Способ оценки напряженного состояния горных пород

 

Использование: в области сейсмоакустических исследований горных выработок и скважин. Сущность изобретения: в двух точках исследуемого интервала скважины проводят синхронные измерения параметров продольных и поперечных колебаний. По разности времен (фаз), длительности, амплитуде, частотным спектрам определяют скорости распространения этих колебаний, положение и величину сейсмического момента, а также линейные размеры трещин или угловые частоты спектра. По соотношению указанных параметров оценивают напряженное состояние горных пород.

Изобретение относится к области сейсмоакустических исследований и может быть использовано при оценке напряженного состояния горных пород.

Известен способ оценки напряженного состояния горных пород, основанный на измерении параметров упругих импульсов, возбуждаемых при акустическом каротаже [1] Этот способ с использованием многоэлементных зондов позволяет измерять скорости распространения упругих волн на различных базах и по тарировочным зависимостям изменения скоростей от давления, установленным на образцах керна литологических разностей по скважине, оценивают вертикальную и горизонтальную компоненты напряжений.

Принципиальным недостатком известного способа является необходимость получения и использования тарировочных кривых, что связано с такими трудоемкими операциями, как отбор керна и измерение скорости упругих волн на образцах керна при различных давлениях. В конечном счете это снижает достоверность оценки напряжений в горном массиве.

Известен также способ оценки напряженного состояния горной породы, основанный на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии, возникающей при образовании трещин в породе (в отобранных из массива образцах под действием контролируемого давления, т.е. с использованием эффекта Кайзера [2] Данный способ не позволяет достаточно достоверно оценить напряженное состояние горной породы, так как извлеченный образец может не сохранить неизменной "память" о действовавших в массиве напряжениях из-за механических воздействий при отборе, потере флюида, дегазации и т.д.

Целью изобретения является повышение достоверности оценки напряженного состояния в массиве горной породы, вскрытом горной выработкой.

Цель достигается тем, что в известном способе оценки напряженного состояния горной породы, основанном на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии, возникающей при образовании трещин в породе, в исследуемом интервале горной выработки измеряют синхронно по крайней мере в двух точках, отстоящих друг от друга на расстояния, сопоставимые с задаваемой глубинностью изучения массива вокруг выработки разности времен (фаз) между импульсами продольных и поперечных колебаний в каждой точке и между соответствующими импульсами в разных точках, их длительность, амплитуды и частотные спектры, по совокупности полученных данных определяют скорости распространения импульсов, положение, величину сейсмического момента, линейные размеры трещин или угловые частоты спектра, по соотношению которых оценивают напряженное состояние горных пород.

Предлагаемый авторами способ основан на приеме, измерении и определении характеристик импульсов сейсмоакустической эмиссии, сопровождающей образование трещин и других дефектов в горных породах. Известно, что начиная с верхних горизонтов и до глубин, вскрытых сверхглубокими скважинами, среда имеет дискретную структуру с иерархией размеров различных по форме составных элементов как в осадочной толще, так и в кристаллических комплексах пород. Гравитационные, тектонические и другой природы эндогенные и экзогенные силы, различные физико-химические процессы создают в такой среде неравномерно распределенные напряжения. Под действием таких напряжений в среде происходит перестройка контактов между структурными элементами, возникновение новых дефектов, сопровождающееся возбуждением упругих колебаний, которые несут информацию о физико-механических свойствах и напряженном состоянии пород.

В данном способе можно использовать как спонтанную, так и искусственно вызванную вибрацией за счет триггерного механизма акустическую эмиссию пород.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В горной выработке (в дальнейшем для определенности будем говорить о скважине) в заданном интервале в двух или большем числе точек с расстояниями между ними, сопоставимыми с глубинностью изучаемого околоскважинного пространства, устанавливают датчики упругих колебаний, синхронно принимают, усиливают и передают импульсы сейсмоакустической эмиссии к аппаратуре измерений и обработки. При этом измеряют разность времен (фаз) между импульсами продольных и поперечных волн в каждой из точек (t_ps1,t_ps2) и между соответствующими импульсами в разных точках (t_p12,t_s12) их длительность Т_р, Т_s, амплитуды импульсов продольных и поперечных колебаний (А_р, А_s), а также скорость гидроволны V_r. Полученных данных достаточно для оценки напряженного состояния горных пород. Действительно, используем последовательно следующие процедуры.

