Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методика и результаты изучения геоакустических шумов в скважинах

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Методика и результаты изучения геоакустических шумов в скважинах"

РГ Б ОД

5 ПИТ Ш

РОССИЙСКАЯ АКПЛЕМИЯ НЙУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Ордена Трцдопого Красного Знамени Институт геофизики

На правах рукописи ЭДК:550.348.432.

ТРОЯНОВ Александр Кузьмич

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОЙКУСТИЧЕСШ ■УМОВ В СКВА1ИНПХ

Специальность 04.00Л2-Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических нацк

Научный руководитель доктор технических наук Б.П.Дьяконов

Екатеринбург,1395

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте геофизики Уральского отделения РАН

Научный руководитель: доктор технических наук,Б.П.Дьяконов Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, член - корреспондент РАЕН В.Юткин кандидат физико-математических нацк, доцент В.Б.Смирнов Ведшая организация: Уралгеолкоы Роскомнедра

в ____часов

Защита состоится 1995г. в (9-

на заседании диссертационного совета Д 003.31.01 .при ордена Трудового Красного Знамени Институте геофизики УрО РАИ

Адрес: 620016.г.Екатеринбург.ул.Амундсена,100.

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке Института геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан "г?" ^

Ученый секретарь диссертационного совета,доктор Фиэ.-мат.наук /С — Й.В.Хачай

ОБОДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Интерес к изучению геоакустических вумов (ГАИ) в сквавинах обусловлен возиовностью получения принципиально новой информации о современных динамических процессах в обьеке геосреды.До последнего времени ГАИ регистрировались,в основном, в вахтах, «тольнях, на земной поверхности и использовались для прогноза горных ударов и землетрясений.Получаемые данные часто ословня-лись экзогенными помехами,на фоне которых выделение геоакустических сигналов эндогенного происхоядения было затруднено.

При этом оставались не выясненными такие существенные вопросы как распределение ГА0 с глубиной в условиях значительного увеличения литостатического давления,механизм возбуждения естественных акустических сигналов во внутренних точках геологической среды, особенно в сейсмостабильных районах, изменение вумов во времени, их зависимость ог геологического строения разреза и возможность практического использования для решения теологических задач.

ГАИ. как показано в диссертационной работе,являются чувствительнчм и эффективным индикатором деформационных процессов и могут использойаться для характеристики ' обьема геосреды с позиции современной' геодинамики.Поэтому выполненные исследования пространственно-временных характеристик ГАЙ,ориентированные на поиск и изучение ранее неизвестных свойств эндогенных шумов в сквавинах,а такве их геологической информативности являются актуальными,

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью работы является изучение геологической информативности пространственного и временного распределения ГАЙ в сквавинах.

Основные задачи исследований:

- разработка методики трехкомпонентных измерений ГАЙ в сквави-нах;

- поиск информативных параметров регистрируемых геоакустических сигналов:

- изучение пространственного распределения ГАЗ в различных геологических условиях;

- изучение изменений характеристик ГАВ во времени;

- изучение связи характеристик Гйв с тектоникой геосреды;

- создание нового геофизического метода исследования сквамин.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Трехкомпонентные измерения интегрального уровня ГА1 в диапазоне частот 20-4500 Гц по стволу сквдмин.Лабораторные исследования амплитудно-частотных характеристик ГАК.Поиск,выбор и обоснование информативных параметров геоакустических сигналов.Сопоставление полученных результатов с геологическими и геофизическими данными.Анализ и обобцение результатов.

ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Фактические материалы,которые легли в основу работы,получены а 1984-1994 гг. и представляют собой результаты изучения ГА1 во внутренних точках геосреды и охватывают Солее 250 сква-минных исследований,выполненных на Урале,Северном Казахстане,Удмуртии,Западной Сибири,Украине и других регионах.Максимальная глубина исследованных скважин составляла 5483 и ( Са-рапульская - 1П).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Автором впервые:

1. Разработана и реализована методика трехкомпонентных измерений в скважинах ГАИ в широком диапазоне частот 20-4500 Гц;

2. Установлено, что сейсыо&кустическая эмиссия горних пород проявляется при литостатических давлениях, по крайней мере.до 100 Ш1а даже в сейсмостабильных регионах;

3. Показано.что вертикальное распределение ГАЙ зависит от геологического разреза и тектонических условий,выделено три типа разреэов:с убывающей,возраставшей и' сохраняющейся почти постоянной по глубине-интенсивн'остьи>иума;

4. Выявлены закономерности временных изменений ГАИ" в зонах активных разломов и на участках консолидированной земной"кори.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩАЕМИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Эффективность методики трехкомпонентных скваяинных измерений ГАЙ как средства диагностики динамического состояния и структуры геосреды.

2. Зависимость вертикального распределения ГАЙ от геологического разреза и тектонических условий.

3. Результаты практической реализации метода при реиении геологических задач.

" ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ

Автором разработана методика трехкомпонентных измерений ГАШ в скваяинах.Изучены особенности пространственного и временного распределения ГАЙ.выявлены информативные параметры регистрируемых сигналов.что позволяет использовать разработанный метод для решения следующих практических задач.

1. На рудных местороядениях:

- изучение зон трещиноватости и дробления горных пород по стволу скваяины;

- выявление тектонических зон в околосквааинном пространстве по их динамической активности:

- дистанционное трассирование динамически активных разломов;

2. В сверхглубоких и глубоких скваяинах:

- изучение геодинамического состояния пород и прогноз геологических осложнений при проходке скванин.

