Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физико-технический контроль и мониторинг процессов горного или нефтегазового производства. Учебное пособие
.pdf
Лабораторная работа 7
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО
КОРРЕЛЯЦИОННОГО КАРОТАЖА
ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ КРОВЛИ ГОРНЫХ
ВЫРАБОТОК
Цель работы. Ознакомиться с методикой проведения измерений, ос-
нованных на применении ультразвукового корреляционного каротажа.
7.1. Общие сведения
Устойчивость кровли горных выработок зависит от совокупности
горно-технологических и геологических условий, из которых только
первые могут быть отнесены к разряду управляемых. Что касается
геологических условий, то они заданы природой и управление ими
невозможно. Более того наши знания об этих условиях всегда ограничены, хотя именно они во многом определяют способ
ния и качество прогноза устойчивости кровли.
Важнейшими составляющими геологических условий в зоне выработки являются строение толщ горных пород, слагающих кровлю,
и нарушенность этих толщ трещинами. Для получения информации
об этих и других составляющих применяются различные геомеханические и геофизические методы, в частности, акустический каротаж
пробуренных в кровле скважин
малого диаметра. В качестве зонди-
рующих сигналов при этом традиционно используют ультразвуковые
(УЗ) импульсы, а в качестве информативного параметра – скорость
распространения продольных упругих волн в прискважинной об-
С
P
ласти массива. Однако в ряде случаев кровля представлена слоями
пород, для которых различия значений С
столь незначительны, что
P
получаемый скоростной разрез не позволяет идентифицировать разрез геологический. Что касается трещин, пересекающих контрольную скважину, то низкая чувствительность по отношению к ним значений С
общеизвестна, особенно в случае, когда трещины сомкнуты
P
или их заполнитель и вмещающие породы имеют близкие акустические характеристики.
Одним из УЗ методов, позволяющих в значительной мере повысить
информативность контроля и увеличить базы прозвучивания, является
УЗ корреляционный метод с использованием шумовых зондирующих
поддержа-
71
сигналов. В рамках такого метода излучаемый в массив шумовой сиг-
B
B
нал, являющийся по сути своей случайным процессом, анализируется
статистически путем построения корреляционных функций.
Суть метода заключается в дискретном с шагом Δl перемещении
скважинного зонда, содержащего излучающий пьезоэлектрический
преобразователь (ПЭП) и два симметрично расположенных по отношению к нему на расстоянии
Δd идентичных приемных ПЭП. С помощью излучающих ПЭП в массив излучается УЗ сигнал в виде стационарного акустического шума, среднее значение которого равно
нулю. Далее этот сигнал после прохождения в прискважинной области массива принимается приемными ПЭП, коэффициент корреляции R электрических сигналов на выходе которых несет информацию
степени структурной поврежденности на базе контроля 2d. Метод
о
обладает чрезвычайно высокой чувствительностью даже к сомкнутым трещинам при условии если они ортогональны оси скважины,
непосредственно пересекают ее и имеют условно неограниченную
протяженность.
Как уже было отмечено, основным информативным параметром
корреляционного контроля является коэффициент корреляции R, в
основе которого лежат понятия автокорреляционной
взаимной корреляционной B
() () ( )d;
xx
() () ( )d,
xy
(ВКФ) функций:
12
T
1
xt xt t
T
0
T
1
xt yt t
T
0
(7.1)
(7.2)
B11 (АКФ) и
где B
(τ) – АКФ сигнала x; Bxy(τ) – ВКФ сигналов x и y; Т – время
xx
интегрирования корреляционного анализатора.
Таким образом, с учетом (7.1) и (7.2) коэффициент корреляции
()
B
где В
() ,
R
(0) и Вyy(0) – их АКФ функции при τ = 0.
xx
xy
(0) (0)
BB
xx yy
(7.3)
При решении задач анализа устойчивости горных выработок выделяют следующие структурные особенности кровли:
1) положение границы между основной и непосредственной кров-
лей и наличие расслоений на этой границе;
72
2) степень однородности пород кровли и наличие в ней участков с
П
П
П
П
П
повышенной трещиноватостью;
3) преобладающее направление трещин на трещиноватых участках.
