vniigis
head_l head
eko
 
Главная Приборы Статьи Контакты
 

Статьи

1. ВОЗМОЖНОСТИ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ВИДЕОКАРОТАЖА МАЛОГО ДИАМЕТРА АВК-42М

2. СОВРЕМЕННАЯ АППАРАТУРА АК ДЛЯ КОНТРОЛЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН

3. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ СКВАЖИН ВО ВНИИГИС

4. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕГЕРМЕТИЧНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

5. ПРИМЕНЕНИЕ СКВАЖИННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ



452614, Россия, Башкортостан, г.Октябрьский, ул.Горького 1.

Телефон/факс:
(34767) 5-28-57,
(34767) 6-69-61,
8-917-44-32-751,
(34767) 5-29-19.

www.akustika-okt.ru akustika.otd34@mail.ru




УДК 550.832.44.05:553

Научно-технический вестник "КАРОТАЖНИК", выпуск 5(203), 2011 г, стр. 224-237.

Еникеев В.Н., Ташбулатов В.Д., Гайфуллин М.Я.

ПАО НПП "ВНИИГИС",

Гуман О.М. ООО .

"НПЦ "Уралгеопроект"

 

ПРИМЕНЕНИЕ СКВАЖИННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Рассмотрены возможности и особенности применения методов акустического каротажа при решении задач современной инженерной геологии, а также при исследовании разрезов рудных и угольных скважин. Приведены примеры выделения трешиноватых зон и интервалов, на основе которых делается вывод о том, что комплексное использование акустического видеокаротажа и волнового акустического каротажа позволяет достаточно достоверно провести оценку инженерно-геологических условий и дать прогноз их изменения в период строительства и эксплуатации горных сооружений.

Ключевы слова: скважина, акустика, каротаж, инженерная геология, руда, уголь, трещиноватость.

Определение физико-механических свойств (ФМС), степени трещиноватости реальных массивов скальных пород – одна из наиболее неотложных задач современной инженерной геологии, имеющая большое значение, как при строительстве сооружений, так и в горном деле.
Акустические методы позволяют определять скорости распространения упругих волн, связанные функциональными и корреляционными зависимостями с физико-механическими свойствами пород в условиях их естественного залегания, а также оценить степень их трещиноватости.

На одном из месторождений Южного Урала проводилась инженерно-геологическая оценка трещиноватости, характеризующей степень нарушенности массива, не только с исследованием кернового материала, но и с использованием ГИС акустическими методами.

Исследования, целью которых было изучить инженерно-геологические и гидрогеологические условия и дать прогноз их изменения в период строительства и эксплуатации шахтных стволов, были произведены в местах заложения вертикальных горных выработок месторождения [3].

По всем скважинам были определены значения скоростей продольных волн в образцах керна по лабораторным данным и построен скоростной разрез по данным волнового акустического каротажа (ВАК). Керн отбирался только через каждые 20 метров проходки скважин.

pic1

Рис. 1. Сравнение значений скорости продольной волны Vp  в образце и в     массиве.

На рис. 1 приведены значения скорости продольных волн по разрезам двух скважин. В среднем по всем скважинам значения скоростей, определенных по данным ВАК, превышают значения определенные по керну, что естественно, так как керн исследовался в атмосферных условиях и без насыщения. В некоторых точках значения сильно отличаются за счет попадания этих точек в трещиноватые интервалы.

Устойчивость в массивах скальных пород обусловливается, главным образом, наличием в них поверхностей ослабления (трещин, разрывных нарушений, плоскостей напластования или слоистости, прослоев пород со слабым сопротивлением сдвигу), их ориентировкой относительно друг друга и плоскости откоса. Оценка степени трещиноватости по керну скважин выполнялась с использованием следующих показателей: модуль трещиноватости (количество трещин на 1 пог. м.), модуль кусковатости (количество кусков на 1 пог. м.), высота столбиков керна (см), количество раздробленного материала в оцениваемом интервале (%), RQD (rock quality degrees - относительное содержание столбиков керна высотой более 10 см в определенном интервале бурения - проценты). Оценка трещиноватости по керну скважин выполнена с использованием классификации Л.В.Шаумян [5], представленной в табл. 1.

