МЕТОДИКА И ПРИЛОЖЕНИЕ К ЗАДАЧАМ НЕФТЯНОЙ ГЕОЛОГИИ

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

преимущества в технологии и организации сейсморазведочных работ, заключающиеся в том, что можно осуществить полный контроль за параметрами источника и применить высокопроизводительную технику, отношение интенсивностей глубинных отраженных волн Js и регулярных помех Jp много меньше 1, т. е. Js /Jp << 1.

Второй – источники занимают промежуточную позицию. Они носят название приповерхностных, а особенностью их является то, что глубина приложения воздействия сравнима с длиной поперечной волны. При этом от свободной поверхности возникает поперечная волна – спутник, которая, накладываясь на «хвост» прямой волны выходящей из источника приводит к искажению формы поперечного колебания, появлению дополнительных фаз, отделить которые от прямой волны не всегда удается. Вместе с этим, использование приповерхностных источников, хотя и снижает интенсивность регулярных помех, все-таки оставляет их на уровне выше целевых отраженных волн, и предпочтительно в том случае, когда требуется значительное повышение мощности воздействия при высоком уровне грунтовых вод. Отношение интенсивностей полезного сигнала к регулярной помехе в этом случае всегда несколько меньше 1. Js / Jn ≤ 1.

К третьему уровню относятся все источники, размещенные на глубине много большей чем длина поперечной волны. Здесь также образуется волна-спутник, отраженная от дневной поверхности, но временной промежуток регистрации ее отраженного сигнала значительно больше периода целевой отраженной поперечной волны. Поверхностные регулярные волны-помехи порождаются спутником при взаимодействии со свободной поверхностью, а по интенсивности значительно меньше поперечных волн восходящих от глубинных горизонтов. Отношение интенсивностей полезного сигнала и помехи больше или равно 1. Js / Jn ≥ 1.

Таким образом, анализ способов возбуждения позволил выделить признаки, присущие всем им одновременно.

По типу воздействия: симметричное, смешанное, антисимметричное. Этот признак определяет источники по форме напряженного состояния в очаге. Количественной характеристикой признака выступает коэффициент «чистоты», равный отношению амплитуд монотипных поперечных и продольных волн, одновременно генерируемых источником (π = As / Ap). При π << 1 – симметричное, π ≈ 1 – смешанное и π >> 1 – антисимметричное воздействие.

Кроме того, этот признак освещает и направления преимущественного излучения поперечных волн благодаря свойствам функции диаграммы направленности, присущей тому или иному воздействию. На наш взгляд этот признак является определяющим среди прочих.

57

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

Второй – характеризует время или полосу частот силового воздействия на среду, где естественным образом выделяются полиимпульсные (узкополосные), импульсные (промежуточные) и моноимпульсные (широкополосные) источники. Этот признак позволяет судить о разрешающей способности генерируемых поперечных волн.

Наконец третий признак отображает свойства сейсмического волнового поля, заключающееся в том, что он показывает какая часть начальной энергии, выделяемой источником, уходит на возбуждение регулярных волн-помех, и, следовательно, неявно определяет необходимые свойства регистрирующей аппаратуры и измерительных датчиков для успешного выделения целевых отраженных волн. Ниже в таблице 2 приводятся данные по основным видам воздействий, используемых для возбуждения поперечных волн, а на рис. 17 представлена предлагаемая классификационная схема источников.

Технические данные основных типов механических воздействий при возбуждении поперечных волн

Таблица 2

3.5. Поверхностные взрывные источники поперечных волн

Траншейный источник. В 1964 г. после серии экспериментальных работ, был создан новый способ возбуждения поперечных волн в полостях с поглотителем. Этот способ быстро вытеснил механические удары копрами, тележками и взрывы накладных зарядов на уступах, откосах и т. п., по причине высокой энергоемкости и чистоты воздействия.

58

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

Исследования источника в различных сейсмогеологических условиях повсюду показали, что при соответствующем подборе величины зарядов, размеров полостей и свойств поглотителя удается возбуждать поперечные волны заранее заданной поляризации обладающие свойством фазовом инверсии. Были выяснены основные факторы, влияющие на направленность взрыва и сделаны попытки качественного объяснения экспериментального материала. Решением задачи о распространении волн Римана в разрыхленном грунте с переменным

Рис. 17. Классификационная схема источников поперечных волн.

