МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Через время τ ≈ δ / С0 ударная волна, проникшая в результате преломления в барьер, достигает контактной поверхности консолидированный грунт – рыхлая забойка и отразится от нее, но уже волной разрежения вследствие того, что акустическая жесткость нетронутого грунта больше чем рыхлой забойки. Так как волна разрежения распространяется по уже сжатому взрывной волной грунту, то скорость ее движения будет больше скорости упругой продольной волны.

,

где: С – скорость волны разрежения в материале барьера, сжатом ударной волной, С2 –

скорость упругих продольных волн в несжатом грунте барьера, ε – объемная относительная деформация во фронте взрывной волны.

Волна разрежения может догнать взрывную волну до ее выхода в консолидированный грунт через подошву барьера, в том случае, если за время двойного пробега волны разрежения по толщине барьера, взрывная волна пройдет расстояние меньшее, чем z = hтр. – hз. Теперь легко получить связь между толщиной барьера и глубиной траншеи барьерного источника при условии слабой ударной волны, т. е., D ≈ C2 и С ≈ С2 будем иметь 2δ ≤ hтр. – hз, или, при hз = hтр. / 2, получим, что δ ≤ hтр. / 4. Такое положение будет сохраняться до тех пор, пока на толщине барьера укладывается, примерно, половина положительной фазы сжатия, т. е. пока за все время движения волны разрежения грунт барьера находится в сжатом состоянии. Отсюда следует вывод о том, что при уменьшении продолжительности фазы сжатия во взрывной волне, т. е. с уменьшением ширины траншеи, толщина барьера должна убывать.

Взаимодействуя с противоположной от заряда контактной поверхностью барьер – рыхлый грунт, в забойку преломляется ударная, которая будет стремиться к выполаживанию фронта и на вертикальную стенку второй траншеи со стороны полупространства, падает практически плоская взрывная волна через время τ3 = b/С1.

Давление во фронте этой волны может быть незначительным в результате отражения и рассеивания ударной волны барьером, несмотря на малую ширину траншей заполненных рыхлым грунтом.

Взрывная волна, возбужденная взрывом в консолидированном грунте со стороны положительных значений Y за это время сформирует фронты продольной и поперечной упругих волн, в результате осуществления направленного воздействия за время

Если теперь δ > hтр. /4, то волна разрежения не успевает догнать ударную волну до ее выхода в консолидированный грунт через подошву барьера, что приводит, в конечном счете, к возрастанию уровня возбуждения продольных волн. Если же поперечный размер

67

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

барьера не выходит за пределы ограниченные неравенством δ ≤ hтр. / 4 то волна разрежения успевает, практически одновременно с ударной, достичь подошвы барьера. Известно, что движение частиц в волне разрежения происходит в сторону противоположную направлению ее распространения, поэтому в момент выхода ударной волны из подошвы барьера, он весь охвачен движением в сторону противоположную направленному воздействию. Это движение всей конструкции продуцирует касательные напряжения, но обратного знака по сравнению с такими же напряжениями от взрыва заряда на стенке траншеи, и возбуждает поперечную волну соответствующую –Y воздействию. Слабая взрывная волна, падающая на вертикальную стенку второй траншеи, сформирует касательные напряжения также соответствующие –Y воздействию.

Таким образом, в отличие от траншейного, барьерный источник развивает при взрыве одного из зарядов ВВ вместо двух – четыре разнонаправленные силы: Fy – вдоль положительного и две вдоль отрицательного направления, приложенные к вертикальным стенкам траншей и подошве барьера и, кроме того, Fz – вдоль оси z.

Естественно предположить, что вторичная сила Fy, приложенная к вертикальной стенке второй траншеи мала по сравнению с первыми двумя, вследствие двух актов отражения – преломления на вертикальных поверхностях барьера. Тогда величина амплитуды суммарной поперечной волны в точке М будет определяться таким же образом, как и для траншейного источника, где ϕ – фазовый угол между двумя исходными поперечными волнами. При ϕ = (2р-1)π = 1,2,3… амплитуда суммарного колебания достигнет максимальной величины и будет равна сумме амплитуд от отдельных волн. Но, с другой стороны

или, в приближении слабых ударных волн:

где: ω = 2π f – круговая частота поперечной волны, b – ширина траншеи, δ - толщина барьера, C1 и C2 – скорости упругих продольных волн в забойке и грунте барьера.

