Сейсмоакустические шумы. Применение геоакустического каротажа

Курсовая работа

Введение

Новизна исследований, отсутствие публикаций о геоакустических шумах у нас в стране и за рубежом выдвинули в качестве первоочередных задач разработку скважинной аппаратуры и методики изучения геоакустических шумов, включающей поиск информативных параметров регистрируемых сигналов, анализ их связи с напряженно-деформированным состоянием геосреды и возможность практической реализации результатов исследований в виде нового геофизического метода изучения состояния среды. В настоящее время геофизический метод на основе использования геоакустических шумов применяется для решения следующих задач.

1. На рудных месторождениях:

• изучение зон трещиноватости и дробления по стволу скважины;

• выявление тектонических зон в околоскважинном пространстве по их динамической активности месторождений.

2. При изучении современной геодинамики земной коры:

▪ исследование характера пространственного распределения геоакустических шумов и их временных вариаций в блоках консолидированных пород и в зонах тектонических разломов.

3. На месторождениях нефти и газа:

• определение характера насыщенности коллекторов, спектрального состава геоакустических шумов на стадии скважин и решение задач по контролю за разработкой нефтяных месторождений;

• выделение газоносных коллекторов и индикация наличия или отсутствия газа в исследуемой среде.

В данной работе изложены представления о сейсмоакустических шумах Земли, их информативности и состоянии изученности, рассмотрены теоретические вопросы возбуждения естественных геоакустических шумов, а также рассмотрены физические основы применения геоакустического каротажа.

1. Сейсмоакустические шумы..

Сейсмоакустические шумы (САШ) Земли охватывают диапазон частот от кГц до сотых долей Гц. По частотному составу шумы можно разделить на низкочастотные сейсмические (низкочастотные микросейсмы), высокочастотные сейсмические (микросейсмы в диапазоне до десятков Гц) и акустические (от десятков Гц до нескольких кГц). Шумы в диапазоне взаимноперекрываемых частот называют сейсмоакустическими. Строгой терминологии в классификации шумов Земли по частотному составу не придерживаются, поэтому многие авторы пользуются как равнозначными, например, такими терминами: высокочастотные сейсмические шумы и высокочастотные микросейсмы, сейсмическая и сейсмоакустическая эмиссия или излучение, сейсмоакустические и геоакустические шумы.

Независимо от диапазона частот проблема изучения САШ охватывает исследования по следующим основным разделам:

Причина возникновения шумов;

Механизм их генерации;

Местоположение областей образования шумов;

Амплитудно-частотный состав сигналов;

Условия распространения шумов;

Информативность САШ и возможность их практического применения.

По своему происхождению шумы Земли можно разделить на эндогенные и экзогенные. Экзогенные связаны с внешними источниками: волнением воды, ветром, деятельностью человека. Эндогенные обусловлены внутренними источниками, процессами трещинообразования в объеме геосреды, смещением блоков горных пород, то есть перестройкой структур за счет тектонических сил и деформирующего воздействия различной природы.

I.I. Низкочастотные сейсмические шумы

Характерной особенностью спектрального состава низкочастотных шумов Земли является наличие двух максимумов в диапазоне периодов 4-10 с и 12-20 с.[[1] ] Микросейсмы, относящиеся к первому и второму спектральным максимумам, называют соответственно микросейсмами первого и второго рода.

В вопросе о причине микросеисм большинство исследователей придерживаются единой точки зрения, считая, что микросейсмы первого и второго ряда возникают преимущественно в результате передачи энергии морских волн в земную кору.

По поводу механизма генерации микросеисм существует несколько теорий. Были высказаны идеи об образовании микросеисм в результате удара морских волн о крутые берега и о возбуждении микросеисм в результате передачи энергии морских волн на дно океана в центре циклона, в какой бы части океана он ни находился, об образовании микросеисм стоячими волнами на поверхности водных бассейнов. Области генерации микросеисм в соответствии с механизмом их образования приурочены к прибрежным зонам. Самым спорным вопросом в проблеме микросеисм остается их волновая структура. Считалось, что микросейсмические волны являются исключительно поверхностными волнами, но затем было установлено, что во внутриконтинентальных пунктах значительная часть микросеисм относится к объемным продольным волнам.

Периоды морских волн не определяют полностью периодов микросейсм, а являются лишь одним из многих факторов, влияющих на спектр микросеисм. Отношение периодов морских волн к периодам микросеисм фактически варьируют в весьма широких пределах. Форма спектра микросеисм определяется главным образом строением земной коры на пути распространения и в пункте наблюдения микросейсмических волн, спектром морского волнения и глубиной воды в зоне образования микросеисм.