модулем всестороннего сжатия были начаты теоретические исследования процесса возбуждения поперечных волн траншейным источником. Продолжавшееся накопление экспериментальных данных дозволило перейти от теоретического решения отдельных вопросов формирования поля касательных напряжений к построению общей феноменологической теории траншейного источника и признанию его эталоном сильного горизонтально направленного импульсного воздействия. Схематическое изображение траншейного источника приведено на рис. 18, в.

В результате инициирования одного из зарядов, например 5, в окружающем консолидированном грунте формируется зона разрушения, которая на некотором

59

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

расстоянии от вертикальной поверхности принимает форму полуокружности, вырождаясь

вупругую волну сжимающих напряжений и, в дальнейшем, распространяется со скоростью продольной волны. Взаимодействуя с вертикальной стенкой полости и свободной (дневной) поверхностью фронт волны сжатия из полуокружности вытягивается

внекоторый полуэллипс. Безусловно, внутри этого объема грунтовой массы продукты детонации заряда ВВ производят сильное разрушающее воздействие на консолидированный грунт. При этом значительная энергия сильно сжатых газов затрачивается, можно сказать в холостую, не участвуя в процессе генерации упругой сдвиговой волны. Разрушенный грунт, оставаясь под действием давления газов, ускоряется и вдавливается в породу, поскольку скорость перемещения границы газов все еще больше скорости распространения упругой волны в породе. Этот процесс приводит к уплотнению вещества на границе газ-порода и ее сильному растрескиванию, образуя зону структурированной и уплотненной породы в виде некоторого

Рис. 18. Схематические разрезы источников поперечных волн.

а — касательное воздействие через платформу; б — ударное воздействие на стенку грунтового уступа; в — однотраншейный источник; г — барьерно-траншейный источник

(b — ширина щелей, δ –ширина барьера); д — барьерно-щелевой источник (двухбарьерный вариант); е — скважинный камуфлетный источник; ж — осесимметричное воздействие около неоднородности; з — скважинный взрывной снаряд; и — цилиндрический центр давления в скважине; к — кольцевой источник (в плане); л — роторный источник (в плане), 1 — платформа с устройством зацепления с грунтом; 2 — направление импульсного или вибрационного воздействия; 3 — вертикальная нагрузка; 4

— устройство, развязывающее массы нагрузки и платформы; 5 — заряд ВВ; 6 — рыхлая забойка; 7, 8 — основная и побочная составляющие взрывного воздействия; 9 — скважина с рабочим зарядом; 10 — скважина с камуфлетом; 11 — скважина с жидкостью; 12 — корпус снаряда; 13 — соединительные штанги; 14— прижимное устройство; 15 — ориентирующее устройство; 16 — точки приложения ударного или взрывного воздействия.

слоя. На этой поверхности напряжение направлено по нормали в каждой точке, поэтому, проектируя элементарные силы на оси y и z и, интегрируя затем по поверхности,

60

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

занимаемой фронтом волны, получим две эквивалентные силы, действующие в источнике но направлению осей y и z .

Кроме того, взрыв заряда ВВ формирует ударную волну и в забойке, которая распространяется в сторону противоположной стенки траншеи, постепенно затухая. Через некоторое время τ, которое определяется из выражения:

где V(r) - скорость распространения волны сжатия по разрыхленному грунту, волна сжатия, взаимодействуя с противоположной стенкой траншеи, возбудит в консолидированном грунте волну сжимающих напряжений. Применяя прием, описанный выше, можно вычислить , причем направление силы изменится на противоположное, а по амплитуде будет гораздо меньше, поскольку часть энергии ударной волны поглощается рыхлой забойкой. Таким образом, взрыв заряда продуцирует в среде действие двух сил, направленных в противоположные стороны, что приводит к излучению двух поперечных волн разной амплитуды. К точке наблюдения подходят две волны с разностью хода волн,

которая получится только за счет включения второго источника через время τ. Это время определяет разность фаз колебаний волн от двух источников в точке наблюдения и будет сохраняться постоянной, так как на источники действуют одни и те же вынуждающие силы, которые возникают в результате взаимодействия взрывных волн oт одного и того же заряда с вертикальными стенками траншеи. В этом случае два источника оказываются когерентными, а в точке наблюдения произойдет суперпозиция волн в виде:

,

где A1 и А2 – амплитуды колебаний, ω1 и ω2 – частоты колебаний, k1 и k2 – волновые вектора волн соответственно.