Все указанные структурные особенности выявляются с использованием схем УЗ корреляционного прозвучивания и каротажа, представленные на рис. 7.1.
Основная
кровля
Непосред-
ственная
кровля
Основная
кровля
Непосредств енная
кровля
2
И
П
1
П
2
И
П
1
а
П
2
И
1
П
2
И
П
1
в
Основная
кровля
Непоср едстве нная
кровля
Основная
кровля
Непосредстве нная
кровля
б
ИП
1
И
1
г
П
Рис. 7.1. Схемы УЗ корреляционных измерений: каротаж с постоянным
расстоянием d между приемными ПЭП (а); каротаж с изменяющимся
расстоянием d между приемными ПЭП (б); межскважинное прозвучивание
с симметричным расположением приемных ПЭП относительно излучателя
при использовании ВКФ (в) и АКФ (г)
2
2
И
П
1
2
П
2
Возможность определения границы между основной и непосредственной кровлей и наличия расслоений на этой границе с использованием схем каротажа на рис. 7.1, а, б и прозвучивания на рис. 7.1, в
очевидна. При пересечении П
указанной границы должны скачкооб-
2
разно уменьшаться коэффициент корреляции R. Примерное постоянство этого параметра по мере углубления скважинных зондов (в случае измерений по схемам 7.1, а, б) или их плавное незначительное
изменение (при измерениях по схеме 7.1, б) свидетельствует об отсутствии каких-либо горизонтальных акустических границ и относи-
73
тельной однородности пород кровли. Выявление трещин, вертикальных или ориентированных под некоторым углом к поверхности
кровли, возможно с использованием схем измерений на рис. 7.1, в, г.
7.2. Контрольные вопросы
1. Какой тип сигнала используется для каротажа?
2. Какой смысл имеет коэффициент R?
3. Что такое взаимная корреляционная функция?
4. Какие задачи решаются с помощью метода УЗ корреляционного
каротажа?
5. Почему использование С
не всегда эффективно?
Р
7.3. Описание лабораторной установки
В рамках лабораторной работы предполагается освоение студентами УЗ шумового корреляционного каротажа с равными расстояниями между излучателем и приемными преобразователями (схема,
представленная на рис. 7.1, а).
Лабораторная установка состоит из блока горной породы, моделирующего кровлю горной выработки, одного излучающего и двух
приемных ПЭП, генератора шума ГШ-1, цифрового осциллографа
INSTEK GDS-71022 и
Генератор ГШ-1 предназначен для генерации белого шума в диапазоне частот от 10 до 500 кГц.
На рис. 7.2 представлена общая схема лабораторной установки.
персонального компьютера.
«Каротажный зонд»
Персональный
компьютер
Осциллограф
GDS-71022
Генератор
шума ГШ-1
Рис. 7.2. Схема лабораторной установки
П
И
1
П
2
«Каротажный зонд» представляет собой три ПЭП с резонансной
частотой f
= 150 кГц. Излучающий преобразователь располагается
рез
между приемными и подключается к генератору белого шума ГШ-1.
74
7.4. Порядок выполнения работы
1. Включить персональный компьютер. Дождаться его полной за-
грузки.
2. На рабочем столе создать папку «
Если такая папка существует, очистить ее содержимое.
3. Подсоединить излучатель к выходу шумового генератора ГШ-1.
4. Подсоединить приемники к первому и второму каналам цифро-
вого осциллографа («КАН 1» и «КАН 2»).
5. Включить осциллограф нажатием кнопки «
6. Двойным кликом по ярлыку на рабочем столе запустить про-
грамму Free Wave. Перейти на вкладку импорта данных нажатием
кнопки
. Убедиться, что поставлены галочки напротив обоих
каналов («СН1» и «СН2»). Также необходимо отметить галочками
позиции «Timebase» и «Position» в области «Same as scope».