Таким образом, амплитуда поперечной волны, зарегистрированная в дальней зоне, зависит от толщины барьера, а вид этой зависимости определяется функцией:

при этом толщина барьера связана с параметрами среды в виде:

р = 1,2,3…

Полученное выражение показывает, что толщина барьера определяется, в основном, вторым слагаемым формулы, т. е. различием физико-механических свойств консолидированного грунта и рыхлой забойки. Это следует из того, что среды с высокими

68

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

скоростями распространения возмущений характеризуются и повышенными значениями частот упругих колебаний, поэтому первое слагаемое изменяется сравнительно медленно.

Если скорость упругих волн в рыхлой забойке не меняется, то величина δ убывает с увеличением жесткости вмещающих барьерный источник пород. При одновременном увеличении упругих параметров среды и забойки, поведение функции δ соответствует относительному изменению величины С2 / С1.

Таким образом, наблюдаемые свойства грунтов верхней части разреза обеспечивают постоянное значение толщины барьера до тех пор, пока свойства рыхлой забойки неизменны, т. е. пока разрыхление консолидированного грунта производится одним и тем же способом.

Среда и оптимальные параметры барьерного источника. Для характеристики физикомеханических свойств среды, где производится возбуждение поперечных волн, были использованы, в основном, весовая влажность w и акустическая жесткость - ρ СP, где: w –

весовая процентная влажность грунта в месте расположения заряда ВВ, ρ - удельная плотность грунта, СP – скорость продольных волн.

Свойства грунтов, в которых проводились эксперименты, приведены в таблице 3.

Свойства грунтов ВЧР, влияющие на показатели барьерного источника

				Таблица 3
№№	Наименование грунтов	Акустическая жесткость		Весовая
пп				влажность %
			4
1	2	3		5
			300-400
1.	Сухие песчано-глинистые грунты	1,9		8,5
2.	Плотный мел и мергель	2,0	1400	-
3.	Мерзлые песчано-глинистые грунты	1,9	1400-2000	-
4.	Лёд	0,9	4000
5.	Увлажненный мелкозернистый песок	1,7	560	18,6
6.	Влагонасыщенный крупно-зернистый	1,8	800-1000	25
	песок

Исследование барьерного источника в этих условиях показало, что, несмотря на различие физико-механических свойств грунтов, главное свойство барьерного источника

– увеличение амплитуды поперечных волн и уменьшение амплитуды продольных

69

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

сохраняется повсеместно. В каждом районе работ удалось определить все оптимальные параметры барьерного источника, а в большинстве районов эти параметры оказались одинаковыми. Это относится, в частности, к толщине барьера и величине предельного заряда ВВ в сравнительно мало увлажненных грунтах.

Многочисленные опыты по возбуждению поперечных волн барьерным источником в районах с различным положением грунтовых вод показали, что устойчивое возбуждение поперечных волн наблюдается в грунтах влажностью более 20 %. Особое значение в этом случае имеет объем воды, содержащейся в рыхлой забойке. Уменьшение влажности забойки на 10 % увеличивает амплитуду поперечной волны в 1,5 раза, частота источника возрастает в 3 раза, а направленность взрывного воздействия в 7 раз. В случае повышения процентного содержания воды в забойке и окружающем грунте выше 20 % направленность взрывного воздействия резко падает. В таблице 4 систематизированы результаты влияния влагонасыщенности рыхлой забойки на параметры барьерного источника.

Влияние влажности рыхлой забойки на показатели барьерного источника

					Таблица 3
Влажность	Влажность
грунта, %	рыхлой	AS	AP∑	П	D
	забойки, %
				0,66
27	27	1,4	2,1		1,3
27	17	2,2	1,0	2,2	10,6
10	10	1,6	0,8	1,9	4,0
1	1	4,7	0,4	12	7,0

Влияние грунтовых условий для взрывных источников (типа траншейного и барьерного) отчетливо проявляется на трехкомпонентных записях.

При расположении источника в мягких и вязких породах повышенной влажности, где скорость поперечных волн не превышает 50 - 80 м / с, запись на у-компоненте осложнена продольными и необращающимися Svволнами, вследствие чего свойство фазовой инверсии источника не всегда удается обнаружить. Уровень продольных и поперечных Sv волн на z- и x-компонентах настолько интенсивен, что даже при взрывах малых зарядов чистота Y-воздействия становится много меньше единицы, в том числе и по соотношению амплитуд волн на у- и х-компонентах.

70

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Повышение степени консолидации грунтов и уменьшение их влажности (например, сухие суглинки, обладающие скоростью поперечных волн порядка 250 - 300 м/с) способствует возрастанию чистоты взрывного воздействия за счет, прежде всего резкого снижения уровня необращающихся волн на всех компонентах при стабильном излучении целевых поперечных волн. Показатель Пyz. обычно составляет в этом случае 4 - 5, Пyx ~ 5 – 6. В жестких породах типа крепких сухих мергелей эти показатели (а также Д) еще более возрастают, и поперечные волны отмечаются практически только на одной компоненте.

