Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка и внедрение аппаратуры и методики интерпретации акустического каротажа для исследования рудных и угольных скважин

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

Автореферат диссертации по теме "Разработка и внедрение аппаратуры и методики интерпретации акустического каротажа для исследования рудных и угольных скважин"

На правах рукописи

Казаков Анатолий Михайлович

РАЗРАБОТКА Я ВНЕДРЕНИЕ АППАРАТУРЫ И МЕТОДИКИ ИНТЕРПРЕТАЦИЙ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РУДНЫХ И УГОЛЬНЫХ СКВАЖИН

Специальность 04.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь - 1996

Работа выполнена в научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте геофизических методов исследований, испытания и контроля нефтегазораэведочных скважин (ВНИГИК) АООТ НПП "ГЕРС"

Научный руководитель доктор технических наук Е Ф. Козяр

Официальные оппоненты доктор геолого-минералогических наук,

профессор ¡0. К. Кузнецов кандидат технических наук А. И Глебов

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт разведочной геофизики ВИРГ "Рудгеофизика"

Защита состоится 27 марта 1966г. в 10.00" часов на заседании Диссертационного совета Д 169.13.01. в акционерном обществе открытого типа по геофизическим работам, строительству и заканчиванию скважин (АООТ НПП "ГЕРС") по адресу: 170034, г.Тверь, проспект Чайковского, дом 28/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИГИК АООТ НПП "ГЕРС"

Автореферат разослан \2 февраля 1996г.

хе Ученый секретаре

Диссертационного совета

доктор физико-математических наук ^лЛо-'Глуздовский В.Е

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Для экономию! страны важное значение имеет обеспеченность собственными минерально-сырьевыми и энергетическими ресурсами, в том числе такими, как разнообразные руды и уголь. В условиях больших объемов добычи ископаемых, ускоренной выработки разрабатываемых месторождений решающее значение приобретает опережающая разведка новых залежей , повышение эффективности геологоразведочных работ и инженерно-геологических исследований. Ведущая роль при этом отводится геофизическим исследованиям скважин (ГИС), обеспечивающим изучение геологического строения месторождений, выделение и классификацию углей и руд, определение их запасов, получение информации шля прогнозирования устойчивости кровель угольных и рудных пластов и других данных для проектирования и строительства шахт и других горных выработок.

Среди известных видов ГИС особое значение в рудной и угольной геофизике приобрели гамма-гамма плотностной (ГГЫ1) и акустический (АК) каротажи, предоставляющие информацию о плотности и физико-механических свойствах углей, руд и вмещающих пород. .В скважинах диаметром от 76 до 120 мм акустические исследования выполнялись аппаратурой ПАРУС-1. Ее методические возможности ограничены большим для угольных и рудных скважин диаметром скважинного прибора ( 60 мм ), применением трехэлементного измерительного зонда, узкополосного приемно-усилительного тракта, отсутствием средств метрологического и методического обеспечения. По этим причинам, а также с учетом уменьшения диаметров бурящихся скважин повышение эффективности АК является актуальной задачей и имеет научное и практи-, ческое значение.

Целью работы являлась разработка малогабаритного ( диаметром

• - 4 -

48 мм ) прибора акустического каротажа, который оснащен компенсированным измерительным зондом со встречной системой измерений, трансформируемым при необходимости в трехэлементные зонды разной длины, широкополосным лриемо-усилительным трактом и калибровочным устройством, и внедрение его вместе с соответствующим методическим обеспечением в практику исследований угольных, рудных и инженерно-геологических скважин.

Основные задачи исследований:

-анализ информативности известных модификаций аппаратуры АК в различных геолого-технических условиях, ■ выбор и обоснование основных параметров измерительного зонда, усилительно-передающей линии, обрабатывающих и регистрирующих систем;

-разработка малогабаритного скважинного прибора АК для исследования рудных и угольных скважин и средств метрологического контроля;

-разработка методик исследования скважин и интерпретации полученных результатов;

-опробование и внедрение аппаратуры и методик в производственных условиях, оценка их технических и методических возможностей, ограничений и области применения. • Методы исследований:

-анализ и обобщение опыта разработки и эксплуатации аппаратуры АК для исследования нефтегазовых, рудных и угольных скважин;

-физическое моделирование, теоретические и экспериментальные исследования конструктивных и эксплуатационных характеристик измерительного зонда;

-физическое моделирование процесса калибровки, исследования воспроизводимости метрологических и технике-эксплуатационных ха-

рактеристик аппаратуры АК;

-опытно-методические работы в скважинах на рудных и угольных месторождениях, анализ полученных результатов скважинных и керно-вых исследований, создание методических основ применения АК при инженерно-геологических исследованиях на стадии разведки месторождений;

-освоение промышленного выпуска аппаратуры АК для рудных и угольных скважин.

Научная новизна работы:

-по результатам физического моделирования и теоретических расчетов определены количественные критерии к конструктивным параметрам измерительного пягиэлементного акустического зонда;

-разработан и реализован механизм установки базы измерительного зонда, позволяющий повысить точность измерений за счет уменьшения погрешности, вызванной неточной установкой базы;

-разработан способ калибровки аппаратуры в заполненном жидкостью транспортировочном устройстве, внутри которого создается избыточное давление с целью предотвращения возникновения в жидкости пузырьков газа при работе излучателей, приближения условий калибровки к скважинным, что существенно повышает точность и стабильность результатов калибровки;

-осуществлена компьютеризация процессов управления скважинным прибором, цифровая регистрация и обработка информационных сигналов;

-создана основа методик обработки и интерпретации получаемых материалов для решения инженерно-геологических задач.

Практической ценность» работы является разработка, организация серийного изготовления и промышленное внедрение малогабаритно-

- б -

го скважинного прибора акустического каротажа ПАРУС-4, его метрологического и методического обеспечения.

Внедрение результатов работ: 4 В 1980 г. аппаратура ПАРУС-4 успешно прошла Государственные приемочные испытания, с 1982 г. серийно выпускается Киевским опытно-экспериментальным заводом геофизического приборостроения в количестве 10-30 комплектов в год. В 1994г. наземная часть аппаратуры модернизирована для работы в составе компьютеризованной каротажной лаборатории. "Инструкция по использованию аппаратуры ПАРУС- 4 в рудных и угольных скважинах" издана в 1983 г. в количестве 700 экземпляров. Аппаратура применяется на месторождениях Донбасса, Кривого Рога, Кузбасса, Талнахского рудного узла, Воркуты.

Основные защищаемые положения:

-конструкция, метрологические и технико-эксплуатационные характеристики, многозондового, малогабаритного прибора АК со встречной системой измерений, обеспечивающие высокую эффективность исследований скважин малого диаметра в составе аналоговых, цифровых и програмно-управляемых каротажных лабораторий;

-создание аппаратурно-методической базы АК, позволяющей в комплексе с другими методами ГИС оперативно решать инженерно-геологические задачи на месторождениях полезных ископаемых.

Апробация и публикация работы. По теме диссертации опубликовано 4 печатные' работы, получено 3 авторских свидетельства на изобретения. Основные положения работы доложены на вторых Кома-ровских чтениях в 1995г, на заседаниях НТО производственных организаций. Аппаратура ПАРУС-4 демонстрировалась на отраслевых и всесоюзных выставках, награждена медалью ВДНХ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения,

- и -

лучаемых сведений об упругих свойствах пород.

Выбор типа зонда заключался в определении взаиморасположения преобразователей (излучателей И и приемников П), при котором обеспечивается возбуждение и неискаженная регистрация в скважине волновых полей, определение их характеристик, в первую очередь интервальных времен û.t распространения (скоростей) и затухания продольной и поперечной волн.

К началу работ над аппаратурой ПАРУС-4 в отечественной практике ГИС использовались двухэлементные зонды (И-Гр в акустических цементомерах и трехэлементные (И-П-П либо И-И-П) в приборах для исследования открытого ствола. В приборе ПАРУС-1 для рудных и угольных скважин также был применен трехэлементный зонд Ш. 2И0.5П и Ш. 9И0.2511 Известные недостатки такого зонда - появление на кривых At Z-образных выбросов на границах каверн, что типично для разрезов рудных и угольных скважин, искажение измеряемых параметров за счет перекоса зонда в скважине.

