Воспроизведение многочастотного сигнала сейсмоисточником с силовым замыканием в системе "инерционная масса - грунт" Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сидоров Олег Алексеевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Омского государственного университет путей сообщения

Дата поступления статьи в редакцию: 16.02.2010 г.

©О. А. Сидоров, 2010

УДК 624.042.7

Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА СЕЙСМОИСТОЧНИКОМ С СИЛОВЫМ ЗАМЫКАНИЕМ В СИСТЕМЕ «ИНЕРЦИОННАЯ МАССА - ГРУНТ»

Ключевые слова: низкочастотный источник сейсмических волн, конструктивная схема, инерционная масса, нефтегазовые пласты, сейсмическое воздействие

Известно, что нефтяные залежи имеют несколько доминантных частот, значения которых определяются на подготовительном этапе вибросейсмического воздействия. Например, в работе [2] показано, что нефтепродуктивный пласт обладает частотной избирательностью реакции сейсмической эмиссии на вибросейсмическое воздействие, которое проявляется в усилении эмиссии (сейсмическая люминесценция) на отдельных (доминантных) частотах. На рис. 1 приведена из работы [2] частотная характеристика эмиссионного отклика на вибросейсмическое воздействие на частоте 12 Гц и длительностью 40 мин.

Ом/ ОМо, раз

Рис. 1. Частотная характеристика эмиссионного отклика:

Gм - амплитуда эмиссионного отклика после воздействия; GМо - амплитуда эмиссионного отклика до воздействия

По существующей в настоящее время технологии, вибросейсмическое воздействие выполняется на одной доминантной частоте, и в этом случае в резонансные колебания

вводятся блоки пласта только одного размера, только в них развиваются процессы, способствующие повышению нефтеотдачи.

В работе [3] показано, что если вибросейсмическое воздействие осуществляется вибромодулем с излучением сигнала, являющимся суммой нескольких частот, равных доминантным частотам блоков продуктивного пласта, то значительно повышается эффективность виброобработки залежи.

В источнике с силовым замыканием на грунт результирующее излучение оказывается под влиянием колебаний поддерживающих плит, которые могут вносить искажения и понижать эффективность работы излучающих плит, кроме того, на характере излучения может сказываться нелинейность элементов конструкции вибромодуля. Режим работы такого источника при реализации длительного монохроматического сигнала исследован в работе [1]. При этом эффективность излучения на низкой частоте при совместной работе двух близко расположенных штампов, если пренебречь взаимовлиянием штампов на их движение [3], определяется интерференционным взаимодействием их волновых полей [4].

Эффективность излучения источника с силовым замыканием в системе «инерционная масса — грунт» сохраняется во всём диапазоне частот 2—20 Гц, причём на низких частотах за счёт практически синфазных колебаний поддерживающих плит и излучающей плиты, а на высоких — за счёт разницы в амплитудах колебаний. При одинаковой площади поддерживающих и излучающих плит результирующий сигнал, обусловливающий мощность излучения, будет определяться суммой скоростей перемещений поддерживающих и излучающих плит.

Необходимо отметить, что монохроматический режим был реализован в вибромодуле с силовым замыканием на грунт СВ 100/20, который был спроектирован и изготовлен в Омском государственном техническом университете для целей вибросейсмического воздействия на нефтегазовые пласты. Основные технические характеристики мобильного вибромодуля СВ 100/20:

— вибротяговое усилие — 1 МН (100 т.с.);

— частотный диапазон — 5-20 Гц;

— относительная нестабильность частоты — 10-5.

Представляет интерес возможность воспроизведения в виде упругих волн суммы гармонических сигналов, соответствующих доминантным частотам пласта виброисточником с силовым замыканием в системе «инерционная масса — грунт». При силовом замыкании в системе «инерционная масса — грунт» инерционную массу, как это показано в работе [1], необходимо вывешивать на упругих элементах, обладающих большой грузоподъемностью и малой жесткостью. В качестве таких упругих элементов можно использовать резинокордные оболочки (РКО). Расчетная схема такого источника показана на рис. 2.

Для составления дифференциальных уравнений движения многомассовой системы в качестве обобщенных координат примем Z1, Z2, Z3, и будем полагать, что линия приложения силы F(t) гидроцилиндром проходит через положения центра масс, а линии приложения сил упругости и диссипации находятся на одинаковом расстоянии I от точки С центра масс. Будем также полагать, что при F(t) = 0 инерционная масса т1 вывешена на РКО, массы т2 и т3 также находятся в положениях равновесия, а значения обобщенных координат отсчитываются от положений равновесия.

