Акустичні методи оцінювання та прогнозування ступеня порушеності гірських порід

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 622.02

Акустичні методи оцінювання та прогнозування ступеня порушеності гірських порід

Е.М.Барановський,

В.М.Мойсишин

Рассматривается возможность использования скорости продольных волн в качестве основной оценки и прогнозирования степени нарушения горных пород. Предложено методику определения коэффициента добротности породы на основе расчета ее упругих характеристик за скоростью продольных волн в массиве и теле конечных размеров. Установлен характер изменения коэффициента сохранения свойств горных пород в зависимости от коэффициента Пуассона. Предложены формулы для определения коэффициента трещиноватости нарушенных пород, зависимости между модулем Юнга и пористостью породы, а также параметра формы порового пространства. На основе данных зависимостей установлен характер соотношения между коэффициентами добротности, трещиноватости и пористости для конкретных пород.

In a paper the possibility of usage of longitudinal velocity is considered as a main estimation and prediction of a degree of disturbing of rocks. It is offered a technique of definition of coefficient of a quality-factor of formation on the basis of account of its elastic cha-racteristics behind longitudinal velocity in the array and body of finite sizes. The nature of change of coefficient of saving of properties of rocks is installed depending on coefficient of the Poisson. The formulas for definition of coefficient of flawing of dislocated formations, dependence between a Young's modulus and porosity of formation, and also parameter of the form of a pore space are proposed. On the basis of datas of dependences the nature of a relation between coefficients of a quality-factor, flawing and porousing for concrete formations is installed.

Підвищення ефективності геологорозвідувальних робіт неможливе без удосконалення існуючих і розробки нових методів вивчення гірського масиву та внутрішньої будови земної кори. Однак досвід свідчить, що специфіка вказаних робіт не дає змоги механічно переносити на них відомі в геофізиці та в інших областях науки методи і засоби досліджень. Тільки цим можна пояснити відсутність надійних методів для контролю властивостей і стану гірських порід [1]. гірський порода добротність

Принциповою особливістю гірських порід на відміну від інших твердих тіл є високий ступінь їх анізотропності, різка різниця міцнісних характеристик при дії зусиль стиснення, розтягу, зсуву та суттєва залежність від швидкості навантаження. Незважаючи на більш-менш постійний мінералогічний склад, формування порід в результаті тривалих геологічних процесів зумовлює суттєву різницю в структурі, пористості, міцності та інших властивостях навіть однойменних порід.

для віднесення порід до тої чи іншої категорії необхідний певний кількісний метод їх об'єктивної оцінки, на основі критеріїв якого повинні вибиратися конкретні інженерні рішення.

Аналіз досліджень засвідчує [2], що таким критерієм може служити акустична жорсткість порід, яка визначає як параметри хвиль напруження, так і пружні константи порід. Таким чином, як основний критерій оцінювання фізичних характеристик порід за показниками максимальної інформативності може бути прийнята швидкість звуку в незбуреному середовищі.

Властивості “ідеальних” порід (без пор і тріщин, без слідів вивітрювання) залежать тільки від характеристик мінералів, які входять до їх складу і визначаються простим розрахунком. Порушення суцільності мінерального середовища за рахунок меж поділу призводить до відхилення породи від ідеального стану, який можна визначити за допомогою простого розрахунку. Порівняння пружних властивостей ідеальної породи, отриманих за допомогою розрахунків, з аналогічними характеристиками реальної породи дає змогу визначити валовий ефект межі поділу за допомогою коефіцієнта добротності породи [3].

Рисунок 1 -- Залежність коефіцієнта добротності породи від глибини свердловини СГ-3

В даній роботі автори зупинили свій вибір на швидкості поздовжніх хвиль у зв'язку з можливістю проведення швидких і простих замірів її величини, а також тому, що цей параметр дуже чутливий до присутності межі поділу. Порівняння результатів розрахунку і заміру провадиться за допомогою відношення . Отримане таким чином відношення названо коефіцієнтом добротності породи : його величина характеризує числом валову дію всіх меж поділу на поведінку породи

, (1)

де у всіх випадках .

Нами запропоновано методику розрахунку коефіцієнта добротності породи на основі визначення пружних параметрів гірських порід за швидкістю розповсюдження поздовжніх хвиль в масиві і стержні. В теорії пружності виведено рівняння, яке пов'язує коефіцієнт Пуассона із швидкістю розповсюдження поздовжньої ультразвукової хвилі в масиві і стержні [4]. Воно має вигляд

. (2)

Приймаючи і вирішуючи це рівняння відносно , отримаємо

. (3)

За відомим значенням коефіцієнта Пуассона вираховують параметр , а відтак швидкість поздовжньої хвилі в стержні (). Розрахункове значення поздовжньої хвилі () для ідеальної породи отримують з формули (2). За максимальним значенням параметра за умови за формулою (1) визначають коефіцієнт добротності породи.

Розглянемо процес зміни добротності породи з урахуванням пружних характеристик порід та швидкості розповсюдження поздовжніх хвиль. На основі проведених розрахунків побудовано графік (рис. 1) залежності коефіцієнта добротності від глибини Кольської надглибокої свердловини (СГ-3). Аналіз графіка свідчить, що зв'язок між коефіцієнтом добротності і глибиною свердловини носить синусоїдальний характер із змінною амплітудою. Слід зазначити, що для H >7000 м існують всього лише чотири значення коефіцієнта Пуассона. Тому для решти глибин використано залежність, яка отримана екстраполяцією наявних даних лінійним чином [5]. Вона має вигляд

. (4)

Це деякою мірою вплинуло на сам характер кривої в інтервалі 7000-10000 м.

