибратора представлен суглинком, перекрытым 40-сантиметровым почвенным
слоем. Непосредственно под вибраторами, вследствие длительной
предшествующей работы, грунт существенно уплотнен.
вибратор
/ //¡\ у \
! (№ /У 4
\ ч /
\ 2
^, О-
■3-2-10 1 2 3
Рис. 1. Изменение температуры под вибратором по окончании часового одного рабочего сеанса и схема расположения температурных датчиков под платформой вибратора в разрезе. Изолинии роста температуры проведены через 0.02 °С. Точками обозначены термодатчики. Цифра рядом с точкой - номер датчика. По осям отложено расстояние в метрах
Измеритель включен постоянно и работает в двух режимах. В первом -осуществляется непрерывный мониторинг с 30-минутной периодичностью, в ходе которого фиксируются климатические изменения температуры грунта в слое годовых колебаний. Второй (рабочий) режим используется во время рабочей серии вибратора, включающей часовые сеансы непрерывного воздействия и часовые паузы. В ходе одной серии осуществляется 5 рабочих сеансов. Серии проводятся с периодичностью один раз в неделю. Интервал опроса датчиков в рабочем режиме составляет 20 секунд.
Рассмотрим некоторые результаты исследований. Для иллюстрации СТЭ на рис. 1 показано изменение температурного поля под вибратором после нескольких рабочих сеансов. В левой части разреза поле прогнозировалось, исходя из симметричности обстановки относительно середины плиты вибратора.
По полученному распределению прироста температуры был построен график зависимости прироста температуры с глубиной (рис. 2) и показано, что под центром действующего вибратора уменьшение прироста температуры с глубиной происходит по экспоненциальному закону.
Глубина, м
Рис. 2. Относительное изменение температуры (Т) с глубиной (Н) под центром вибратора после стандартного рабочего сеансы (сплошная линия) и экспоненциальная линия тренда (штрих)
На рис. 3 приведены несколько графиков изменения температуры грунта под платформой вибратора по схеме наблюдений, приведенной на рис. 1, за период с 26.10.2011 года по 21.02.2012 года. На графиках отражены как сезонный дрейф температуры, так и периодические увеличения температуры, связанные с сеансами работы вибратора. За полную серию (5 часовых сеансов с паузами) температура на глубине 1 м (датчик №6) возрастает в ноябре на 1-2 °С. Датчик № 5, расположенный на глубине 2 м, фиксирует суммарный рост температуры за одну серию порядка 1.0 °С. На глубине 4 м (датчик 2) амплитуда этого эффекта составляет примерно 0.2 °С. В последующие дни температурное поле восстанавливается до момента начала следующей серии через неделю. Эффект наиболее заметен в теплое время года, а с наступлением морозов практически нивелируется.
Рис. 3. Изменение температуры под вибратором за период с 26.10.2011 г. по 21.02.2012 г. Номера датчиков и схема их расположения соответствуют указанным на рис. 1. Интервал опроса датчиков - 30 мин.
Более четко сейсмотемпературный эффект можно наблюдать на графиках, записанных непосредственно во время работы вибратора. В качестве примера на рис. 4 представлены записи температуры, сделанные датчиками 4-7 в течение десяти часов 05-06 октября 2011.
Рис. 4. Запись температуры датчиками 5, 6 и 7 во время работы вибратора (45.10.2011). Интервал опроса датчиков - 20 сек.
Во время работы вибратора все датчики фиксируют разное по амплитуде ступенчатое возрастание температуры, связанное с сейсмотермическим эффектом. В периоды воздействия вибратора на грунт датчики регистрируют рост температуры, интенсивность которого определяет местом расположения датчика. Так, рост температуры за часовой сеанс работы вибратора на глубине 1 метр составляет 0,14-0,25 0С, на глубине 2 метра - 0.11-0.15 0С, на 3-х метрах -около 0.02 0С. В периоды пауз температура стабилизируется.
Выделение сейсмотермических аномалий на фоне климатических изменений температуры, варьирующих как по глубине, так и по латерали, требует специальной обработки. На данном этапе основной задачей является определение для каждого датчика естественного (климатического) хода температуры и его вычитания из записанного сигнала.
В заключение отметим, что развернутая в зоне действия вибратора система мониторинга Т позволяет уверенно фиксировать сейсмотермический эффект в грунтах. Интерпретация этих данных позволит в дальнейшем оценить, какая доля упругой энергии, образующейся при работе сейсмического вибратора, преобразуется в тепловую.
Исследования поддержаны Интеграционным проектом СО РАН № 125 (2009-2011 гг.) «Изучение вариаций геотемпературного поля по данным непрерывного мониторинга температуры в скважинах и донных осадках».
1. Велинский В.В., Геза Н.И., Саввиных В.С., Юшин В.И. О тепловых потерях механической энергии в ближней зоне сейсмического вибратора // Геофизические методы изучения земной коры: Сб. науч. докл. Всероссийской геофиз. конф., посвящен. 90-летию со дня рождения чл.-кор. АН СССР Э.Э. Фотиади, 20-22 января 1997 г., Новосибирск. -Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1998. - 140-146.
2. Юшин В.И., Аюнов Д.Е., Дучков А.Д. Мониторинг изменений температуры под плитой действующего сейсмического вибратора. ГЕО-Сибирь-2011. Т. 2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 32-36.
3. Казанцев С. А., Дучков А.Д. Аппаратура и результаты мониторинга температуры геологических объектов [Текст] / С.А. Казанцев // Тепловое поле земли и методы его изучения. Сборник научных трудов. Отв. Ред. Ю.А. Попов. - М.: РГГРУ, 2008. - С. 102-107.
© Д.Е. Аюнов, М.Е. Пермяков, В.И. Юшин, 2012