3. При изучении современной геодинамики геосреды:

- исследование характера пространственного распределения ГАИ и их временных вариаций в блоках консолидированных пород и в зонах тектонических разломов. .

4. На месторождениях нефти и газа:

- определение характера нефтегазоводонасыщенности коллекторов по данным амплитудно-частотного состава ГАИ на стадии эксплуатации скванин и решение других задач контроля за разработкой местороядений;

- выделение газоносных коллекторов и индикация наличия или отсутствия газа в исследуемой среде:

Разработанные аппаратура и методика использовались на яеле-зорудннх месторождениях Тургайского прогиба (Северный Казахстан) при изучении тектоники рудных полейтзкме в

Уральской сверхглубокой и Воротиловской глубокой скважинах.Били выполнены опытно-методические работы,внедрена методика и аппаратура в Полтавской экспедиции ГИС (Украина), в Кога-лымском управлении геофизических работ (Ханты-Мансийский национальный округ,Тшменская область).Продолжаются в течение ряда лет работа на нефтяных объектах производственных объединений "Ядыуртнефть"." Пермьнефть"," Пурнефтегаз" (Ямало-Ненецкий национальный округ, Тюменская область).

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Отдельные вопросы,освеиенные в работе,докладывались на:

Uli .Уральской конференции молодых геологов и геофизиков Теология и полезные ископаемые Урала" (Свердловск. 19G1), XI конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири (Иркутск,J984),Ьсесоюэном семинаре по Горной геофизике (Батуми,1985),1U Всесоюзном симпозиуме по физике акусто- гидродинамических явлений и оптоакустике с секциями молекулярной акустики и геоакустики (Авхабад.19Ь5 ),Х1 Межведомственном совещании по изучение современных движений земной коры на геодинамических полигонах СССР (Звенигород.1985),совещаниях рабочей группы " Сейсмология микгомасмтаба" комиссии по сейсмотектонике и геофизике КСССС (Авхабад.I90?,Сухуми, 1983),Международном симпозиуме " Геодезия-сейсмология:де-формациии и прогноз" (Ереван,1989),Всесоюзном совещании " Эндогенные процессы в зонах глубинных разломов" (Иркутск,1989 ),научно-технической конференции "Геофизические работы при региональных и геологосъемочных исследованиях на Урале" (Свердловск,1989),XI Региональной аколе-семинчре " Применение лазерных дефорыографов в сейсмоакустике" (Владивосток ,1969 ). II 1 научно-техническом совещании по геотомографии (Свердловск,1991),XI Всесоюзной акустической конференции (Москва,1391 ).1V Всесоюзной и U Всероссийской вколах-семинарах " Физические основы прогнозирования разрушения горних пород" ( Зеленогорск, 1991 .Борсж, 1994), XIII Межведомственном совещании по изучению современных движений земной корн на геодииами-ческих полигонах ( Ташкент ,1991), Ниидукароднич геофизических конференциях SE&V Мкзсои (Мискьп,1992,1993J,UI Международном семинаре пи горной геофизике ( Пермь, 1993 >.Международной науч-

ноЛ конференции " Геофизика и современный мир" (Москва. 1933 ), научно-практический конференции " Блоковое строение земной корн и нефтегазоносность" (Санкт-Петербург, 1994 ). Uli Международном симпозиуме по изучению земной коры (Санта Фе.СШЙ,1994), 1-м Международном симпозиуме по деформациям в Турции (Стамбул, ТурцияЛ994 ), секциях Ученого совета Института геофизики УрО РАН.

ЛИ'ШИ ВКЛАД АВТОРА

Исследования,результаты которых представлены в диссертации, выполнены автором лично или под его руководством и непосредственном участии в Институте геофизики УрО РАН.

Личный вклад автора заключается в постановке и проведении экспериментальных полевых и лабораторных исследований,в обосновании характеристик разрабатываемой аппаратуры,разработке методики измерений, обработки и интерпретации данных и внедрении метода в производство.

Автор выражает признательность, коллегам по работе В.А.Фадееву,В.В.Дергачеву,Н.Г.Исаковой и другим сотрудникам,участвовавшим в создании аппаратуры,проведении экспериментальных исследований и обработке материалов,подготовке и оформлении данной работы. • ■ ' •

За постоянную поддержку данного направления исследований автор благодарен чл,- корреспонденту РАН,профессору Л.Н.Рыкунову и заведующему лабораторией сейсмометрии Института геофизики УрО РАН ка'нд.геол.- мин.наук В.С.Дружинину.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук Б.П.Дьяконову за ценные советы и постоянное внимание при постановке, проведении исследований и обсуждении экспериментальных данных.

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 50 работ. Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Объем 197 машинописных страниц, б таблиц, 61 рисунков. Список использованной литературы включает 157 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы.сформулированы цель и задачи исследований.научная новизна.занижаемые положения и практическая значимость работы.

1.СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СЕИСМОАКУСТИЧЕСКИХ ¡¡УМАХ ЗЕМЛИ

В последние годы интерес к исследованию высокочастотных сейсмических вумов (ВСИ> значительно возрос благодаря открытии явления их модуляции низкочастотными деформационными процессами различной природы (/1.Н.Рикунов,0.Б.Хавро»кин.В.В.Ципла-ков.1983).

