авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, 2002

СЕЙСМОАКУСТИКА

ИЗУЧЕНИЕ ОКОЛОСКВАЖИННОГО ПРОСТРАНСТВА С ПОМОЩЬЮ

ГЕОВИЗОРА

В.Н. Носов, И.Н. Жуланов1)

Московский государственный технический университет (МГТУ),

1)

ОАО “Пермнефтегеофизика”

Введение

Для успешной разработки нефтяных, газовых и других разбуриваемых место рождений необходимо детально знать геологическое строение, характеристики на сыщения и фильтрационно-ёмкостные свойства пластов, в том числе, в межсква жинном пространстве. Особенно это важно на позднем этапе разработки, когда вы работаны наиболее продуктивные участки месторождений. Возможности стандарт ного комплекса геофизических исследований ограничены только ближней при скважинной зоной. Наибольшие возможности и, соответственно, перспективы ис пользования имеют акустические методы изучения около и межскважинного про странства, поскольку они могут работать через стальную обсадную колонну.

Особенно привлекателен односкважинный вариант зондирования околосква жинного пространства – скважинный геовизор. Глубинность его исследований в за висимости от решаемой задачи должна составлять сантиметры, метры, десятки и сотни метров.

В настоящей работе представлены первые результаты изучения околоскважин ного пространства на нефтяных скважинах Пермского региона.

Состояние проблемы В настоящее время практически вся известная аппаратура, за исключением ап паратуры межскважинного прозвучивания, позволяет получать информацию о па раметрах околоскважинного пространства на дальности не более 0,5 м. В частно сти, такая глубинность исследований достигается акустическим методом регистра ции полных энергий волнового сигнала – метод выявляет зоны неоднородностей пластов, содержащих трещины и каверны [1].

Таким образом существует необходимость разработки аппаратуры для звуко видения околоскважинного пространства в ближней и дальней зонах от оси сква жины. Технически и теоретически это является сложнейшей задачей за решение ко торой авторы взялись несколько лет назад [2,3].

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, Методы реализации геовизора Сложность решаемой проблемы вынуждает использовать комплексно несколь ко методов:

• акустический метод отражённых волн;

• параметрический метод волнообразования в горных породах;

• новые принципы интерпретации принятых сигналов;

• специализированные программы для обработки данных геовизора.

Возможности скважинного геовизора Аппаратура позволяет проводить:

• расчленение геологических разрезов с высокой разрешающей способностью;

• обнаружение и фиксацию в околоскважинном пространстве зон различных не однородностей (карсты, зоны каверзнозности и трещиноватости, фронтов во ды, газа, нефти);

• определение газо и нефтенасыщенности пластов;

• доразведка нефтяных и газовых месторождений;

• контролъ за насыщением пластов растворами с различными химическими ком понентами в заданных интервалах;

• и т.д.

Характеристики и принцип действия геовизора Разработанный и экспериментально опробированный скважинный геовизор может работать в сейсмическом, нижнем, среднем звуковом, ультразвуковом диа пазонах частот и на дистанциях от долей метра до 1000 метров.

Применён метод отражённых волн, распространяющихся вдоль пласта, а также параметрический метод, позволяющий преобразовать в заданную разностную час тоту до 30 - 40% излучаемой мощности. Использованные акустические преобразо ватели типа "Сапфир-25" имеют электроакустический коэффициент полезного дейсгвия до 92 - 95% и чувствительность в режиме приёма в воде 12000 - мкВ/Па и полосу пропускания от 10 до 300 кГц по уровню - 6 дБ [2,3,4].

Экспериментальные данные Исследования карбонатных отложений глубокой скважины, проведенные пер вым вариантом геовизора, показали правильность научного подхода к решению сложнейшей проблемы. Это подтверждается качеством сигналов, представленных на рис. 1.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, На волновых картинах практи чески отсутствуют помехи, на блюдается изменяемость фор мы и частоты отражённых сиг налов в дальней зоне (диапазон глубин от 10 до 30 метров, мощность сигналов накачки 150 Вт). Полученные данные свидетельствуют о том, что спектральный состав сигналов полученных при глубинном зондировании, изменяется в зависимости от типа горных пород и от их строения.

В начальной части трассы сигнала амплитуда сигнала возрастает вплоть до его огра ничения в приёмном тракте, что требует введения в прё мно-усилительный тракт сиг нала автоматических регули ровок усиления.

Рис. Литература 1. Жуланов И.Н. и др., «Опыт использования методики выделения зон приточно сти на месторождениях Пермской области», Тверь, научно-технический вест ник «Каротажник» № 67, 2000г., с.54.

2. Носов В.Н., Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук "Акустические преобразователи для геофизических работ", М., ВНИИ ядерной геофизики и геохимии, 1988 г., с. 500.

3. Носов В.Н., Виноградов В.А., Васильев Г.Г., Устройство для каротажа сква жин, а.с. 1520460, 1986 г.

4. Носов В.Н., Новые акустические преобразователи с односторонней направлен ностью колебаний для геофизических работ, М., ВНИИГеоинформсистем, 1988 г., с. 64.