Влияние жесткости (консолидированности) грунта особенно резко проявляется при сравнении эффективности одного и того же типа источника в водонасыщенных грунтах в летних и зимних условиях. При достаточном промерзании грунта (более 0,4 - 0,5 м) и размещении точки воздействия (удар об уступ, либо взрыв в траншее, заполненной поглотителем) в мерзлых породах параметр чистоты источника резко возрастает. Используя этот эффект, в зимних условиях удалось провести большой объем работ методом поперечных волн в районах, где летом практически невозможно возбудить сдвиговые колебания существующими источниками из-за высокой водонасыщенности грунтов. На рис. 21 приведены сейсмограммы, иллюстрирующие влияние эффекта промерзания на показатели регистрации поперечных волн.

Рис. 21. Разностные ( Y-y) сейсмограммы отраженных волн от двухбарьерного щелевого источника, полученные в летних (а) и в зимних (б) условиях. (Данные ВостСибНИИГГиМСа, Атовская площадь, профиль 353, ПВ 40, ПК 22.50-32.00). q- 20м

ДШУ-33; b = b= 15см; δ = 40см; hщ= 1м; hз = 0,5м.

3.6. Скважинные источники возбуждения поперечных волн

Камуфлетный источник является приповерхностным внешнеполостным, в котором асимметричное поле напряжений возникает в результате переизлучения первичного волнового поля зоной неоднородности, выполненной в виде камуфлетной полости. Источник представляет собой (рис. 18 е) две скважины с рабочими сосредоточенными зарядами + q и - q, расположенные при возбуждении Sh-волн на расстоянии y по обе стороны от полости (камуфлета), образованной путем предварительного взрыва заряда величиной Q (камуфлета). Наибольшую интенсивность излучения S-волны имеют в окрестности вертикального направления (θ = 0°), что можно получить при размещении центра камуфлета и рабочего заряда на разных глубинах. Однако,

71

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

исходя из соображений технологии, при массовых наблюдениях рабочий и камуфлетирующий заряды располагают обычно на одинаковой глубине.

Оптимальные величины зарядов Q определяются типом грунтов, слагающих приповерхностную толщу ВЧР. Для суглинков и песчано-глинистых пород составляют 0,8—1,2 кг, а для плотных мергелей и известняков – 2,8 – 4 кг. Зона неоднородности, при указанных выше плотностях заряжания, должна иметь в диаметре не менее 1,0—2,0 м. В зависимости от типа грунта для создания такого камуфлета требуются заряды Q в 1,5 - 2,0 раза, а в жестких породах в 3 -5 раз больше величины рабочих зарядов q.

Оптимальное расстояние у определяется величиной зарядов q и Q и в первом приближении равно сумме радиусов полостей, образованных взрывом камуфлетирующего и рабочего зарядов:

,

где К – коэффициент, характеризующий свойства грунта. С увеличением расстояния у направленность источника ухудшается за счет уменьшения интенсивности вторичного поля, возбуждающего поперечные волны. На практике в конкретных грунтовых

условиях величина у выбирается в пределах от 1,0 до 2,0 м.

Глубина заложения зарядов h3 определяется водонасыщенностью грунтов и, как правило, не должна превышать глубины залегания уровня грунтовых вод. В сухих мягких и плотных грунтах h3 cоставляет обычно 2,5 - 3,5 м, а в жестких увеличивается до 4 - 5 м. При увлажнении пород направленность камуфлетного источника резко падает.

Для подготовки камуфлетного источника используются серийные буровые шнековые станки и стандартная технология взрывных работ. Необходимая мощность воздействия обеспечивается путем группирования источников.

Скважинные взрывной и пневматический снаряды являются заглубленными инверсионными источниками типа горизонтальной силы, предназначенными для возбуждения поперечных волн в условиях обводненного разреза. Асимметрия воздействия в этих источниках достигается путем применения массивных преград (корпусов), расположенных между зарядом и противоположной нерабочей стенкой скважины или полости (см. рис. 18, з). Наличие преграды нарушает симметрию возникающего поля напряжений и приводит к резкому уменьшению давления за преградой за счет отражения ударных волн от ее поверхности и потерь энергии на приведение преграды в движение. Величины этих потерь и, следовательно, направленность источника зависят от отношения массы преграды к массе заряда Mo =

72

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Mn /q, а также от ее формы и акустических свойств. Достаточно высокая степень направленности, обеспечивающая обращаемость воздействий, реализуется при соотношении масс преграды и заряда, равном M0 ≥ (3÷4) 103.