И настоящему времени разработаны методы и средства регистрации ВСВ (А.В.Николаев и др. 1965; В.Б.Смирнов,А.С.Черепан-цев,198В).изучены статистические характеристики ЬСЙ (В.Ь.Цып-лаков. 1981:Б.С.Каррыев,1984».связь ВСИ с деформационными процессами в земной коре IЛ.Н.Рыкунов.О.Б.Хаврошкин.В.В.Ципла-ков, 1978- 1990гг.; Б. С. Каррыев. 1984 ;Б. 11. Дьяконов. Р. В. Улитин. 1962; Р.Р.Сероглазое.1Э88-1993гг.),а так*е исследовано влияние на ВСЗ ветровой активности (А.С.Черепанцев.1990 ) н прогрева пичвы (В.А.Салтыков.1994).

Проблема исследования природы временных вариаций ЬСШ.регистрируемых на поверхности земной коры, оказалась настолько слоиной, что некоторые авторы объясняют все влиянием только экзогенных факторов (Ё.ИЛ'альперин.Л.П.Еинник.Н.В.Пе-терсен, 1987-1989гг. )

Техногенные сейсмические »ума - один из экзогенных Факторов-рассматриваются как помехи при различного рода сейсмических исследованиях.Однако информация об амплитудных,частотных и временных характеристиках техногенных шумов

(£.У,5ге1(1оуИг,1981 ,й.А.Дергачев и др., 1984.В.Е.Коридалин и др.,1984) позволяет оценить не только уровень вумов экзогенного происхоидения.но мовет использоваться при изучении сейсмической эмиссии земной коры (Б.С.Карривв,1904

Изучение информативности сейсмоакустических вумов Земли связано с возмсиностыо их практического использования.Выявленная четкая связь меаду величиной периодов низкочастотных мик-росейсм (0.3-4.5с) и мощностью ыеэоэойско-кайноэойских отломе-ний ппатфораеннагп чехда используется для определения мощности

<;

покровных платформенных образований при площадном картировании погребенного фундамента на территории прогибов,впадин,депрессий (А.Н.Антоненко,Г.К.Дубровин. 1988 ).

На практике широко используется та часть ВСВ,природа которой обусловлена сейсмоакустической эмиссией (САЗ),возникающей в процессе разрушения объема геосреды.По параметрам САЗ оценивают удароопасность пород. (В.М.Проскуряков и др.,1983), контролируют состояние массива пород и процессы разрушения (М.С.Анциферов.Н.Г.Анциферов.1971 ).

Акустические шумы в полосе частот 20-2000 Гц,создаваемые потоками флюида и газа,используют при контроле за разработкой газовых и нефтяных месторождений (R.M.HcKinley.F.M.Bouer, 1979; Ю.А.Гуторов и др..1981 ).

В последнее время наибольяее внимание уделялось изучению сейсмоакустических сигналов в диапазоне частот от первых десятков герц до сотен килогерц.Это объясняется многими причинами,в частносги.разрабогкой методов диагностики напряяенного состояния горных пород в массиве по параметрам САЗ. изучением физики и механики разрушения горних пород

■ (C.H.Sondereeld, L.H.Estey, 1982; А.Н.Ставрогин и др.1986), исследованием связи меиду акустической и электромагнитной эмиссией разрушаемого образца,и поиском подготовки предвестников землетрясений (Г.А.Соболев,А.В.Кольцов,1988). •

Проблема разделения экзогенных и эндогенных шумов, регистрируемых на земной поверхности,окончательно не решена и требует дальнейшего изучения.Переход к скваяинным измерениям геоа-кустически'х шумов позволяет свести до минимума влияние экзогенных иумов.

Вопросу изучения геоакустических шумов в скваяинах.в частности, их информативности о геологическом строении и действующих в среде деформационных процессах внимания не уделялось.

II.АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Новизна исследований выдвинула в качестве первоочередной задачи разработку специальной аппаратуры для измерения геоакустических шумов (ГАИ) в скваяинах.

Аппаратура РДА-3 (регистратор динамической активности трех-компонентный) с чувствительностью,позволяющей регистрировать сейсмоакустический отклик геосреды на деформации порядка

10 - 10 ы, была разработана в Институте геофизики ЫрО РЙН В.А.Фадеевым.

Автор приникал участие в разработке блок-схемы аппаратуры и технического задания,испытании ее в лабораторных и полевых условиях,вносил предлоаения по усовершенствовании конструкции и модификации отдельных ее узлов.

Аппаратура РДА-3 состоит из скважинного прибора и наземного пульта.В скважинном приборе размецены:пьезодатчики-акселеро-метры (вертикальный и два горизонтальных.расположенных под углом 90° ),предварительный усилитель.калибровочный генератор,коммутационное устройство и стабилизатор питания.Скважин-ный прибор соединяется с наземным пультом трехмильным бронированным каротажным кабелем,по которому осуществляется питание прибора.управление режимами его работы и передача информации.

Предусмотрено три режима работы скважинного прибора:

- регистрация сигналов с последовательным опросом датчиков Х.ЧЛ'.

- калибровка электрического тракта канала;

- контроль уровня собственных вумов электрического тракта.

В скважинном приборе устанаьлены пьезодатчики.имеюаие одинаковый коэффициент преобразования в пределах 5 г 10 мкВ-с /мм.