Таблица 1.
Таблица оценки трещиноватости по керну (классификация Л.В. Шаумян)

Степень трещиноватости

Модуль трещиноватости

Высота столбика керна, см

Количество раздробленного материала, в %

Слаботрещиноватые породы

1-5

20

-

Среднетрещиноватые породы

5-10

10-20

< 10

Сильнотрещиноватые породы

> 10

< 10

10-20

Очень сильнотрещиноватые породы

> 10

< 10

< 50

Зоны дробления

 

< 10

> 50

Породы, изученные по керновому материалу всех скважин, в основном, сильнотрещиноватые, причем степень трещиноватости закономерно увеличивается с глубиной.

Наличие интенсивно развитой трещиноватости нередко способствует перетиранию и дроблению пород в процессе колонкового бурения до состояния щебенки, обусловливает, особенно вблизи рудных тел, невысокий выход керна. Все это приводит при инженерно-геологической документации керна разведочных скважин к завышению степени нарушенности массива, проявляющемуся в выделении большего количества зон дробления, чем их действительно развито в массиве.

Скважины исследовались комплексом ГИС, таких как гамма-каротаж (ГК), кажущееся сопротивление (КС), самопроизвольная поляризация (ПС), кавернометрия (КМ), волновой акустический каротажа (ВАК) и акустический видеокаротаж (АВК). Наиболее эффективными методами геофизических исследований скважин (ГИС), позволяющими выделить в разрезе скважины ослабленные и трещиноватые зоны, являются акустические методы.

Для проведения акустического каротажа в скважинах была использована аппаратура волнового акустического каротажа «ПАРУС-8», разработанная во ВНИИГИС и предназначенная для исследования разрезов рудных и угольных скважин. Аппаратура волнового акустического каротажа «ПАРУС-8» в комплексе с цифровым каротажным регистратором «ГЕКТОР» и пакетом программ Geophysics Office позволяет получать кинематические и динамические параметры упругих волн.

Для выявления трещин в разрезе используют прямые и косвенные методы исследований. Прямые методы – наблюдение и фотографирование фото- и телекамерами, сканирование трещинных структур акустическими и электрическими сканерами. Косвенные признаки существования трещин – аномальное поведение кривых сопротивлений пород. Методы фотографирования требуют прозрачности раствора и соответственно, специальной подготовки скважины[2].

Одним из эффективных способов контроля внутренней поверхности стенки скважин является акустический метод на отраженных волнах. Акустический телевизор малого диаметра АВК-42М позволяет получать видеоизображение внутренней поверхности стенки скважины в двух параметрах: в амплитудном и временном. Используется принцип регистрации изменения отражающей способности внутренней поверхности при сканировании стенки скважины ультразвуковыми импульсами, при этом регистрируется также изменение времени прихода отраженных эхоимпульсов.

Отличие акустического видеокаротажа от стандартных геофизических методов в том, что результат исследований представляется не в виде кривых, а в виде изображения стенки скважины развернутого на плоскости 0-360 град в амплитудном и временных параметрах. Плотность засветки отдельных точек изображения зависит от соотношения отражающих свойств стенки скважины (колонна, порода и т.д.) по отношению к зондирующему акустическому импульсу.

По снимкам акустического телевизора выявляются макротрещины (раскрытием свыше 3 мм) любой густоты и направления (включая вертикальные) и каверны диаметром 1 см и более. С учетом эффекта расширения размеров трещин при разбуривании, промывке буровым раствором (обламывания и размывания краев) можно ожидать, что разрешающая способность телевизора по выявлению трещин может доходить до миллиметра. Трещины могут иметь раскрытие до десятков сантиметров, а в отдельных случаях и до единиц метров.