Используя известные математические преобразования, можно записать, что суммарная амплитуда колебаний определяется в виде квадратного уравнения:

.

Фаза суммарного колебания не имеет значения в данной постановке задачи, поэтому формула не приводится поскольку дана в Части I.

Для исследования уравнения учтем, что амплитуда волны, возбуждаемая источником 2, противоположна по знаку амплитуде волны от первого источника. Для простоты положим, что ω1≈ω2 = ω. В этом случае суммарная амплитуда колебания выразится формулой:

61

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

Анализируя полученный результат, можно сказать, что функция А имеет экстремумы в точках ϕ = nπ, где n = 0,1,2,3… Четные n – дают минимумы, а нечетные n – дают максимумы суммарной амплитуды колебаний, т. е.

Но ϕ = ωτ поэтому время, через которое необходимо включить вторую силу для получения максимального значения амплитуды суммарного колебания, выразится как:

τ = (2р-1)π /ω

Если рассмотреть действие взрыва в траншейном источнике, то время τ можно связать с шириной траншеи и весом заряда q. Связь давления и скорости распространения ударной волны в зависимости от веса заряда при взрыве на поверхности вертикальной полости можно взять в виде

и

где Pm – давление во фронте ударной волны, q – вес заряда, ρ0 – плотность рыхлого грунта (забойки), D и v – скорости распространения фронта и массового потока за фронтом ударной волны. Постоянные l1 и μ берутся из таблиц, а величина ξ зависит от свойств грунта. Учитывая, что время распространения ударной волны по забойке τ окончательно получим следующую связь

.

В неводонасыщенных песчаных, глинистых и лессовидных грунтах Cр лежит в пределах от 0,2 до 0,4 км / c; величина l1 для этих же грунтов равна 6. Используя эти данные и значение μ = 2 и ρ0 = 1,5 г/см для этих же грунтов, можно несколько упростить выражение для τ:

.

Найдем, что разность фаз ϕ зависит от параметров траншеи, веса заряда и свойств рыхлой забойки

,

где f – циклическая частота колебаний поперечных волн.

Теперь можно сказать, что при постоянных f, Ср и b амплитуда суммарного колебания определяется зарядом q. Если постепенно изменять вес заряда, то найдутся такие его значения, при которых ϕ будет точно равна величине π или (2p-1) π. При этом амплитуда суммарного колебания достигнет своего наибольшего значения равного сумме амплитуд от первого и второго воздействий, т.е. существует некоторая оптимальная величина заряда

62

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

q. Если менять ширину траншеи b, оставляя величину заряда постоянной, то даже при незначительном ее изменении величина сдвига фаз меняется очень быстро, как b3. Однако, найдется число p, при котором, опять-таки, амплитуда суммарного колебания будет наибольшей. Тем не менее, увеличение b приводит к уменьшению амплитуды волны от противоположной стенки траншеи, а, следовательно, и к уменьшению амплитуды суммарной волны до тех пор, пока А2 не будет очень близка к 0 в результате поглощения и геометрического расхождения. В этом случае, амплитуда поперечной волны от взрыва в траншее определяется только воздействием ударных волн непосредственно на консолидированный грунт.

Уменьшение ширины траншеи дает рост амплитуды поперечной волны от противоположной стенки траншеи, одновременно со стремлением ϕ и 0. В этом случае, амплитуда суммарного колебания определяется разностью амплитуд от первого и второго воздействий, но, так как А1 ≈ -А2 то и А = А1 + А2 ≈ 0. Таким образом, вес заряда и ширина траншеи связаны соотношением, которое показывает, что при увеличении ширины траншеи в 2 раза, оптимальный вес заряда возрастает в 8 раз.