Акустические сигналы поступают в наземный пульт через блок управления ремимаыи работы аппаратуры и после усиления могут разделятся фильтрами на три полосы частот: 20-100 ; 100-500 и 500-2000 Гц. В автоматическом режиме измерения могут проводится в любом из пяти временных циклов: 20;10;5;2.5 и 1.25 минуты.За цикл измерения наблюдается прохождение режимов от записи калибровочного-сигнала до регистрации ГАЗ вертикальным датчиком 1. Для любого из пяти временных циклов соотновение по времени следующее:

Тк : Ти : Тк : Ту ; Тг = 1 : 1 : 6 : б : 6. то есть длительность измерения компонент ( Tx.Ty.Tz) в 6 раз больше контрольно-проверочных параметров,

Аппаратура РДА-3 позволяет проводить измерения в скважинах при давлении свыше Ь0 НПа и температуре до +125°С.

Отсутствие публикаций ь отечественной и зарубежной научной литературе о работах по изучению геологической информативности геоакустических иумов в скважинах требовало разработки специальной методики измерений и интерпретации получаемых данных.

Получение экспериментальных данных, не осложненных влиянием

£

различного рода помгх.возмояно при соблюдении определенна* требований к условиям измерений.Экспериментально было установлено,что при измерении ГАИ пьезоэлектрическими датчиками-акселерометрами в скваяинах с глубины 200-300 и и нияе исчезают помехи от вибраций,создаваемых автомобильным и гусеничным транспортом, а такяе от работающих у устья скваяины механизмов и агрегатов. При включенном двигателе каротаяного подьемника передаваемые по кабелю вибрации могут фиксироваться вертикальным датчиком до глубин 400-500 м.Поэтому исследования в верхней части геологического разреза (50-400 м) проводятся при спуске скваяинного прибора и выключенном двигателе каротаяного подъемника.

В условиях интенсивных электромагнитных помех промышленной частоты (работы вблизи НЭП и др.) при измерениях используется специально разработанное В.А.Фадеевым устройство для подавления помех и их высокочастотных гармоник.

Для оценки влияния обсадной колонны на амплитудный уровень ГАИ были проведены исследования сначала в открытом стволе скваяины. затем в тех яе точках .после спуска обсадной колонны ■и цементирования заколонного пространства. При измерениях использовались датчики-акселерометры (коэффициент преобразования мкВ-с / мм ) и пьезоэлектрический гидрофон (коэф.преобр. мкВ / Па), закрепленный с внешней стороны торцевой части скваяинного прибора. На записях с гидрофоном уровень ГАШ после спуска обсадной колонны повышается в 3-4 раза.Измерения с датчиками-акселерометрами показали,что наличие обсадной колонны не влияет на амплитудный уровень ГА!!.

На начальной стадии изучения ГА1 с'кваяинный прибор принимался к стенке скваяины с помощьи специально разработанного принимного устройства.В дальнейшем было решено отказаться от прияимного устройства и вести измерения не только при 'подъеме каротаяного кабеля,но и при спуске.Этому решению предшествовали теоретические расчеты,лабораторные стендовые испытания и эксперименты в скваяинах,которые показали,что для регистрации ускорений,не превышающих ускорение свободного падения,достаточно прииима,обеспечивающего силу не более веса скваяинного прибора.

Действительно,чтобы тело массы М (в данном случае скважин-ный прибор) двигалось с ускорением СС ,к нему следует приложить силу ¥. При максимальном сигнале 20 мкВ,снимаемом с датчи-

ка - акселерометра имевшего коэффициент преобразования

4 »2 2

5.0 мВ • с / м,регистрируемое ускорение составит 4.0-10 jm / с . Для регистрации такого ускорения скважинным прибором массой 10 кг нужна прижимная сила

F = 4.0-ю"3- 10 = 0.4 (кг)

Отличительной особенностью методики измерений ГАЙ является применение трехкомпонентной системы ортогонально расположенных датчиков-акселерометров жестко скрепленных с корпусом скважин-ного прибора.Особенности измерений ГАВ каждым из трех датчиков заключается в следующем.

Для измерения компоненты сыежения (ускорения ),совпадающей с нормалью к образующим скважины и прибора в месте их контакта,необходимо чтобы нормальная проекция ускорения силы тяжести, прижимающая скважинный прибор к стенке, была существенно больше проекции колебательного ускорения.пере даваемого прибору и регистрируемого датчиком X.

При измерении компоненты смешения (ускорения) по направлению оси скважины (Z) должно выполняться другое услоьие сцепления скважинного прибора со средой, учитываюаее трение на контакте "прибор-стенка скважины" и жесткость кабеля.на котиром висит прибор.

Третья компонента колебаний перпендикулярна двум предыдущим. Для ее измерения (датчик Y) требуется выполнение еце одного условия,обеспечивающего сцепление прибора со стенкой скважины за счет трения качения и вязкости жидкости,заполняющей скважину.

Для естественного ГАИ.выраженного через регистрируемое

— 2. ?

ускорение (больней частью CL <10 м / с ) рассмотренные условия измерений выполняются.

Выбор оптимального шага измерений определяется интенсивностью источников шума.чувствительностью аппаратуры и условиями поставленной задачи.