Большое влияние на направленность источника оказывает конструкция прижима, фиксирующего преграду в заданном положении в скважине и демпфирующего ее собственные колебания после взрыва. Применение прижима и специальных отражателей, уменьшающих воздействие ударных волн и потока движущейся жидкости на боковые и противоположную стенки скважины, повышает направленную избирательность излучения поперечных волн в 2 – 3 раза. Особенно эффективными оказались прижимы

пневматического типа, которые после заполнения воздухом занимают весь объем между преградой и нерабочими стенками полости и почти на порядок снижают давление за преградой.

Разработаны и опробованы скважинные снаряды двух типов. В одном из них для создания в скважине поля напряжений используется взрыв заряда ВВ весом не более 50 г, а в другом, пневматическом, силовое воздействие реализуется за счет выброса некоторой массы сжатого до 15 мПа газа. Такие источники предназначены для возбуждения поперечных волн в скважинах диаметром 250 - 300 мм на глубинах до 50м и обеспечивают мощность воздействия, эквивалентную по сейсмическому эффекту взрыву 0,1—0,2 кг тротила в траншее с поглотителем. Такая мощность излучения достаточна для проведения наземных и скважинных исследований высокого разрешения, особенно в сочетании с цифровой накапливающей аппаратурой.

3.7. Возбуждение поперечных волн воздействиями по поверхности

Ударно-механические источники. На ранней стадии использования механических воздействий были проведены опыты с ударами по специальным подставкам, горизонтально уложенным на поверхности грунта (рис. 18, а). В последние годы интерес к такому способу ударного возбуждения поперечных волн еще более возрос, в частности по причине корректной реализуемости накопления единичных воздействий при использовании современной цифровой техники. Другой вариант связан с ударами по вертикальному уступу, выполненному в грунте (рис. 18, б). При таком способе имеется возможность выбирать наиболее благоприятные грунтовые условия, которые обычно в приповерхностном слое быстро изменяются с глубиной. Основные преимущества воздействий через подставки состоят в том, что при ударах в уступ

73

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

значительная энергия затрачивается на деформацию сжатия этого уступа, вследствие чего симметричная часть воздействия играет заметную роль (хотя в целом чистота ударного источника такого типа довольно велика). При передаче горизонтальных воздействий через платформу с оптимальной конструкцией зубьев сцепления деформации сжатия сводятся к минимуму. В специальных экспериментах, когда зубья-пластины были ориентированы вдоль направления удара, продольные волны вообще не были генерированы.

Важную роль играет соотношение между весом платформы (при заданном способе ее сцепления с грунтом) и энергией удара. Стабильность контакта подставки с грунтом обеспечивается созданием дополнительной нагрузки на нее. Вес подставки с плоским основанием должен обеспечивать такую силу трения покоя, чтобы работа на ее преодоление не была превышена энергией падающего ударника.

Вместе с тем, чрезмерное увеличение веса платформы приводит к уменьшению амплитуды передаваемых в грунт начальных упругих перемещений. Для устранения этого эффекта целесообразно применять развязывающие устройства между массами собственно платформы и ее дополнительной нагрузки. При этом во время действия ударного импульса дополнительная нагрузка не вовлекается в движение и, таким образом не входит в состав массы платформы, передающей колебания в грунт. Роль дополнительного пригруза состоит в том, чтобы увеличить силу нормального давления по площади контакта платформы с поверхностью почвы.

Помимо увеличения веса эффективным средством борьбы с проскальзыванием является подбор оптимальной формы «грунтозацепов» - зубьев на нижней поверхности платформы, которые ориентируются перпендикулярно к действующей силе. Оптимум подбирается исходя из высокой амплитуды излучаемой поперечной волны при допустимом понижении показателя чистоты источника. На рис. 22 приведена сейсмограмма y-компоненты, зарегистрированная при проведении ВСП скважины с ударным источником типа горизонтального удара по платформе падающим грузом массой 500 кг с высоты 5 м. Общая величина запасенной потенциальной энергии на одно воздействие – 25 кДж.. и «Виборолокатором».

74

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

Рис. 22.Монтаж записей на вертикальном профиле (У - у). Скв. № 705, Доссор: а- ударный импульсный источник, б- "Вибролокатор".