Изучение условий распространения микросеисм первого рода позволило выявить их слабое затухание при распространении в континентальной земной коре. Условия распространения микросеисм второго рода практически еще не изучены.

Таким образом, микросейсмы первого рода, получившие в диапазоне периодов 4-6 с название штормовых, являются основным низкочастотным шумом континентальной поверхности Земли.

1.2. Высокочастотные сейсмические шумы.

В последние годы интерес к исследованию высокочастотных сейсмических шумов (ВСШ) значительно возрос. С одной стороны, это вызвано тем, что в этом диапазоне частот (15-60 Гц) ведется глубинное сейсмическое зондирование, регистрация близких землетрясений, изучение сейсмических эффектов взрывов, исследование геодинамических процессов, сейсмической опасности вечномерзлых, рыхлых и скальных грунтов и др.

С другой стороны, появились новые возможности изучения ВСШ в связи с открытием явления их модуляции низкочастотными деформационными процессами различной природы[[2] ].

Проблема исследования природы ВСШ и особенностей их пространственно-временных изменений связана с решением следующих задач:

1. Разработка методов и средств регистрации ВСШ.

2. Изучение статистических характеристик регистрируемых сигналов.

3. Изучение связи ВСШ с деформационными процессами.

4. Исследование особенностей формирования ВСШ.

5. Сопоставление с другими геофизическими процессами.

Исходным параметром при разработке методов и средств регистрации ВСШ была взята интенсивность случайного процесса в узкой полосе частот. Реализация метода узкополосной фильтрации и выделения огибающей осуществлялась на специальной высокочувствительной аппаратуре, основными элементами которой являлись: сейсмоприемник, преобразователь, узкополосные фильтры и блоки выделения огибающей на частотах 15, 27, 30, 33 и 60 Гц [[3] ]. Изучение статистических характеристик ВСШ (Цыплаков В.В., 1961; Каррыев B.C., I984) позволило выявить следующие закономерности [[4] ]:

1. Фоновые ВСШ обладают относительным постоянством статистических характеристик (среднего квадрата амплитуды огибающей, дисперсии).

2. Выявлено отсутствие значимой корреляции между огибающими для разных частот регистрации, что свидетельствует о независимости источников на этих частотах.

3. Обнаружена значимая корреляция между усредненными (на минутном и часовом интервале) значениями амплитуды огибающих для разных частот регистрации, что можно считать следствие воздействия на эмиссионные источники низкочастотных процессов.

Исследования временных вариаций ВСШ в диапазоне 15-60 Гц, проведенные Д.Н. Рыкуновым, О.Б.Хаврошкиным и В.В. Цыплаковым, позволили установить их связь с такими низкочастотными деформационными процессами, как собственные колебания Земли, штормовые микросейсмы, интенсивные сейсмические волны от землетрясений и земные приливы. Количественная оценка существующих в земной коре деформирующих процессов приведена в таблице 1Ó .

Вопросы изучения связи ВСШ с деформационными процессами освещены так же в работах Б.П. Дьяконова и др.[[5] ], P.P. Сероглазова [[6] ], Б.С. Каррыева. В этих работах на основе экспериментальных данных рассмотрены также механизмы воздействия различной периодичности деформаций на ВСШ. А.С. Черепанцевым [[7] ] проведено исследование взаимодействия ветровой активности на поверхности и высокочастотного сейсмического излучения, где показан нелинейный характер связи этих процессов и сделан вывод о том, что интенсивность отклика сейсмического излучения на ветровое воздействие определяется динамическим состоянием среды.

Анализ результатов долговременных режимных наблюдений ВСШ, проведенных Е.И. Гордеевым, В.А. Салтыковым и др. на Камчатке [[8] ], позволил оценить воздействие на ВСШ таких природных процессов, как ветер, прогрев почвы, лунно-солнечный прилив. При этом, была получена зависимость уровня ВСШ от скорости ветра и температуры почвы, а также выделены из уровня ВСШ семь периодических составляющих с приливными периодами.

Наиболее сложным является вопрос о формировании области шумового поля, ее размерах и пространственном положении. По данным Б.С. Каррыева для частот 15-30 Гц размер области, определяющей 90% регистрируемых шумов, составляет 3-6 км. Некоторыми исследователями [[9] ] наблюдаемый временной ход интенсивности ВСШ объясняется влиянием только экзогенных факторов. Это еще раз свидетельствует о том, что вопрос о природе и свойствах ВСШ требует дальнейшего исследования.