В осадочной тол^е пород.когда средние мощности отлонений составляют сотни метров,оптимальным является наг измерений 20-40 и.Деталировка выявленных аномалий в зависимости от их мощности производится с шагом 5-10 м. Для выделения тонких лропластко? и прослеживания контактов пород шаг измерений уменьшают' до 1-0.5 а.

ю

Время записи в точке измерения определяется реаимом работы аппаратуры и зависит также от времени успокоения скваниниого прибора при остановке на заданой глубине.Время успокоекия скваминного прибора визуально контролируется по индикатору в наземном пульте аппаратуры РДА-3 и составляет не менее 10-15 с.

Одна из основных задач исследований состояла в изучении временного изменения амплитуд геоакустических сигналов и соотношении их с амплитудами распределения уровня сигналов по разрезу скважин.По контрольным измерениям.проведенным через 3-5 часов,отмечалось смеаение общего уровня кривой распределения ГАЗ.при этом соответствие аномалий определенным интервалам глубин сохранялось.В аномальных зонах временные изменения амплитуд достигают 100-200Х.В то время как изменения уровня фоновых значений сигналов могут составлять первые десятки процентов.Контроль во времени вариаций амплитуд регистрируемых сигналов возможен при измерениях по методике челночного карота-' жа.который применялся там,где длительность каротажа превыаала 3-5 часов.

Обработка результатов измерений ГЙИ сводится к следующему. Записи детектированных сигналов на диаграммную ленту или фотобумагу оцифровываются с учетом величины калибровочного сигнала и через коэффициент преобразования датчика пересчитывают в ускорения регистрируемых микроколебаний среды:

а = и / К пр.

где и - уровень ГАВ,приведенный ко входу предусилителя в мкВ;

О

Кпр -коэффициент преобразования датчика, мкВ-с / мы; а - регистрируемое ускорение, мм / с2. Магнитная запись ГАЗ используется для изучения в лабораторных условиях амплитудно-частотного состава сигналов на анализаторе спектра СК4 - 72/2.

Применение трех ортогонально располояенных датчиков-акселерометров даст возможность для сравнения сигналов в разных полосах частот, регистрируемых в горизонтальная и вертикальной направлениях.

Автором при изучении ГАИ в скважинах с использованием аппаратуры РДА-3 предлагается использовать следующие информативные параметры сигналов: - распределение интегрального уровня амплитуд и в полосчх

и

частот 100-500 и 500-2500 Гц для кандого иэ трех датчиков (X.Y.Z);

- отношение амплитудного уровня сигналов с вертикального датчика к амплитудам сигналов с горизонтального датчика в полосе частот 100-500 Гц (параметр Z/X или Z/Y);

- отношение сигналов с горизонтальных датчиков в диапазоне частот 500-2500 Гц (параметр X/Y);

- отношение уровня сигналов в диапазоне 500-2500 Гц к амплитудам сигналов в полосе 100-500 Гц для каядого из трех датчиков (параметр Nx.Ny и Nz);

- отношение амплитуд сигналов в полосе частот 500-2500 Гц.зарегистрированных вертикальным и горизонтальным датчиками (параметр Z/X : Z/Y);

- амплитудно-частотные спектры сигналов.

На практике используются те информативные параметры ГАИ, которые необходимы для решения конкретной геологической задачи.

III. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ И ВРЕМЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОАКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ

В этой главе приведены результаты экспериментальных исследований, направленных на поиск и изучение ранее неизвестных закономерностей пространственного и временного распределения Г All,а такяе рассмотрена модель акустически активной среды.

Распределение амплитудного уровня Г0II по глубине происходит по-разному. В пределах разведаной бурением площади уровень шумов мояет уменьшаться с глубиной,оставаться постоянным или. возрастать, В массивах пород,вскрытых Кольской и Уральской сверхглубокими скваяинами.Воротиловской глубокой сквави-ной,уровень шумов с глубиной имеет тенденцию к увеличению.В осадочной толще пород отмечается низкий уровень ГЙШ с незначительной дифференциацией и тенденцией к уменьшению с глубиной (Сарапульская скважина 1П, 5483м; Восточная Полтава - 12, 4100м; Оймаша - 30, 3100м).

Амплитуды геоакустических сигналов зависят от геологической особенности среды.Минимальный уровень сигналов характерен для глин и это многократно подтверждалось на различных геологических объектах.

Максимальные амплитуды сигналов регистрируются в массивах

12

кристаллических пород.

Изучение геологической информативности особенностей пространственного распределения ГАЙ невоэыоано без учета их частотного состава. Амплитудно-частотные спектры могут быть непрерывными или иметь дискретный характер. Максимальная частота,наблюдаемая в спектрах регистрируемых в кристаллических породах сигналов.ограничивается величинами 1.7-1.8 кГц. В верхней части геологического разреза интегральный уровень аумов в основном представлен низкочастотной частьи спектра (20-500 Гц) С глубиной воэмо1но доминирование высокочастотной части спектра (500-2500 Гц) над низкочастотной.Факт увеличения интегрального уровня аумов не за счет сигналов низкочастотной ветви спектра,а более высоких частот.является принципиальным результатом. свидетельствувщим о формировании аумового поля источниками эндогенного происхомдения. Изменение частотного состава ГЛ1 происходит независимо от колебаний их амплитуды.Так.фоно-' вый уровень иуаов мижет быть обусловлен только низкочастотной ветвьи спектра или вкличать и более высокие частоты.Аномалии ГАЕ по частотному составу могут существенно отличаться от фонового уровня или *е иметь небольшие различия в спектрах.