7. Разместить преобразователи в начале профиля так, чтобы приемники оказались на равном и постоянном расстоянии Δd = 5 см от
находящегося в центре излучателя.
8. Ручкой аттенюатора на генераторе ГШ-1 выставить ослабление
шумового сигнала
9. Ручками «
«
ВРЕМЯ/ДЕЛ» на передней панели осциллографа добиться появле-
12 дБ.
ВОЛЬТ/ДЕЛ» для каждого из каналов, а также
ния волновой формы ультразвукового шумового сигнала так, как это
показано на рис. 7.3.
Корреляционный каротаж».
POWER».
Рис. 7.3. Настройка развертки осциллографа
75
10. «Заморозить» регистрацию сигнала осциллографом нажатием
кнопки
«Пуск/Стоп» в верхней правой части передней панели.
11. В программе FreeWave произвести импорт волновых форм
первого и второго каналов нажатием кнопки
. При этом на экране
появятся зарегистрированные шумовые сигналы. Таким образом, мы
фиксируем волновые формы, полученные для двух приемных преобразователей в положении «каротажного зонда» Х = 0.
12. Переместить «каротажный зонд» на шаг Δl = 2,5 см вдоль профиля.
13. Запустить регистрацию сигнала кнопкой «
Пуск/Стоп», через
некоторое время снова «заморозить» сигнал той же кнопкой.
14. В программе FreeWave снова нажать кнопку
, импортировав
тем самым пару сигналов, соответствующих положению «каротажного зонда» Х = 5.
15. Повторить действия пп. 12–14 для всего каротажного профиля.
16. Сохранить импортированные файлы в папку «Корреляцион-
ный каротаж
ить имя
» нажатием кнопки . Сохраняемому файлу присво-
corr.csv.
7.5. Обработка результатов
Результатом проведенных измерений является набор оцифрованных волновых форм шумового сигнала, зарегистрированных первым
и вторым приемными преобразователями. Дальнейшая обработка
заключается в вычислении коэффициента R для каждого положения
«каротажного зонда» на профиле и построении каротажной кривой.
Для решения этой задачи используется специализированное программное обеспечение CorrLogging, позволяющее в автоматизированном режиме по
необходимые вычисления и строить каротажные кривые. Блок-схема
вычислений программы CorrLogging представлена на рис. 7.4.
Откройте программу CorrLogging двойным щелчком мыши на соответствующей иконке на рабочем столе компьютера. В раскрыв-
шемся окне нажатием на кнопку
сохранены волновые формы зарегистрированных сигналов. В поле
«число точек на профиле» укажите число произведенных измерений.
Нажмите на кнопку «
В результате расчета в нижнем окне программы будет выведена
каротажная кривая в виде зависимости коэффициента R от координаты на профиле. Справа в колонке будут выведены все рассчитанные
коэффициенты корреляции сигналов. Перепишите вычисленные коэффициенты R себе в тетрадь.
данным экспортированных сигналов производить
укажите путь к папке, в которой
РАСЧЕТ».
76
Импорт сигнала с
канала №1
Импорт сигнала с
канала №2
Рис. 7.4. Блок-схема вычислений, реализуемых программой
Построение
АКФ
Построение
ВКФ
Построение
АКФ
CorrLogging
Нахожд ение
B
(0)
xx
Нахожд ение
B
0)
xy(
Нахожд ение
B
(0)
yy
R
Построение
каротажной
кривой
Обратите внимание, что вместе где «каротажный зонд» проходит
на зоной трещины, на каротажной кривой проявляется двукратное
падение коэффициента R, что объясняется нахождением трещины
последовательно между первым приемником и излучателем, а затем
между излучателем и вторым приемником. Точное местоположение
трещины находится между двумя низкими значениями R. Вычислить
относительную погрешность δl
, %, определения координаты поло-
тр
жения трещины из формулы
ll
тр тр
l
тр
l
тр
(7.4)
100,
где l
l
– истинное положение трещины; измеренное линейкой,
тр
положение трещины, определенное из каротажной кривой.