1. Решение системы уравнений пеленгации для определения координат источника других импульсов r,z,и скоростей продольной V_p, поперечной V_sволн: R₁ (V_p V_s)t_ps1, R₂ (V_p V_s)t_ps2 R₂ R₂ V_p t_p12, R₂ R₁ V_s t_s12, где t_ps1; t_ps2 измеряемые разности времен между вступлением продольных и поперечных волн в т.1 и 2, t₁₂, t_s12 измеряемые разности времен однотипных волн в т.1 и 2, R (r² + Z²)^1/2 расстояния от т.1 и 2 до источника.

В случае использования одного типа волн количество точек измерения увеличивается и должно быть не менее четырех.

2. Определение сейсмического момента М через амплитуды смещений (колебательной скорости или ускорения) Ai в Р или s волнах в одной из точек измерения, частотно-спектральные или временные характеристики источника F (, T), функции пространственного изменения Р или s волн R_i(r,z,) скорости соответствующих волн и плотность пород: M A_i (1) Плотность пород определяется через скорость гидроволны и скорость продольной или поперечной волны (возможны, конечно, независимые от сейсмоакустических определения ). Выражения для F (, T) и R_i(r,z, ), относящиеся, например, к наиболее распространенной модели разрыва сдвиговой дислокации приведены в известной работе, а значения параметров в F ( , T) находятся из отношений амплитуд смещений на разных частотах.

Положение источника в плоскости z z_o, т.е. координата определяется относительно фиксированной диаграммы направленности измерительной системы. При осевой симметрии расположения датчиков (круговая диаграмма направленности) координата не определяется, хотя можно установить ориентацию плоскости разрыва к плоскости, проходящей через точки нахождения источника и датчиков, используя отношение амплитуд продольной и поперечной волн в одной точке или отношение амплитуд однотипных колебаний в разных точках.

3. Оценки сдвиговых напряжений в среде по измеренной скорости поперечных волн, линейным размерам трещин или угловым частотам спектра упругих импульсов и сейсмическим моментам, определенным по п.2, которые для модели сдвиговой дислокации имеют также другое представление: M=V_s²ldl, где l и d длина и ширина разрыва; l подвижка по разрыву.

В предположении, что действующие напряжения не превосходят предела упругости, а следовательно, справедлив закон Гука и скорость разрыва равна скорости волны Рэлея, напряжения оцениваются по формуле где l 0,9 V_sT; T длительность импульса,
- отношение ширины к длине разрыва, или по формуле
M где f₁ так называемая первая угловая частота; f₂ вторая, зависящая от геометрической формы разрыва (отношения l и d). Направление сдвиговых напряжений устанавливается по ориентации сейсмического момента.

П р и м е р. Измерения проводились в скважине глубиной 25 м. База между двумя датчиками-геофонами составляла 10 м. Для увеличения отношения сигнал/помеха порог регистрации был установлен таким, что частота следования импульсов соответствовала 1 имп/ч.

Разность времен прихода одного и того же импульса на два датчика была 2,5 мс. Длительность импульса 1,8 мс. В частотных спектрах выделяются угловые частоты f₁ 560 Гц, f₂ 870 Гц. По измеренной скорости гидроволны и известной плотности жидкости в скважине _o и скорости продольной волны в ней V_о определялся модуль сдвига G v²_s= _ov²_o
Плотность пород в данном случае была известна из независимых измерений и равнялась 2700 кг/м. Поэтому V_s 2000 м/c. Из решения уравнений пеленгации получены координаты источника:
r 36 м; z 26 м
Подставляя в формулу (1) значения амплитуды колебательной скорости с учетом поправок на влияние скважины, определяем М 1,910⁵ нм. В результате оцениваем величины сдвиговых напряжений в верхнем комплексе пород: 10⁴ Па.

Определение напряжений в нескольких горных выработках позволяет получить пространственное распределение напряжений.

Основными преимуществами предлагаемого способа являются дистанционность, т. е. возможность получения оценок напряженного состояния пород не в точке измерения, а на значительных удалениях от нее; универсальность, т.е. возможность применения в различных горно-геологических условиях.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД, основанный на измерении параметров упругих импульсов акустической эмиссии при образовании трещин в породе, отличающийся тем, что в исследуемом интервале горной выработки по крайней мере в двух точках, отстоящих одна от другой на растояние, сопоставимое с задаваемой глубинностью изучения массива вокруг выработки, синхронно измеряют разности времен или фаз между импульсами продольных и поперечных колебаний в каждой точке и между соответствующими импульсами в разных точках, их длительность, амплитуды и частотные спектры, по совокупности полученных данных определяют скорости распространения импульсов указанных типов колебаний, положение и величину сейсмического момента, линейные размеры трещин или угловые частоты спектра, по соотношению которых оценивают напряженное состояние горных пород.