Упрощенный вариант траншейного источника (УВТИ). Практическое использование траншейного источника было возможно только для научных исследований, когда экономическая эффективность процесса возбуждения не играет определяющей роли. При массовом применении поперечных волн вполне уместными являются вопросы связанные как с производительностью, так и с технологичностью процессов подготовки источников возбуждения, где за эталон принимались достижения сейсморазведки монотипными продольными волнами. По вполне понятным причинам, несмотря на все преимущества траншейного способа возбуждения, он не мог быть принят производственными организациями в качестве «нового слова» в совершенствовании процесса возбуждения сейсмических волн. Усилия, направленные на поиск паллиативных вариантов, привели к разработке усовершенствованного траншейного источника для возбуждения поперечных волн, конструктивные особенности которого позволили добиться высокого уровня автоматизации работ при подготовке источников поперечных волн. Производительность труда при этом на много превосходит таковую в стандартных методах сейсморазведки на продольных волнах. На рис. 19 представлены изображения устройств, широко используемых при подготовке УВТИ в песчано-глинистых грунтах ВЧР и характер подготавливаемых траншей укладчиками удлиненных зарядов, представляющих собой линии детонирующего шнура (ДШ).

В геофизических организациях при сейсморазведке на продольных волнах применялся способ возбуждения сейсмических колебаний при помощи взрывов линий детонирующего

63

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

шнура, укладываемых в поверхностный слой грунта погружателями плужного (ножевого) типа. Общий вид этой конструкции для укладки детонирующего шнура ПДШ-1 сбоку (а) и со стороны расположения ножей (б) изображен на рис. 19. На раме (I) закрепляются рабочие органы-ножи (2), служащие для разрушения консолидированного грунта в сравнительно узкой области. На задней стенке ножей имеются трубки-шнуропроводы (6) для транспортировки ДШ от катушек (3) с запасом шнура к месту укладки. Впереди катушек установлен предохранительный щит (4). Для уменьшения тягового усилия средний нож из трех ножей установлен впереди по отношению к двум крайним-рабочим. Расстояние между крайними ножами в поперечном направлении можно изменять в широких пределах - от 30 до 88 см в 1Щ1-1 и от 29 до 160 см в ЦДЩ-1 м. Глубинность рыхления грунта находится в пределах до 0,6 м и регулируется при помощи опорных колес (5). С целью повышения чистоты возбуждения поперечных волн за счет создания разрыхленной зоны между зарядом и дном борозды была предусмотрена возможность выпуска ДШ из шнуропровода на разной высоте по отношению к основанию ножа.

Рис. 19. Схематический вид укладчика ПДШ-I: а - сбоку; б - сзади; в - нестандартные ножи с поперечной пластиной.

Морфология разрыхленной зоны. При движении укладчика детонирующего шнура его ножи самозаглубляются и вспарывают грунт, образуя зону разрушенной породы. Центральный передний нож приподнимает поверхность грунта на 20-30 см в некоторой полосе, производя первоначальное его разрушение. В результате этого рабочие боковые ножи движутся по частично нарушенному грунту, причем в таких условиях, когда по направлениям к центру сопротивление грунта существенно ослаблено. Тем самым боковые ножи интенсивно разрыхляют центральную часть образующейся траншеи, разбивая крупные комья на более мелкие фракции. Разрушение, в том числе растрескивание грунта, идет также и в направлениях от центра, но в условиях

64

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

несимметричных усилий оно будет меньшим, чем при первоначальном вспарывании центральным ножом рис.20.

Ширина зоны разрушения и степень рыхления в заданных грунтовых условиях будет зависеть от расстояния между крайними ножами. В случае движения плуга с тремя ножами в песчано-глинистом грунте, в первом приближении, разрушенная зона напоминает траншею с наклонными неровными боковыми стенками и дном, на котором отчетливо заметны "останцы" барьеров, высота которых зависит от расстояния между ножами и от состава и влажности грунта.