Информативность частотного состава ГА13 заключается в воз-момности разделения регистрируемых сигналов по их физической природе.Низкочастотная ветвь спектра характеризует наличие и интенсивность ГАЙ в объеме геосреды,включая околоскванинное пространство, Высокочастотная часть спектра отрамзет наличие и вероятность появления во времени актов сейсмоакустической эмиссии пород в блимней зоне.

При изучении вертинального распределения амплитудного уровня ГЛЭ в сккаяинах был обнаружен ряд локальных аномалий на разных интервалах глубин. Сопоставление с результатами геологической • изученности разрезов скванин позволило установить связь меаду этими аномалиями ГАИ и зонами тектонической нарушенное™ пород.

Исследования на »елезорудных месторояденияк Тургайского прогиба (Ломоносовское.Качарское,Курвункульсиое) позволили установить.что максимальный уровень аномалий ГАШ.превыиаюций фоновый 5-15 раз,соответствует зонам дробления пород.Интервалы трециноватых пород в большинстве случаев выделялись аномалиями ГАИ с наличием в спектре высокочастотных сигналов. В то не время было замечено,что в скважинах интервалам с одинаковой

трещиноватостью пород могут соответствовать как локальные аномалии ГАВ.так и фоновый уровень.Отсутствие аномалий ГЙШ в данном случае объясняется тем, что действующие в среде напряие-ния не превосходят прочность трещиноватых пород.Из этого следует,что аномалии уровня ГЙШ отракают динамическую активность геологической среды.но не степень ее трещиноватости.

Акустическая активность геосреды изменяется во времени.Это фиксировалось по контрольным измерениям в течение суток,недель,через месяцы и годы. Вопрос о том.как изменяются амплитудно-частотные характеристики сигналов на различных интервалах оставался открытый.

Величина временных изменений параметров ГАЙ характеризует пригодность геосреды для изучения ее геодинамического состояния по реакции на воздействие деформационных процессов.

Наблюдаемые в течение нескольких часов временные различия в акустическом отклике пород на воздействие деформационных процессов даае при незначительном разносе точек измерений по глубине могут слуаить диагностическим признаком разделения среды по физико-механическим свойствам.Изменения амплитуд фонового уровня и аномалий ГАШ при повторных измерениях через 1.5 месяца свидетельствуют о динамике массива пород.Повторные измерения, проведенные через 1-3 года,показывают.что на этих временных интервалах уровни ГАИ существенно не изменились. На более длительных временных интервалах (1984-1ЭЭЗгг) обнаружено изменение фонового уровня ГАШ на величину,превосходящую амплитудные колебания сигналов за более короткие сроки (сутки.недели,иесяцы ).

Частотный состав ГАИ такяе претерпевает изменения во времени. Наибольшие изменения происходят в низкочастотной части спектра,дающей основной вклад в амплитуду интегрального уровня ГАИ.Изменения во времени в высокочастотной части спектра проявляются в вероятностном процессе появления сигналов.Воэмоя-ность осреднения мгновенных спектров без искавения информации о частотном составе сигналов в точке измерения свидетельствует о квазистационарности процесса во времени.

Поскольку при измерениях в сквааинах в течение нескольких часов постоянно наблюдаются в той или иной степени временные вариации амплитуд ГАШ. возникла необходимость изучения их пе-риодичностей.

Выделение скрытой периодичности в вариациях ГАШ осуществля-

лось с помощью программы Фурье-преобразования на ЗВИ.Учитывая, что в вариациях ГАЗ доминирующими оказались суточные и полусуточные периодичности,аналогичные операции проводились и с временными рядами приливных Приращений силы тяяести Д д за врейя наблюдения ГйИ.

Задача изучения связи между приливными деформационными процессами и акустическим откликом геосреды в данной работе не ставилась, но сравнение амплитуд приливных периодичностей в спектрах вариаций и ГАИ позволяет выделить по физической природе из общего уровня иумов ту часть,которая обусловлена приливами в континентальной земной коре.

Автором были предлияены коэффициент й, характеризующий отноиение амплитуд суточной периодичности к полусуточной в камдом спектре временного интервала (128 ч) рассматриваемых процессов и анализ динамики суточных и полусуточных периодов по ограниченной во времени.но не более 256ч длительности вари-' аций.

Сравнение изменений коэффициентов 0 и графиков динамики суточных и полусуточных периодов в вариациях д Л и ГАВ показывает:

- в массивах консолидированных пород наблюдается подобие графиков изменения рассматриваемых параметров;

- в пределах тектонических разломов отмечается расхождение в графиках динамики приливных волн и изменений коэффициента 0.

При реяимных измерениях на Чусовском м-и (Ср.Урал) в 1982,1983гг. и на Ломоносовском м-и Тургайского прогиба в 1980г.было замечено.что в пределах активных разломов в непрерывных вариациях ГАЗ мояет наблюдаться непрогнозируемый, во времени процесс: подъем амплитуд и затем резкий спад до минимальных значений с последующим восстановлением преинего уровня. При исследованиях ГАЙ в различных геологических районах суточная и полусуточная периодичность проявляется по-разному.Поэтому вопрос о характере связи приливаых деформационных процессов с ГАЯ требует отдельного изучения с учетом состава, свойств и строения исследуемой геосреды.