Дифференциальные уравнения с учетом сделанных выше допущений и в соответствии с [1] могут быть представлены в виде

Z + f ) + -^ _- ^;

m mm m

z +

Z _ 0;

m2

m2

m2

m2

(1)

Z + ^Z + Ь-Z _ ^;

m m F(t)_ S-P(t),

m

где f(Z) — нелинейная нагрузочная характеристика РКО; z = z1 — z2; S — площадь поршня гидроцилиндра; Р^) — давление в полостях гидроцилиндра; Ь1 — коэффициент вязкого трения в РКО; с2, с3 — коэффициенты жесткости грунта; т2 , т3 — присоединённая масса грунта совместно с массой плит; Ь2 , Ь3 — коэффициенты демпфирования грунта.

V

Z,

Г

С2

bi

Ш2 \

I^Jb2 С3

C

m1

-F(t)

m3

■ —1— ■ bi

m2 ;

LzbJb3

b3 c2

Z,

Z

c

c

Рис. 2. Схема расчётная:

ml - инерционная масса; m2 - масса поддерживающих плит вместе с присоединенной массой грунта; m3 -масса излучающей плиты, гидроцилиндра и присоединенной массы грунта; с1, bl - коэффициенты жесткости и демпфирования упругих элементов подвески инерционной массы; с2, с3, b2, Ь3 - коэффициенты жесткости

и демпфирования, характеризующие свойства грунта под поддерживающими и излучающими плитами; F(t) - усилие, создаваемое гидроцилиндром; Zl, Z2, Z3 - перемещения соответственной инерционной массы,

поддерживающих плит, излучающей плиты

Для обеспечения перемещений излучающей плиты в пределах упругих деформаций грунта, при усилии 106 Н, необходимо принять величину Sпл излучающей плиты равной 12 м2 [1], при этом ее масса составляет 5-103 кг.

Для низких частот присоединенная масса грунта тпр может быть определена из выражения

m _ 8(l-у2К2-Y2)p-r3 (2)

пр 10 - 2-Y2 ' где ; Vs, Vp - скорость поперечной и продольной волны соответственно; р — плот-

ность грунта; r - условный радиус плиты.

Для значений у = 0,25, р = 2000 кг/м3 величина тпр = 2,3-104 кг, а величины т2 и т3 можно принять равными, т. е. т2 =т3 = 2,8-104 кг.

Коэффициенты жесткости и демпфирования грунта можно вычислить по выражениям:

о Е-г с = 2--

1 -V2

Ь= ¿(1 -у2 )^-р-г2

(3)

где Е = 1,67-108 Па - модуль упругости; V = 0,49 - коэффициент Пуассона.

Для принятых значений Е, V, г эти величины составляют с = 4,4-108 Н/м, Ь = 1,2-107 Н-с/м.

Если принять т1 =105 кг, то для вывешивания инерционной массы можно применить РКО типа Н-578 с нагрузочной характеристикой Дг), приведенной в табл. 1, и квазилинейной вертикальной и боковой жесткостью 739,2 кН/м и 116,7 кН/м соответственно.

Таблица 1

Нагрузочная характеристика РКО Н-578

Z (м) -0,006 -0,05 -0,04 -0,03 -0,03 -0,01

Ер (кН) 129,4 134,7 140,3 146,4 152,8 159,5

Z (м) 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Ер (кН) 166,6 173,9 182,6 191,1 200,1 209,8

Система уравнений (1) должна быть дополнена уравнениями гидропривода. Будем полагать, что сила F(t) (рис. 1) создается гидроцилиндром двухстороннего действия с двухкаскадным электрогидравлическим распределителем [2]. Принципиальная схема гидравлической системы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Принципиальная схема гидравлического привода:

1 - гидроцилиндр; 2 - поршень; 3 - датчик обратной связи положения основного золотника; 4 -золотник основного (второго) каскада; 5 - золотник управляющего (первого) каскада; 6 - элек-

Р Р

тромагнитный привод золотника 5 (ЭМП); п сл - давление подводимой рабочей жидкости и слива; - напряжение задающего генератора

Линеаризованная система уравнений, описывающая поведение гидравлической системы имеет следующий вид

V + V dp

2Вж dt

+ KQP ' P= S+ X2KQX

Tmix+f m+rb dtxx +T+ b dx

X = Ku

= K

гу

• х

(4)