Рис.20. Схематическое изображение зон разрушения, образованных в сухом суглинке одно-, двух- и трех ножевыми укладчиками линейных зарядов ДША.

Барьерный источник. Перспективное направление совершенствования траншейного источника открылось при разъединении широкой полости на несколько более узких траншей, отделенных друг от друга барьерами из консолидированного грунта. Такой источник получил название барьерного. По количеству барьеров между траншеями источник подразделяется на однобарьерный (один барьер между двумя траншеями), двухбарьерный (два барьера между тремя траншеями) и т. д.

Заряды ВВ, обычно в виде линий детонирующего шнура, укладываются как на вертикальные стенки траншей, так и на вертикальные стенки барьеров, т. е., вместо двух зарядов при траншейном способе возбуждения, барьерный источник позволяет две пары разнонаправленных воздействий или одну пару с удвоенной величиной заряда.

Обоснованию возможностей применения барьерных источников для целей сейсморазведки, выяснению оптимальных параметров источника в различных сейсмогеологических условиях и механизма излучения поперечных волн посвящен настоящий параграф.

Некоторые оценки действия барьера. Барьерный источник представляет собой две узкие траншеи шириной «в», разделенные между собой призмой консолидированного грунта.

Эта призма названа «барьером», толщина которого - δ. Заряды ВВ могут укладываться как на внешние вертикальные стенки траншей, так и на их внутренние (барьер), на глубину равную, примерно, половине траншей (рис. 18, г). Введем прямоугольную систему координат с центром на заряде ВВ. Ось Y направим в сторону консолидированного грунта, ось Z – вертикально вниз, а ось Х – перпендикулярно чертежу. Рассмотрим формирование силового воздействия в результате взрыва заряда ВВ, принимая во внимание, что скорость распространения ударных волн по забойке в три раза меньше той

65

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

же скорости в консолидированном грунте. В результате взрыва заряда ВВ, продукты детонации, находясь под большим давлением, формируют цилиндрическую ударную волну, как в консолидированном грунте, так и в рыхлой забойке. Через некоторое время τ, взрывная волна достигнет контактной поверхности забойка – консолидированный грунт и, в результате преломления, проникает внутрь барьера. Закон преломления, учитывающий цилиндрическую симметрию движения ударных волн, имеет вид:

М1С1sinθ1 = M2C2sinθ2,

где М1 и М2 – соответствующие числа Маха для падающей и преломленной ударных волн, С1 и С2 скорости упругих продольных волн в рыхлой забойке и консолидированном грунте барьера, θ1 и θ2, - углы скольжения фронтов волн по вертикальной поверхности барьера.

Известно, что предельный угол скольжения, при регулярном преломлении ударных волн, зависит от параметров падающей волны и свойств сред по обе стороны от контактной поверхности, и определяется из соотношения:

sinθпр. = M1C1 / M2C2.

Если использовать приближение слабых ударных волн, то М1 и М2 ≈ 1 и тогда выражение принимает вид

sinθпр. ≈ C1/C2.

Точки, где угол скольжения падающей волны становится предельным, находятся на расстоянии от линии расположения заряда

.

Таким образом, в результате преломления цилиндрической взрывной волны на поверхности раздела забойка – консолидированный грунт, внутрь барьера проникает только часть переносимой ударной волновой энергии, ограниченной лучами треугольной призмы с углом при вершине в центре заряда

.

Если источник располагается в мягких грунтах, для которых скорости упругих волн в разрыхленном и консолидированном состояниях отличаются незначительно, то угол α ≈

90°. В этом случае внутрь барьера проникает ударная волна от взрыва, освещающего контактную поверхность от днища траншеи до дневной поверхности.

В жестких породах, где С2 >> С1 внутрь барьера преломляется пренебрежимо малая доля энергии взрыва, основная часть которой рассеивается вдоль оси z, т. е. в рыхлой забойке между зарядом и дном траншеи. Поэтому, при одинаковых величинах зарядов и ширине траншей барьерный источник в жестких породах должен обладать более глубокими траншеями для уменьшения воздействия направленного по оси z.

66