Несложно показать, что при использовании встречных зондов (И-П-П, П-П-Ю погрешности, вызванные этой причиной, имеют разные знаки и взаимно компенсируются при сложении двух кривых интервального времени. Поэтому в качестве основного выбран измерительный компенсированный зонд с двумя излучателями и двумя приемниками упругих волн (И-П-П-И). С учетом ведущейся дискуссии о влиянии градиентной зоны в околоскважинном пространстве на регистрируемые значения г»t предусмотрена установка между одним из излучателей и ближайшим приемником дополнительного третьего приемника, позволяющего реализовать трехэлементные зонды разной длины.

Длины зоилов. Детальность и точность регистрации характеристик упругих волн определяются длинами и базой измерительного

зонда.

Затухание упругих колебаний в сильно нарушенных (трещиноватых, неконсолидированных) горных породах ограничивает длины двухэлементных зондов (И-П) размерами не более 1-1,5 м. Уменьшение длины способствует более уверенному приему сигналов из пород с большим затуханием, уменьшает обшую длину скважинного прибора Минимальная длина зонда ограничивается условиями обеспечения уверенного разделения пакетов продольной и поперечной волн и тем, что время прихода пакета поперечной волны должно быть меньше времени прихода прямой волны по жидкости. С учетом реальных значений скоростей поперечной волны в крепкосцементированных породах рудных и угольных скважин заданного диаметра, длина короткого (до ближнего приемника) двухэлементного зонда определена равной 0.5м.

Считается, что в рудных и угольных скважинах толщина градиентной (нарушенной при бурении) зоны не превышает 0.1-0.2м. Для ее акустического зондирования зондами разной длины, обеспечиващими при фиксированной.частоте возбуждающих колебаний, различную глубинность, зонды должны быть длиной 0.2-1.0 м. Установка в скважин-ном приборе третьего приемника позволяет реализовать для исследования градиентных интервалов зонды длиной 0.2; 0.5; 0.7; 1.0 м.

База зонда определяется, в первую очередь, требуемой разрешающей способностью метода по вертикали, но ограничивается длиной волны упругих колебаний. При частоте 40-45 кГц база не Должна быть меньшей 0.15-0.17 м. При разработке угольных месторождений, кондиционными являются пласты угля толщиной О. 4м; толщины прослоев в углях и вмещающих породах составляют 0.1-0. 2м. Исходя из этого база для малого (0.5м) трехэлементного и компенсированного зондов Еыбрана длиной 0.2м. Возможна реализация трехэлементных зондов с

ми из-за нестрогого или некорректно заданного критерия установки чувствительности аппаратуры автором совместно с А. Л. Перельманом и Г. Я Рабиновичем разработан способ калибровки аппаратуры, основанный на сравнении результатов . измерений в калибровочном устройстве с его эталонным значением. При этом значения д! измеряются при различной чувствительности поверяемой аппаратуры в диапазоне изменений полезного сигнала по меньшей мере двумя трехэлементными зондами.

Систематическая погрешность измерений, обусловленная неидентичностью длин и базы измерительного зонда, устраняется за счет установки базы.

Методическое обеспечение. К основным акустическим свойствам горных пород относятся скорости распространения (интервальные времена) и коэффициенты затухания продольных и поперечных волн. Акустические свойства определяются минералогическим составом, структурно* текстурными особенностями, условиями формирования и залегания горных пород и связаны со следующими пятью (из 12) базовыми физико-механическими параметрами горных пород: модулем продольной упругости (модуль Шга) ,• коэффициентом относительных поперечных деформаций (коэффициент Пуассона), пористостью , пределами прочности при сжатии и растяжении. .

Вычисление динамических модулей упругости горных пород производится по известным из теории упругости формулам с использованием значений скоростей продольных и поперечных волн и плотности горных пород. В тех случаях, когда не удается определить скорость поперечной волны, предложено использовать в расчетах установленные корреляционные связи между скоростью продольных волн и коэффициентом Пуассона, либо наиболее вероятные значения коэффициента Пу-

ассона, присущие породам данного типа в конфетном районе».