Отражение акустической энергии от стенки скважины (соответственно дифференциация по плотности засветки) зависит от трех основных факторов, накладывающих на исследование методом акустического видеокаротажа свои ограничения[4]:

- состояния стенки скважины, ее шероховатости и кавернозности;

- свойств промывочной жидкости (плотность и наличие взвешенных частиц);

- наличия растворенного газа в жидкости, заполняющей скважину.

На рис. 2 показаны результаты исследования скв. 002 методами ВАК и АВК.

Трещиноватые интервалы разреза отмечаются по данным АК понижением скоростей и возрастанием затухания упругих волн. Трещины в горных породах влияют на скорость – она уменьшается, причем степень уменьшения зависит от величины трещинной пористости, угла наклона трещин по отношению к оси скважины и так называемого аспектного отношения, а именно отношения ширины трещины к ее длине. Микротрещиноватость больше влияет на уменьшение скоростей упругих волн, чем макротрещиноватость, что объясняется более сильной сжимаемостью микротрещин. На уменьшение скорости продольных волн существенное влияние оказывают только трещины, угол наклона которых по отношению к оси скважины превышает 10 град. Интенсивная трещиноватость приводит к выполаживанию волновых картин и полному нарушению корреляции фазовых линий [1].

pic2

Рис. 2. Результаты исследования скважины 002 методами ВАК и АВК

Трещиноватость влияет также на затухание упругих волн, причем неодинаково для разных типов. Наибольшему затуханию на трещинах подвержены поперечные волны. Значительное затухание продольных волн наблюдается только на макротрещинах и сильно развитой микротрещиноватости. Волна Лэмба также затухает на трещинах, поскольку часть ее энергии расходуется на образование перетоков жидкости из скважины и обратно. В связи с этим степень затухания этой волны в основном зависит от проницаемости трещин любой ориентации.

pic3

Рис. 3. Пример наличия волн вторичного происхождения на ФКД в режиме линий переменной толщины

Трещиноватость влияет также на образование волн вторичного происхождения – отраженных, дифрагированных, обменных. Эти типы волн образуют на фазокорреляционных диаграммах (ФКД) характерные для трещиноватости звуковые образы. Обмен волн имеет место только на наклонных трещинах, а их отражение - преимущественно на горизонтальных системах трещин [1]. Наличие таких типов волн показаны на рис. 3. Они видны на ФКД, которое представлено в виде линий переменной толщины (ЛПТ), когда ширина фазовых линий пропорциональна амплитуде. Регистрация велась с шагом квантования по времени 4 мкс и соответственно длительность записи 4 мс. Здесь показан полный зарегистрированный волновой пакет. На больших временах вступления волнового сигнала хорошо прослеживаются звуковые образы или годографы отраженных волн, хотя эти отраженные волны появляются не на всех трещинах.

На планшетах с масштабом глубин 1:50 (рис.4) можно подробнее рассмотреть трещиноватые интервалы и отдельные трещины, пересекающие ствол скважины, например интервал 935,2 – 936 м выделяется как сильно разрушенный и т.д.

pic4

Рис. 4. Планшет исследования скв. 1С методами ВАК и АВК в масштабе глубин 1:50

В связи с ограниченным отбором керна по скважине была произведена оценка степени трещиноватости по данным видеокаротажа. Обработав видеоизображение, получили кривую средней амплитуды отраженного сигнала и, разбив ее на градации, соответствующие классификации Л.В. Шаумяна для данных по керну, получили модуль трещиноватости относительно монолитного нетрещиноватого пласта, в котором средняя амплитуда отраженного сигнала имеет максимальное значение, что соответствует стопроцентной амплитуде сигнала и является реперным значением. В табл. 2 показаны градации модуля трещиноватости по данным видеокаротажа.