1.3. Техногенные сейсмические шумы.

Техногенные сейсмические шумы (ТСШ) рассматриваются как помехи при различного рода сейсмических исследованиях. Изучение характеристик ТСШ необходимо, прежде всего, для разработки методик исключения их влияния или учета в случае невозможности подавления шумов аппаратурными средствами.

Исследования микроколебаний грунта в районах индустриальных городов показывают, что основными факторами, определяющими параметры промышленных шумов, являются направленность сейсмического излучения энергоемких установок и геолого-геофизические параметры среды [[10] ]. Наибольшие сейсмические сигналы наблюдаются от землетрясений, взрывов и промышленных установок, при этом, если первые два источника появляются эпизодически, то третий действует почти непрерывно.

Промышленные сейсмические помехи наиболее интенсивные, их уровень достигает 50 мкм. Механизмы, работающие в зданиях, создают фон в 5-10 мкм. Воздушные транспортные средства, как и наземные, вызывают сотрясения почвы амплитудой до I мкм и выше. Наблюдения в метро показали, что на глубинах 20 м сигнал ослабляется в 2-8 раз по сравнению с сейсмическим сигналом на поверхности на том же расстоянии от источника.

В этой же работе показано, что постоянный микросейсмический фон на расстоянии до 20 км от города имеет техногенным характер с максимумом на частотах 2-5 Гц.

Измерения сейсмических шумов в диапазоне частот 0,5-100 Гц в лабораторных помещениях, расположенных в различных районах города показали, что в дневные часы преобладают составляющие микросейсм с частотами 5-10 Гц и их амплитуда не превышает 1,5-2 мкм, в ночные часы снижается уровень шумов, изменяется их спектральный состав [[11] ]. В течение суток уровень микросейсм может изменяться 6-10 раз (до 0,06-0,2 мкм). Спектр шумов в городе в 2-3 раза шире спектра, полученного на станциях, расположенных в пригороде, а его максимум смещен в область высоких частот (8-10 Гц). Для пригородных станций вдали от транспортных магистралей наибольшие значения шумов относятся к области 1,8-3,5 Гц. В (таблице 2)* приведены характеристики техногенных шумов в районе Новосибирска.

Таким образом, информация об амплитудных, частотных и временных характеристиках ТСШ, традиционно рассматриваемых как помехи, позволяет оценить не только уровень шумов экзогенного происхождения, но может использоваться при изучении природы сейсмоакустических шумов Земли.

1.4. Информативность сейсмоакустических шумов.

Актуальность проблемы изучения САШ Земли обусловлена получением принципиально новой информации о геологическом строении земной коры, характере протекающих в ней процессов и их активности, в также выявлением возможностей практического использования шумов при решении задач рудной и нефтяной геофизики.

Низкочастотные сейсмические шумы (НОШ) или микросейсмы обладают информативностью о геологическом строении и могут использоваться для изучения земной коры. Была выявлена четкая связь между величиной периодов микросейсм и мощностью мезозойско-кайнозойских отложений платформенного чехла. При мощности платформенного чехла от 0 до 400 м период микросейсм изменяется от 0,5 до 2,2 с, адекватно реагируя на локальные изменения мощности отложений. Период микросейсм увеличивался от 2,6 до 4,5 с, когда толща отложений плавно увеличивалась от 0,6 до 1,7 км. Эти данные послужили основой для разработки нового способа определения мощности покровных платформенных образований при площадном картировании погребенного фундамента на территории прогибов, впадин, депрессий, а также при гидрогеологических и инженерно-геологических изысканиях.

Способность горных пород излучать акустические импульсы используются для получения информации о неоднородности, нарушенности, напряженном состоянием пород, а также о развивающихся в земной коре динамических процессах. На практике широко используется та часть ВСШ, природа которых обусловлена эмиссией упругих волн, возникающих в процессе разрушения объема геосреды. В горных породах при хрупком разрушении сейсмоакустическая эмиссия (САЭ) обусловлена развитием и микро- и макротрещин. По САЭ оценивают удароопасность пород[[12] ], контролируют состояние массива пород и процессы разрушения. Данные САЭ массива пород используются для определения линейных размеров максимальных трещин и позволяют выявить момент перехода к макроразрушениям в исследуемом блоке породы. Метод на основе изучения спектра сигналов САЭ успешно применяется для прогноза обрушений на калийных рудниках [[13] ]. Шахтные исследования САЭ соляного массива, после возбуждения среды исполнительным органом (шахтным комбайном) позволили выработать следующие рекомендации по оценке состояния кровли в калийных рудниках (табл. 3)* .