5. Носов В.Н., Звуковидение околоскважинного пространства, М., АКИН РАН, Труды Х-й сессии Российского акустического общества, 2000 г., с. 170.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА УПРУГИЕ СВОЙСТВА ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПОД НАГРУЗКАМИ В.Л.Ильченко Геологический институт Кольского научного центра РАН Введение Ключевую роль в жизни Вселенной играют волновые процессы. Волновое (ультразвуковое) воздействие на металлы, уменьшающее их хрупкость, при штам повке изделий из чугуна, например, используется в промышленности [1]. Горные породы, в большинстве, являются очень хрупкими. При этом в горных массивах встречаются как хрупкие, так и пластичные виды деформаций, наблюдается склад чатость, настолько интенсивная, что кажется невероятным, будто в ее появлении участвовали только тектонические силы. Нуждается в объяснении также природа расслоенности литосферы [2]. Например, в разрезе, вскрытом Кольской сверхглу бокой скважиной (СГ-3), выявлена расслоенность в виде ритмичного чередования интервалов с различным характером разуплотненности керна [3]. Ритмичность на вела на мысль о ее волновой природе и постановке экспериментов, целью которых было установление факта организующего волнового влияния на твердеющую [4] и твердую среду, находящуюся в напряженном состоянии [5]. Была эксперименталь но смоделирована ситуация, имитирующая совокупное воздействие на твердую среду тектонических сил и периодических гравитационных волновых возмущений, обусловленных прохождением по поверхности Земли деформационных приливных волн [6]. В настоящей работе приведены результаты эксперимента по изучению воздействия ультразвука на прочностные, упругие и пластичные свойства осадоч ных горных пород – песчаников, углистых алевролитов (шунгитов) и мраморизо ванных известняков, находящихся под воздействием одноосного нагружения.

Эксперимент, результаты и их обсуждение Из проб мраморизованных известняков, песчаников и шунгитов (штуфы разме ром приблизительно 30Х30Х40 см) были изготовлены кубики с длиной ребра мм. При распиловке штуфов основное внимание уделялось единой пространствен ной ориентировке и маркировке граней: X, Y, Z, где для горизонтальнослоистых песчаников и шунгитов направления X и Y выбирались по падению и простиранию слоев, а Z – по нормали к слоистости. В отношении мраморизованного известняка направлением Z служила нормаль к горизонтальной системе трещин отдельности, X и Y – выбирались произвольно. Однородность материала контролировалась аку стополяризационным методом [7]: определялось пространственное положение эле ментов упругой симметрии, измерялись скорости распространения в образцах ультразвуковых продольных и поперечных волн. Затем образцы испытывались на прочность. Часть – без озвучивания, часть – с озвучиванием ультразвуковыми стоя чими продольными волнами разной частоты по нормали к направлению приложе Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, ния нагрузки. Стоячие волны возбуждались в образцах посредством пропускания навстречу друг другу ультразвуковых волн с одинаковыми характеристиками. Рас стояние между источниками ультразвука (толщина образца) выдерживалось строго – кратным половине длины волны. Нагружение осуществлялось с помощью гид равлического пресса по направлению Z, прозвучивание – по X или Y. В процессе испытаний фиксировались характер разрушения образцов, ориентировка трещин в них, прочность.

Затем из наиболее хорошо сохранившихся крупных обломков разрушенных образцов были изготовлены (с сохранностью первоначальной маркировки граней) кубики с длиной ребра 22-25 мм и подвергнуты повторным акустополяризацион ным исследованиям – определению пространственного положения элементов упру гой симметрии и скоростей распространения в них продольных и поперечных волн.

После чего было проведено сопоставление пространственного положения элемен тов упругой симметрии и скоростей распространения упругих волн в образцах до и после разрушения с озвучиванием и без, а также для образцов, разрушенных с оз вучиванием ультразвуком разной частоты. Установлено, что в образцах, разрушен ных без озвучивания пространственное положение элементов упругой симметрии, равно как и величины скорости распространения в них продольных и поперечных колебаний, изменились несущественно. Сопоставление тех же параметров, но для образцов, разрушенных с озвучиванием показало изменения в ориентировках эле ментов упругой симметрии и перераспределение в величинах скоростей (в квази матрицах скоростей) распространения в них продольных и поперечных волн.

Также имели место чисто внешние отличия. Образцы всех типов исследован ных пород без озвучивания проявляли один и тот же характер разрушения: с обра зованием систем обычных трещин под углом ~45о к направлению нагружения. При этом в большинстве случаев разрушение проходило в соответствии с пространст венными ориентировками элементов упругой симметрии.