Вибрационное возбуждение поперечных волн. Воздействие типа вертикальной силы,

приложенной к границе полупространства, как известно, возбуждает одновременно с продольными поперечные Sv-волны, но максимум их излучения сосредоточен в диапазоне углов 30 - 40 ° от вертикали. Такая форма характеристики направленности вертикального вибратора, применяемого в методе продольных волн, не отвечает основным требованиям регистрации докритических отраженных поперечных волн. Кроме того, в этом случае можно возбуждать только волны Sv, поляризованные в вертикальной плоскости. Более благоприятная направленность излучения волн Sv вертикальным вибратором может быть достигнута при размещении излучающей платформы на наклонной плоскости, а также вблизи искусственно созданной неоднородности, трансформирующей исходное осесимметричное поле напряжений

(см. рис. 18, ж).

Более радикальным решением проблемы вибрационного возбуждения поперечных волн является использование горизонтальных вибраторов. Специфика генерации поперечных волн в этом случае состоит, прежде всего, в необходимости обеспечить надлежащую связь излучающей платформы с грунтом. Этот вопрос имеет некоторую общность с импульсным ударным воздействием по поверхности земли. Для устранения проскальзывания платформы ее нижняя поверхность снабжается грунтозацепами различной конфигурации и к ней прикладывается вертикальная статическая нагрузка (вес транспортного средства). Под действием статической нагрузки и под влиянием

вибрации зубья погружаются на определенную величину z в грунт. Глубина

погружения z в конце сеанса вибрации должна быть меньше общей высоты зубьев, так как в противном случае из-за быстро наступающего эффекта тиксотропности грунта (Часть II, п. 4.2) передача энергии от излучателя в среду прекращается.

Наличие зубьев (ребер) в горизонтальном вибраторе резко снижает эффективную площадь силового соприкосновения источника со средой, что приводит к возрастанию деформаций в зоне контакта, которые даже при относительно небольших амплитудах силы становятся необратимыми. В результате этого между ребрами (зубьями) платформы и грунтом может возникнуть люфт, даже в случаях плотных грунтов, исключающих явление тиксотропности, который не всегда ликвидируется за

75

СПБГУАП группа 4736 https://new.guap.ru

счет прижатия платформы. Сам по себе люфт не опасен, если его величина значительно меньше амплитуды свободного перемещения платформы, т. е. в режиме работы, когда платформа не касается грунта. Поскольку при заданной силе перемещение платформы зависит от частоты, то влияние люфтов по-разному сказывается в начале и конце сеанса вибрации. Понятно, что проскальзывание платформы смещает частотный спектр поперечной волны в сторону понижения.

Рассмотрим пример. Пусть платформа с жестко связанными с ней элементами конструкции имеет массу МПЛ = 2000 кг. Предположим, что на платформу действует сила F(t) =Foexp(jωt), где F0=100 кН, ω — круговая частота. Когда платформа не касается грунта (режим «короткого замыкания»), амплитуду Uпл перемещения платформы можно определить из соотношения F0 = ω2UплМпл. Отсюда для рассматриваемого примера на частотах 10; 20 и 40 Гц амплитуды Uпл будут равны соответственно 12,5; 3,1 и 0,8 мм. Естественно, что люфт должен быть в несколько раз меньше величины Uпл, иначе платформа будет раскачиваться так, как будто она не касается грунта. Прежде всего, по указанной причине существующие вибрационные источники с горизонтальной ориентацией силы эффективно излучают поперечные волны только для частот 10—20 Гц. Поскольку повышение частот непосредственно связано с проблемой увеличения разрешающей способности метода, то совершенствование способов сопряжения излучающей платформы с грунтом в горизонтальном вибраторе является наиболее актуальной задачей в вибрационной сейсморазведке на поперечных волнах.

Как показал опыт работ с имеющимися горизонтальными вибраторами, при вынужденных колебаниях платформы в направлении Y (перпендикулярно к профилю) интенсивность записи после свертки на z-компоненте существенно меньше, чем на соответствующих сейсмограммах, полученных со взрывными источниками.

По этой причине перед вступлением первых поперечных волн на y-компоненте совершенно отсутствует фон продольных и обменных PS-волн, часто отмечаемый при импульсном возбуждении и снимаемый способом вычитания сейсмограмм от разнонаправленных воздействий. При вибрационном способе возбуждения подобное вычитание не реализуется, но зато производится при обработке сигнала другая эффективная операция. Дело в том, что за один период вибрации на заданной частоте f необращающаяся волна, которая при наличии конических зубьев всегда будет существовать, возбуждается дважды при воздействии на среду каждой из рабочих поверхностей зубьев. Отсюда следует, что необращающиеся волны будут

76