Для понимания физических предпосылок возникновения эндогенных ГАЗ в скваяинах предложена модель акустически активной ге-осредц,показывающая,что интенсивность излучения такой среды пропорциональна числу связей или дефектов в обьеме,зависит экспоненциально от энергии активации разрывов при постоянной

1.0

нагрузке и от отношения действующего переменного напряжения к среднему значению разрывного напряяения,которое определяется как отношение энергии активации разрывов к структурному параметру,характеризующему перенапряяения на неоднородностях среды.

Эксперименты на образцах горных пород показывают,что с возрастанием всестороннего давления уменьшается число трещин и 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.Известно.что энергия активации разрывов в горных породах растет с повышением давления и уменьшается с увеличением температуры,В результате действия этих двух конкурирующих факторов и физико-механических процессов на некоторых глубинах в зависимости от состава и свойств пород энергия активации разрывов может достигать минимума.Тогда за счет термофлуктуационного механизма,сдвиговых квазистационарных напряжений и сравнительно небольших переме-ных может увеличиваться вероятность возникновения разрывных дефектов.

Отсюда видно,что в земной коре существуют конкурирующие повышению литостатического давления процессы и пока породы остаются хрупкими,могут существовать условия.при которых естественная геоакустическая активность не подавляется.Что и наблюдается на практике при обнаружении на больших глубинах акустически активных тектонических разломов.

IV.РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗУЧЕНИЯ ГЕОЙКУСТИЧЕСКИХ ШУМОВ В СКВАЖИНАХ

В отличие от традиционных геофизических исследований тектонически нарушенных зон в скважинах разработанный метод позволяет классифицировать эти зоны на динамически пассивные и активные,причем обнаружение последних возможно в околоскваяинном пространстве.Кроме того,по частотному составу можно определять тектонофизическую природу нарушенной зоны: для зон дробления характерен спектр с доминирующими низкочастотными сигналами (20-500 Гц),для интервалов трещиноватости - спектр с наличием высоких частот.

Многолетние исследования в Уральской сверхглубокой скважине позволяют проследить изменения динамической активности вскрыто-

16

го скважиной разреза.При общей тенденции к уменьшению амплитудного уровня ГАИ за период исследований наблюдается рост интер-валов.охваченных процессами трещинообразования.

То есть накопление и релаксация напрямений сохраняются,что может служить причиной геологического осложнения при дальнейией проходке скважины.

В Воротиловской глубокой скважине выделено по данным исследованиям ГА1 ? динамически активных зон,имеющих разную тектоно-Физическую природу.Кроме того,обнаружены проницаемые интервалы в зонах нарушенных пород и отмечена активность деформационных процессов.ведуцнх к изменению геометрии поперечного сечения ствола скважины.

Рассмотрена целесообразность компленсирования измерений ГАВ с другими геофизическими методами при решении различных геологических задач.Например,комплексирование информативного параметра X/У (> 500 Гц) с данными скважинного акустического теле-ьизора позволяет, с одной стороны,обьяснить отклонение этого параметра от 1 из-за наличия эллипсовидной каверны,с другой стороны,обнаружить и оценить активность деформационных процессов в данной зоне.

На стадии эксплуатации нефтяных месторождений .'обеспечение высоких темпов добычи невозможно без применения многочисленых средств и методов интенсификации притоков и повышения нефтедобычи пластов.Одним из них является закачка воды в продуктивный пласт. При этом наряду с вытеснением нефти может происходить преждевременная обводненность пластов,Поэтому оценка характера насыщенности эксплуатируемых и неперфорированных нефтяных коллекторов имеет больное практическое значение,

В условиях ниэиоминерализованных пластовых или закачиваемых вод (районы Западной Сибири) разделение нефте - и водонасыщен-ных слоев за стальной обсадной колонной по данным ядерных методов затруднено.Использование метода исследований ГА1 позволяет успеино ревать эту задачу.Метод используется также для контроля за техническим состоянием эксплуатационных скважин ( обнаружение заколонных перетоков,изучение профиля притока в пзрфориро-ванном интервале обсадной колонны и др.)

В газовых сквавинах метод ГАЗ используется для обнаружения интервалов газовыделения в открытой и обсаженном стволе скважины, а также для отбивки подошв« газоносных пластов.

Направлениями дальнейиих работ автора являются изучение связи ГАИ с естественным электромагнитным излучением (ЭМИ) пород в глубоких скважинах, развитие наблюдений ГАЙ и ЭМИ в режиме мониторинга геосреды.исследование медленных динамических процессов регионального масштаба и др.

ВЫВОДЫ

1 .Разработана методика трехкомпонентных измерений ГАИ ( 20—4500Гц) в скваиинах с использованием аппаратуры РДА-3 (регистратор динамической активности трехкомпонентный).

2.Разработана методика обработки экспериментальных данных.выявлены.обоснованы и предлокены для практической реализации информативные параметры ГАВ,характеризующие современную динамику геологической среды.

3.Показана возможность расчленения геологического разреза по параметрам ГАШ.при этом выделено три типа разрезов: с убывающей, возрастающей и сохраняющейся почти постоянной по глубине амплитудой акустических сигналов.

4.Обнаруженная геоакустическая активность горных пород на больших глубинах (свыше 5 км),свидетельствует о динамике геологической среды в условиях литостатических давлений и процессах,противостоящих консолидации верхней части земной коры.