Таблица 2
Модуль трещиноватости по данным АВК


Степень трещиноватости

Модуль трещиноватости

Значение Аср, %

Монолитные породы

 

100

Слаботрещиноватые породы

 

90

Среднетрещиноватые породы

 

75

Сильнотрещиноватые породы

 

50

Очень сильнотрещиноватые породы

 

25

Зоны дробления

 

10

Для более подробного рассмотрения каждой трещины необходимо использовать масштаб глубин 1:20 (рис. 5) или даже 1:10 (рис. 6).

pic5

Рис. 5. Планшет данных АВК в масштабе глубин 1:20

pic6

Рис. 6. Планшет данных АВК в масштабе глубин 1:10

pic7

Рис. 7. Пример залеченной трещины

На рис. 7 показан пример залеченной трещины, материалом, отличным от самой монолитной породы. Такие трещины видны на диаграммах только в масштабе 1:20 или 1:10.

 

pic8

Рис. 8. Углы наклона трещин

Границы пластов и трещины, в случае их горизонтального залегания, выделяются на видеограммах в виде горизонтальных полос. Любое отклонение положения пласта или трещины от горизонтали или оси скважины от вертикали отобразится на видеограмме. В этом случае границы пластов трещины будут иметь синусоидальную форму, причем чем больше отклонение, тем больше амплитуда синусоиды. При рассмотрении планшетов в масштабе глубин 1:200 границы пластов и трещины на видеограмме отображаются в виде горизонтальных темных полос, на планшетах же с масштабом глубин 1:50 и 1:20 наклонные трещины отображаются в виде синусоиды. Для некоторых трещин по стволу скважины были подсчитаны углы наклона трещин.

Угол встречи слоя или трещины со скважиной (a) вычисляется с помощью формулы

formula                                                 (1)

где  Н2 и Н1 – координаты максимума и минимума кривой по оси глубин;

d – диаметр скважины по кавернометрии, номинальный d = 76 мм.

Для расчета углов использовались значения кривой каверномера.

На рис. 8 показаны одиночная трещина, система мелких трещин и трещины большой мощности, по которым подсчитаны углы наклона. Углы наклона некоторых трещин нанесены в правой колонке рисунков 2 и 4, значения углов меняются в пределах от 48 до 80 град.

Таким образом, комплексное использование акустического видеокаротажа и волнового акустического каротажа при исследовании месторождений твердых полезных ископаемых позволяет провести не только оценку ФМС горных пород, но и оценить степень их трещиноватости, что в конечном итоге позволит достаточно достоверно провести оценку инженерно-геологических условий и дать прогноз их изменения в период строительства и эксплуатации горных сооружений.

Литература

    1. Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. Акустический метод исследования скважин. М., «Недра», 1978. 320 с.
    2. Криканов В.Н., Кузькин В.И. Комплексное использование телефотокаротажа, акустического каротажа и кавернометрии для оценки нарушенности массива при инженерно-геологических исследованиях на рудном месторождении. Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач.  Тезисы докладов Х всесоюзного научно-технического семинара. М.:ВСЕГИНГЕО, 1989.-С.170-171.
    3. Рудницкий В. Ф. Палеовулканологический анализ как метод изучения месторождений полезных ископаемых (на примере колчеданных рудных полей Южного Урала): Научное издание. Екатеринбург: УГГУ, 2007. 188 с.
    4. Ташбулатов В.Д., Еникеев В.Н. и др. Возможности аппаратурно-программного комплекса видеокаротажа малого диаметра АВК-42М// НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2006. Вып.148-149. С. 242-254.
    5. Шаумян Л. В. Природа физико-механических свойств массивов горных пород.- М.: изд-во МГУ, 1988.- 192с

     






Новости:

08.06.2011
Добавлена статья ПРИМЕНЕНИЕ СКВАЖИННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАЗРАБОТКИ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