тр
7.6. Оформление отчета
1. Представить блок-схему установки и схемы вычислений про-
граммы CorrLogging.
2. Представить графическое изображение каротажной кривой.
3. Представить рассчитанное по (7.4) значение относительной по-
грешности определения координаты трещины.
7.7. Тестовые задания для самопроверки
1. Взаимная корреляционная функция сигнала определяется из
формулы:
77
T
B
B
B
а)
xx
б)
xy
в)
() ;
R
г)
xy
1
() () ( )d;
() () ( )d;
txtytt
() () ()d.
xt xt t
T
0
T
1
xt yt t
T
0
()
B
xy
(0) (0)
BB
xx yy
T
1
T
1
2. Основной проблемой получения литологического разреза по
данным УЗ прозвучивания с измерением скоростей продольной волны можно считать:
а) затрудненный доступ к кровле;
б) невозможность соблюдения контактных условий между преоб-
разователем и массивом;
в) акустические помехи в массиве;
г) низкая чувствительность скорости продольной волны к малым
изменениям плотности.
3. Минимальное количество
скважин для проведения каротажа
кровли горной выработки:
а) 1;
б) 2;
в) 3;
г) измерения производятся с поверхности обнажения.
4. В описанном в лабораторной работе методе контроля в качестве
зондирующего сигнала используют:
а) импульсный сигнал;
б) синусоидальный сигнал;
в) розовый шум;
г) белый шум.
5. Основным информативным параметром УЗ шумового корреля-
ционного контроля является:
) коэффициент взаимной корреляции сигналов;
а
б) соотношение амплитуд принятых сигналов;
в) интервалы корреляции принятых сигналов;
г) степень затухания сигналов в породном массиве.
78
6. Преимуществом корреляционного каротажа при выявлении
трещин и расслоений в кровле можно считать:
а) повышенные скорости распространения излучаемых сигналов;
б) чувствительность метода к сомкнутым трещинам;
в) возникновение резонансных явлений на базе измерения;
г) все вышеперечисленное.
7. Для реализации метода шумового ультразвукового корреляци-
онного метода контроля необходимы:
а) два излучающих преобразователя и один
приемный;
б) один приемный и один излучающий преобразователи;
в) один излучающий и два приемных преобразователя;
г) два излучающих и два приемных преобразователя.
79
Библиографический список
Бауков А.Ю. Контроль процессов горного производства: Метод.
указ. к курсовому проекту по дисциплине «Контроль процессов горного производства». М.: МГГУ, 2013. 118 с.
Бауков Ю.Н. Горная геофизика. Упругие волны в слоистонеоднородном массиве: Учеб. пособие. М.: МГГУ, 1999. 135 с.
Ляховицкий Ф.М., Хмелевский В.К., Ященко З.Г. Инженерная
геофизика. М.: Недра
Прибор переносной ультразвуковой импульсный типа УКБ-1М.
Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Министерство
приборостроения, средств и систем управления СССР, 1967. 55 с.
Прогноз и предотвращение горных ударов на рудниках / Под ред.
И.М. Петухова, А.М. Ильина, К.Н. Трубецкого. М.: АГН, 1997. 376 с.
Результаты геоакустических исследований удароопасности на месторождении «
и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научнотехнический журнал). 2009. № 12. С. 41–49.
Шкуратник В.Л. Горная геофизика. Ультразвуковые методы. М.:
МГИ, 1990. 104 с.
Шкуратник В.Л. Измерения в физическом эксперименте: Учебник. М.: АГН, 2000. 256 с.
Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля гор
ных пород и процессов. М.: Недра, 1982. 296 с.
, 1989. 252 с.
Антеи» / И.Ю. Рассказов, П.А. Аникин, А.Ю. Искра
-
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]