Розглядаючи гірську породу як тверде тіло з наявністю в ньому порожнин, вважають, що вони належать до двох основних типів: порового і тріщинного. Дія цих двох типів меж поділу на пружну поведінку породи дуже різна. Тому бажано знати, в якому співвідношенні пере-бувають тріщини і пори при зміні коефіцієнта добротності.

В результаті проведення тих чи інших технологічних процесів порушені породи набувають вторинних фізичних властивостей, які перш за все тісно пов'язані з їх деформацією. Будучи основним параметром, який характеризує фізичні властивості гірських порід, поздовжні хвилі зберігають свою інформативність і в порушених породах. Виходячи із цієї гіпотези, проведено значний обсяг експериментальних робіт з вивчення характеру зміни швидкості поздовжньої і поперечної хвиль в непорушених і порушених породах, вивчення їх пружних властивостей [2].

Аналіз отриманих даних свідчить, що характерним показником порушених порід є коефіцієнт збереження їх властивостей. Він являє собою відношення швидкості хвилі в зоні порушення () до швидкості хвилі у вихідній породі ()

. (5)

1 - дані, отримані для діабаза; 2 - дані, отримані для тіньового магматита

Рисунок 2 -- Залежність коефіцієнта збереження властивостей гірських порід від коефіцієнта Пуассона

На основі фізико-механічних характеристик гірських порід із розрізу свердловини СГ-3 (діабаз, тіньовий магматит) для конкретних значень параметра визначено швидкість поздовжніх хвиль, а також коефіцієнти Пуассона для вказаних порід [6].

На підставі отриманих даних побудовано графік залежності коефіцієнта збереження властивостей гірських порід від коефіцієнта Пуассона (рис. 2). Як видно із графіка, різке зниження відношення відбувається в міцних породах, яке пов'язано із зниженням пружних властивостей порід. Отримані результати підтверджуються аналізом експериментальних даних [2].

Для оцінювання ступеня порушення гірських порід в масиві запропоновано методику [7], яка класифікує їх за коефіцієнтом тріщинуватості

, (6)

де: - модуль пружності породи в масиві;

- модуль пружності зразка породи.

Подібна класифікація може бути застосована і до ідеальних порід. Тому розрахункове значення модуля пружності для ідеальної породи можна отримати згідно з наведеною вище схемою розрахунку, яка придатна для будь-якої вибраної характеристики пружності. Таким чином, коефіцієнт тріщинуватості породи можна визначити за формулою

, (7)

де: - модуль пружності для ідеальної породи;

- вихідне значення модуля пружності породи.

Для встановлення співвідношення між коефіцієнтом добротності породи і двома типами меж поділу її (тріщинуватістю і пористістю), необхідно розглянути характер впливу на пружні властивості порід їхньої пористості. Обробка експериментальних даних свідчить [8], що між і існує залежність

, (8)

де: - модуль пружності мінерального скелету породи;

- параметр форми порового простору;

- пористість породи.

Для порушеної породи дана залежність набуде вигляду

Рисунок 3 -- Співвідношення між коефіцієнтом добротності та тріщинуватістю (1), між коефіцієнтом добротності і пористістю (2) породи

, (9)

За відомих значень , і для конкретної породи параметр форми порового простору можна визначити із формули (9)

. (10)

На основі проведених розрахунків для гірської породи (діабаз) із розрізу свердловини СГ-3 побудовано графік (рис. 3) співвідношення між коефіцієнтом добротності та тріщинуватістю і пористістю даної породи. Як видно із приведеного графіка, із зниженням коефіцієнта добротності збільшується коефіцієнт тріщинуватості, а пористість породи знижується.

Проведені дослідження дають можливість оцінити породу в порівнянні з її ідеальним станом: чим сильніше вона віддалена від нього, тим більше змінена, пориста і тріщинувата. Залежно від характеру зміни коефіцієнта збереження властивостей порушених порід можна оцінити їх пружні характеристики, встановити співвідношення між величиною добротності породи та межами її поділу (пористістю і тріщинуватістю).

Література

1. Ржевский В.В., Ямщиков В.С. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. - М.: Наука, 1973.- 224 с.

2. Мосинец В.Н., Абрамов А.В. Разрушение трещиноватых и нарушенных горных пород. - М.: Недра, 1982.- 248 с.

3. Механика горных пород применительно к проблемам разведки и добычи нефти: Пер. с англ. и франц. / Под ред. В.Мори и Д.Фур-ментро. - М.: Мир, 1994. - 416 с.

4. Андрианов И.Н., Бакланов Ю.В., Буркин Л.Г. и др. Бурение глубоких геолого-поиско-вых скважин на суше и на море. - Л.: Недра, Лен. отд., 1965.- 413 с.

5. Савченко С.Н. Оценка величины горизонтальных тектонических напряжений по данным кернового бурения Кольской сверхглубокой скважины СГ-3 // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2003. - № 4. - С. 19-26.

6. Кольская сверхглубокая. Исследование глубинного строения континентальной коры с помощью бурения Кольской сверхглубокой скважины. - М.: Недра, 1984. - 490 с.

7. Механика горных пород: Сокр. пер. с англ. / Под ред. Ч.Файергурста. - М.: Недра, 1966. - 453 с.

8. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. - М.: Недра, 1978.- 390 с.

Размещено на Allbest.ru