Научная статья на тему 'Воспроизведение многочастотного сигнала сейсмоисточником с силовым замыканием в системе "инерционная масса - грунт"'

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

CC BY
69
11
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ИСТОЧНИК СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН / LOW-FREQUENCY SOURCE OF SEISMIC WAVES / КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА / CONSTRUCTIVE SCHEME / ИНЕРЦИОННАЯ МАССА / INERTIAL WEIGHT / НЕФТЕГАЗОВЫЕ ПЛАСТЫ / СЕЙСМИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ / SEISMIC INFLUENCE / OIL AND GAS LAYERS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Бурьян Юрий Андреевич, Сорокин Владимир Николаевич

Создание мощного низкочастотного и транспортируемого источника сейсмических волн, предназначенного для решения широкого круга проблем (региональная сейсморазведка, активный мониторинг природных сред, вибросейсмическое воздействие на нефтегазовые пласты и т.д.), является актуальной задачей. Рассматривается эффективность источника, конструктивная

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Reproduction of the multifrequency signal seismosource with power short circuit in the system “inertial weight - ground”

The creation of powerful low-frequency and transposable source of seismic waves, intended for solving wide range of problems (seismoranging, active monitoring of natural environments, vibroseismic influence on oil and gas layers, etc.) is an urgent task. Efficiency of the source, which constructive scheme satisfies the power short circuit in the system “inertial weight ground” during the work of reproduction of a multifrequency signal, is considered. The computer modeling is completed, conditions of work of seismosource are defined.

Текст научной работы на тему «Воспроизведение многочастотного сигнала сейсмоисточником с силовым замыканием в системе "инерционная масса - грунт"»

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

a1sinœ1 a2sinœ2 a3sinan

Ï

F(t)

\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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.