5.Пространственное распределение ГАШ отражает особенности динамической активности геосреды в различных по составу и строению регионах земной коры.

6.Максимальные амплитуды естественных геоакустических сигналов наблюдаются на участках современных активных ыикродвиже- ■ ний земной коры и пространственно совпадают с зонами разломов, интервалами дробления и трещиноватости горных пород по разрезу скважины.

7.Амплитудный уровень ГАЮ зависит от геологических и тектонических особенностей исследуемой среды.Минимальные геоакустические сигналы характерны для осадочной толщи, максимальные -для кристаллических пород,где уровень ГАИ в 2-3 раза выие.чем в осадочных отлоиениях.

8.Амплитудно-частотный состав ГАШ зависит от физико-механических свойств горных пород.В высокочастотной области спектра (выше 1 кГц) регистрируется сейсмоакустическая эмиссия,возникающая при образовании трещин в обьеме геосреды.Частотные

18

спектры могут быть непрерывными и дискретными.

Э.Амплитудный уровень ГАИ по скважине не остается постоянным во времени.На разных глубинах наблюдается неодинаковое его изменение: с доминирующей суточной и полусуточной периодичностью^ аномальных зонах вариации амплитуд превынают 100У., изменение фоновых значений существенно нише.

10.Выявлены закономерности временных вариаций амплитудного уровня ГАЗ.В зонах активных разломов в вариациях ГАН наблюдается непрогнозируемый во времени процесс: подьем амплитуд и затем резкий спад до фоновых значений с последующим восстановлением прежнего уровня.На консолидированных участках земной коры вариации уровня ГАЗ не испытывают столь резких амплитудных колебаний во времени.

11.На основе изучения пространственного и временного распределения амплитудно-частотных характеристик ГА1 в различных по составу и строению массивах горных пород создан новый метод' исследования скважин,позволяючий оценивать динамическую активность обьема геосреды.

12.Данный метод.в отличие от традиционных геофизических исследований зон тектонической наруиенности,позволяет классифицировать эти зоны на динамически пассивные и активные,причем обнаружение последних возможно в околоскважинном пространстве .Кроме того,возможна классификация подсеченных скважиной нарушенных зон по их тектонофизической природе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Способ скважинной сейсмической разведки.А.с.1236394, Бол. Н 21, 07.06.86г. (Соавторы: Дьяконов Б.П., 9литин Р.В..Фадеев В.А)

2. Сейсмоакустические иумы на глубоких горизонтах. Докл. АН СССР, 1989, т.309. N2, 314-319 с.(Соавторы:Дьяконов Б.II..Назаров А.Н..Фадеев В.А.)

3. 0 характеристиках естественных геоакустических иумов в верхней толпе земной коры. Сб. докладов XI Всесоюзная акустическая конференция. Носква, 1991, 21-24 с, (Соавторы: Дьяконов Б.П..Друаинин B.C.)

4. Деформационные процессы и сейсмоакустический шум в земной коре. Сб. Современные проблемы ядерной геофики и геоакустики. М. .ВНИИ геоинфорсистем, 1990, с. 230-234. (Соавторы .'Дьяконов Б.П..Фадеев В.А. )

5. Геологическая информативность скваиинных исследований высокочастотных сейсмических шумов. Вулканология и сейсмология, 1991,HI. с.112-116 (Соавторы:Дьяконов Б.П. .Кусонский О.А., Назаров А.Н..Фадеев В.А.)

6. О возбуждении естественных сейсмоакустических шумов в земной коре. Деп. ВИНИТИ. 15.11.89, N6674-B89. (Соавторы: Дьяконов Б.П.)

7. Исследование геоакустических «умов в скважинах. Сб. научн. трудов "Повышение эффективности геолого-геофиэических методов исследования месторождений полезных ископаемых". Караганда, 1988, с.(Соавторы:Фадеев В.А..Назаров А.Н.)

8. Исследование геоакустических шумов в Уральской сверхглубокой скважине СГ-4. Сб.науч.тр. Уральская сверхглубокая скважина СГ-4. Ярославль, 1992, с.82-91.(Соавторы:Фадеев В.А..Михайлов Ю.Л.)

9. Оценка характера насыщенности коллекторов по данным спектрального состава геоакустических шумов.Сб.науч.трудов.Геолого-геофизические методы исследования месторождений полезных ископаемых.Караганда.1991,с.49-53 Л Соавторы:Дик Л.П..Дьяконов Б.П.)

10. Uber den ZusanHaenhang zwischen der Dynamik physikalischer Characterisiica von Gesteinen und rezenten Erdkrustenbeue-gungen in ausgeuahlten Gebieten, Berlin,1986.(CoaBTopn:Dia-konov B.P..Ivaev A.T.,Ulitin R.U..Shakirova L.D)

11. Dynamic of the Earth's crust deformations and distribution of seisooacoustic noises in deep drillholles. Docunent du BRGM n223-UI International Symposium-Continental Scienti-. fic Drilling Program-Paris. April, 1992,p.265-276.(Соавторы: Diakonov B.P.)

12. Geoacoustic noises in deep boreholes as an indicator of deformation processes.Proceeding of the Ull-th International Symposium on the Observation of the Continental crust through Drilling.April 25-30,1994,Santa Fe.Neu Mexico,USA, p.161-164.(CoaBTopu:Diakonov B.P.)