При исследовании сейсмоакустического критерия выбросоопасности на угольных шахтах было отмечено, что в периоды формирования выбросоопасной ситуации частота спектрального максимума сигналов снижается [[14] ]. Эти и другие примеры, показывающие возможности регистрации САЭ для решения горно-геологических задач, представлены во многих сборниках научных трудов и монографиях.

В настоящее время в ведущих геофизических службах мира получил распространение шумовой каротаж, основанный на регистрации акустических шумов в полосе частот 20-2000 Гц, создаваемых потоками флюида и газа в условиях перепада давления, вызванного технологическими процессами при эксплуатации скважин. Разработаны методики, скважинная аппаратура и ведутся исследования с целью контроля за разработкой газовых и нефтяных месторождений.

2. Физические основы применения геоакустического каротажа

2.1. Модель акустически активной геосреды

Земная кора является открытой термодинамической системой с иерархически блочным строением и находится в напряженном состоянии под действием внешних и внутренних сил [[15] ] распределение напряжений зависит не только от действующих нагрузок, но и от степени неоднородности, трещиноватости массивов пород; изменение напряженного состояния пород вызывает их деформацию, приводит к перестройке в контактных поверхностях в системе трещин, к появлению новых дефектов, что сопровождается акустической эмиссией. Такова общая схема процессов.

По существу, это механизм рассеянных разрывов своеобразных наноземлетрясений, который функционирует геологически длительное время даже в тектонически стабильных областях. Но что приводит в действие подобный механизм, почему его эффективность выше в зонах большой нагруженности пород, почему он не подавляется значительным литостатическим давлением на больших глубинах?

Для получения некоторых оценок рассмотрим блочную модель массива горной породы.

По известным критериям прочность тела зависит от числа и размеров дефектов. А эти характеристики в ряде случаев можно определить. Воспользуемся, например, условием Гриффитса для разрывного напряжения при сдвиге:

где G – модуль сдвига;

W – плотность поверхностной энергии;

1 – критическая длина трещины;

μ – коэффициент Пуассона.

Во многих случаях по экспериментальным данным известно распределение трещин по размерам. Часто оно имеет нормальное распределение [[16] ].

Количество вновь появившихся дефектов определяется формулой:

Отсюда можно оценить число трещин, возникающих в единицу времени:

Тем самым определяется интенсивность акустической эмиссии, сопровождающей образование дефектов.

Т.к. интенсивность акустической эмиссии пропорциональна числу связей или дефектов N в объеме, зависит экспоненциально от энергии активации разрывов при постоянной нагрузке а0 и от отношения действующего переменного напряжения к среднему значению разрывного напряжения, которое в данном случае определено как отношение энергии активации разрывов к структурному параметру, характеризующему перенапряжения на неоднородностях среды .

Этот вывод имеет и практическую значимость. Например, если толща пород охвачена одним режимом нагружения, то зоны с повышенными значениями трещиноватости будут выделяться аномалиями ГАШ, что и наблюдается на практике (рис.1)Ó . Конечно, возможны случаи, когда трещиноватость увеличивается, а уровень шума не меняется. Согласно предыдущей формуле соответствующая компенсация в потере прочности может осуществляться за счет повышения разрывного напряжения. Наблюдения подтверждают этот вывод (рис.2)Ó .

Эксперименты на образцах горных пород показывают, что с возрастанием всестороннего давления число трещин уменьшается, повышается прочность пород. В реальных условиях в верхней части земной коры наблюдаются существенные отклонения от этих закономерностей, что обусловлено рядом причин, в том числе непрерывными физико-химическими процессами в проницаемых, заполненных флюидами и газами горных массивах. Это проявляется во временных вариациях ГАШ, в том числе и на больших глубинах. Прочность хрупких пород хорошо апроксимируется модифицированным условием Кулона-Мора [[17] ]:

где  - сцепление пород, f - коэффициент трения при сдвиге,  - нормальное напряжение и давление в жидкости, заполняющей трещину.

Когда f мало, а  и Р близки, что выполняется в замкнутых объемах, то на больших глубинах прочность на сдвиг будет в основном определяться сцеплением пород. Как показывают лабораторные эксперименты, оно растет с давлением, так как с давлением уменьшаются размеры дефектов и увеличиваются упругие модули. Но напряжение