Зависимость упругих характеристик от минералогического и фа-циального составов, степени нарушенноети и метаморфизма горных пород создает предпосылки существования корреляционных связей между пределами прочности и параметрами распространяющихся в них акустических сигналов. Дополнительные возможности расчленения разрезов скважин связаны с использованием фазокорреляционных диаграмм (ФКД), амплитуд и коэффициента эффективного затухания упругих колебаний. Совокупность информации, содержащейся в ФКД, позволяет получить наглядное представление о положении в разрезе границ раздела пород с различными физическими свойствами, зон повышенной трещиноватости, разрывных нарушений, о структурно-текстурных особенностях пород. Показаны пути использования результатов АК для проектировании процесса бурения на основе корреляционных связей скорости распространения упругих волн с механической скоростью бурения.

При решении сейсморазведочных задач результаты АК применяют для построения детального скоростного разреза исследованной скважины, вычисления вертикальных годографов и значений средних скоростей упругих волн, построения геоакустической модели геологического разреза. В сравнении с сейсмическим каротажем применение АК позволяет повысить детальность изучения разрезов исследуемых скважин.

В четвертой главе изложены результаты цифровой реализации многозондового компенсированного прибора ПАРУС-4. С появлением на российском рынке доступной по ценам цифровой вычислительной техники резко вырос интерес к использованию для исследования скважин многозлементных. компенсированных приборов АК с полной цифровой за-

туры к скважинным. Калибровочное устройство одновременно выполняет функции транспортировочного контейнера.

Выполненные скважинные исследования позволили определить возможности использования материалов АК при решении геологоразведочных задач в рудных, угольных и инженерно-геологических скважинах:

- литолого- петрографическая дифференциация исследуемого разреза, основанная на зависимостях скоростей упругих волн от определенного литотипа, возраста и глубины залегания пород, углей, руд.

- определение пористости горных пород по значениям скоростей упругих волн;

- выделение трещиноватых пород по динамическим параметрам упругих волн и фазокорреляционным диаграммам;

- определение физико-механических свойств горных пород в их естественном залегании по скоростям продольных и поперечных волн с использованием функциональных и корреляционных связей;

- прогнозирование устойчивости ствола скважины и горных выработок путем оценки напряженного состояния околоскважинной зоны;

- построение детального скоростного разреза исследованной скважины и геоакустической модели геологического объекта

Совершенствование .аппаратуры ПАРУС-4 позволило автоматизировать процессы управления работой скважнного прибора, регистрации первичной информации в цифровом виде с последующей ее обработкой с помощью компьютера типа IBM PC/AT. При этом расширился диапазон диаметров исследуемых скважин от 59-120 мм до 59-200 мм.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Аппаратура акустического каротажа для исследования рудных и угольных скважин ПАРУС-4. - Разведка и охрана недр, N И, 1981. (соавторы Лохматов ИМ., Лебедев А. И., Лебедик А. Ю. .Конюхов И.Ф.).

2. Центрирование приборов акустического каротажа в скважине. - Геофиз. аппаратура, вып. 77, 1983. с. 138-145. (соавторы Девятов А. Ф., Белоконь Д. В. , Козяр В. Ф. и др.).

3. Инструкция по использованию аппаратуры ПАРУС-4 в рудных и угольных скважинах. JL: НПО "Рудгеофизика", 1983. 94с. (соавторы Рабинович Г. Я. , Шрельман A. Л. , Белоконь Д R и др.)

4. Аппаратура акустического каротажа ПАРУС-4. - Геофиз. аппаратура, вып. 80, 1984. с. 106-114.( соавторы Лохматов В. М., Лебедев А. И., Иерельман А. Л.).

5. А. с. 868673. Устройство для определения кинематических параметров упругих волн при акустическом каротаже скважин, (соавторы Виноградов Е.А., Рафиков В. Г., Синельников В. II) - Б. И. N36, 1981.

6. А. с. 1158958. Акустический зонд. (соавторы Перельман А. Л., Рабинович Г.Я., Белоконь Д.Е ) - Ей. N20, 1983.

7. А. с. 1200215. Способ калибровки аппаратуры акустического каротажа (соавторы Шрельман A.JL, Рабинович Г.Я) - Б.И. N47,1984.