С dt t c c) dt2

u1 = ^ус fax - Косх2 )

dx2 dt

где V0 — объём полости гидроцилиндра; ^л — объём гидравлической линии; Вж — модуль объёмной упругости жидкости; KQP, KQX — коэффициенты передачи; х1 — перемещение золотника первого каскада; х2 — перемещение золотника основного каскада; К1 — коэффициент передачи ЭМП; Т — постоянная времени ЭМП; m — масса подвижных частей ЭМП; h — коэффициент вязкого сопротивления в ЭМП; с — жесткость подвески якоря ЭМП; Кус — коэффициент усиления усилителя; Кос — коэффициент обратной связи; Кгу — гидравлический коэффициент усиления по перемещению золотников 4 и 5.

Системы уравнений (1) и (4) совместно с табличными значениями нелинейной функции f(z) при сделанных выше допущениях достаточно полно описывают динамику гидромеханической колебательной системы на рис. 2 и рис. 3.

Система уравнений (1) и (4) решена численным методом с помощью пакета прикладных программ Matlab с расширением Simulink. Схема набора в Simulink показана на рис. 4.

Генераторы входного сигнала

a1sinœ1 a2sinœ2 a3sinan

4Г

Ï

F(t)

-Л

\î+

Р

uqx-o

%

-t—>Z1

+t

+

РК

At

г да

г3

Z2

гОР<

->Z3

K

аърЪ + а2Р2 + а

-xi

? +1

Кг

гу

Ко,

Power Spectral Densi-

Р

X2

Рис. 4. Схема моделирования в среде Matlab с расширением Simulink

1

3

Рис. 5. Результат моделирования

В математическом моделировании в качестве примера было принято, что в частотной характеристике эмиссионного отклика пласта имеются три явно выраженные пики с частотами ю1 = 45,84 1/с, ю2 = 60,91 1/с, ю3 = 75,36 1/с, вследствие чего генератор входного сигнала формировал его как сумму a(sin ra1í+ sin ra2t+ sin ra3t)

где а — амплитуда.

Результат моделирования показан на рис. 5, где изображен выходной сигнал и его спектр. Обработка выходного сигнала для получения спектра осуществлялась с помощью блока Power Spectral Density, входящего

в состав пакета Matlab с расширением Simulink.

Таким образом, проведенное исследование показывает, что низкочастотный гидромеханический вибромодуль с силовым замыканием в системе «инерционная масса — грунт» является

эффективным инструментом для реализации технологии вибросейсмического воздействия на нефтегазовые пласты с целью повышения нефтеотдачи.

Библиографический список

1. Бурьян, Ю.А. Гидромеханический источник сейсмических волн с силовым замыканием в системе «инерционная масса - грунт» / Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых / Сибирское отделение РАН, институт горного дела СО РАН. - 2002. - № 3. - С. 81-88.

2. Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками / Отв. ред. Г. М. Цибульчик. - Новосибирск: ИВМ и МГ СО РАН; филиал «Гео» изд-ва СО РАН, 2004. - 387 с.

3. Патент на изобретение № 2244807. Способ разработки нефтегазового месторождения / Ю. А. Бурьян, В. Н. Сорокин, С. В. Сердюков, Е. Н. Че-редников // БИ. - 2005. - № 2.

4. Шагинян, А. С. Динамика сейсмических вибраторов с электрогидравлическим сервоприводом / А. С. Шагинян // Исследование Земли невзрывными сейсмическими источниками / под ред. д.ф.-м.н. А. В. Николаева. - М.: Наука, 1981.

5. Бабешко, В.А. Динамика неоднородных линейно-упругих сред / В. А. Бабешко, Е. В. Глушков, Ж. Ф. Зинченко. - М., 1989.

4. Алешин, А.С. О взаимодействии сейсмических вибраторов / А. С. Алешин, В. В. Кузнецов, В. В. Циммерман // Разработка и исследование источников сейсмических сигналов и методов невзрывной сейсморазведки: сб. науч. тр. - М.: ВНИИОЭНГ, 1986.

Бурьян Юрий Андреевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Основы теории механики и автоматического управления»;

Сорокин Владимир Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры «Основы теории механики и автоматического управления» Омского государственного технического университета

Дата поступления в редакцию: 18.03.2010 г.

© Ю.А. Бурьян, 2010 © В.Н. Сорокин, 2010