Разрушение с озвучиванием показало неожиданный характер. При разрушении образовывались текстуры, напоминающие в объеме фунтиковую или con-in-cone, которые представляют собой стопу вложенных друг в друга сосудов конусовидной формы в средней части образца, изменяющейся в сторону гиперболоидной в крае вых частях. В плане это выглядит как набор не очень правильных концентрических окружностей - сепаратрис, напоминающий «полный фазовый портрет маятника» [8] или график скалярного осевого поля плотности в неоднородной среде [9]. Подоб ные структуры иногда наблюдаются в осадках (например, в алевролитах тавриче ской серии Горного Крыма). От первичной – горизонтально слоистой – текстуры осадочной породы внешне практически ничего не остается. Происходит как бы пе рерасслоение породы. Толщина конических “черепков”, на которые в итоге рас слаивается образец, составляла ~1.5 мм. Длина стоячей волны озвучивающего экс перимент сигнала была равной 3 мм. Положение границ между новыми слоями, ве роятно, совпадает с узловыми точками стоячих волн. Границы выполнены разру шенным в пыль веществом образца, поэтому имеют более светлый цвет и хорошо видны.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, Фигуры разрушения мраморизованного известняка текстур, типа фунтиковой не образуют. При разрушении известняка с озвучиванием образуется пара пирамид с квадратным основанием и ступенчатыми сходящими к их вершинам треугольны ми сторонами. Низкая пластичность известняка обусловлена, по-видимому, его сте пенью метаморфической перекристаллизованности. Установлено также, что харак тер разрушения мраморизованного известняка несколько меняется в зависимости от частоты озвучивающего ультразвука. С повышением частоты “ступенчатость” наклонных поверхностей фигур (пирамид) разрушения стирается.

Выводы По совокупности полученной информации можно сделать следующие выводы:

1) воздействие стоячей волны на объем горной породы, находящейся в стрессовой ситуации, может играть организующую роль в характере разрушения или деформа ции породы и способствовать возникновению в них новых текстур и структур;

2) расслаивание озвучиваемой стоячими волнами среды происходит по сепаратрисам, поверхности которых составлены множеством точек, являющихся узловыми для стоячих волн, контролирующих данную среду. Гиперболоидно-коническая форма сепаратрис обусловлена, вероятно, за счет одноосного нагружения образцов, в ко торых, под воздействием стоячих волн, возникла плотностная неоднородность.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №-00-05-64057.

Литература 1. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Ультразвук и пластичность.

– Минск, «Наука и техника», 1976, 448 с.

2. Тектоническая расслоенность литосферы и региональные геологические иссле дования. //Ред.: Ю.М.Пущаровский и В.Г.Трифонов. -М.:Наука, 1990, 293 с.

3. Ильченко В.Л. Природа упругой анизотропии керна Кольской сверхглубокой скважины.//Автореферат канд. дисс., С.-Пб, 2000, 16 с.

4. Ильченко В.Л. Стоячие волны как вероятная причина расслоенности литосфе ры.//Труды Х сессии Российского акустического общества.- М.: 2000, с.215 218.

5. Ильченко В.Л., Горбацевич Ф.Ф., Головатая О.С. Результаты эксперименталь ного исследования ультразвукового воздействия на пластичность и упругие свойства твердой среды под нагрузками.//Труды XI сессии Российского аку стического общества. - М.: ГЕОС, 2001, т.2, с.251-254.

6. Dobrolyubov A.I. Traveling deformation waves: A tutorial review. //Appl. Mech.

Rev., vol.44, №5, May 1991, pp. 215-254.

7. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. - Апатиты. 1995, 204 с.

8. Филиппов А.Т. Многоликий солитон. – М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1990.- с.100 – (Б-чка «Квант», вып.48).

9. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов.- М.: Наука, Гл. ред. физ.- мат. лит., 1986. С.391.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, МОБИЛЬНЫЙ ПРИЕМНО-ИЗЛУЧАЮЩИЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС В.С.Авербах, В.В.Артельный, Б.Н.Боголюбов, А.П.Марышев, Ю.К.Постоенко, В.И.Таланов Институт прикладной физики РАН В ИПФ РАН создан приемо-излучающий комплекс для расшифровки геофизи ческого рельефа и определения месторасположения подземных неоднородностей с высоким разрешением в диапазоне частот 100-800Гц. Кратко опишем аппаратуру, используемую при проведении работ, и приведем результаты, полученные в ходе обработки массива данных полевых измерений.

Мобильный приемно-излучающий комплекс располагается в автомобиле УАЗ 2206-014. Излучающая часть комплекса состоит из ЭВМ Explorer M типа Note-Book с цифро-аналоговым преобразователем модуля DAQCard-1200 (ЦАП) и фильтра НЧ (ФНЧ), усилителя мощности (УМ), излучателя (И) с трактом калибровки (рис.1), а также программного обеспечения формирования всех режимов излучения.

1 2 3 6 7 8 8 9 Рис.1 Блок-схема приемо-излучающего комплекса.

1 – цифро-аналоговый преобразователь, 2 – фильтр нижних частот, 3 – усилитель мощности, 4 – излучатель, 5 – ЭВМ, 6 – крейт-контроллер, 7 – аналого-цифровой преобразователь, 8 – сейсмоприемники, 9 – усилитель 2635 B&K, 10 – акселерометр ДГ-1.

Сигнал, сформированный в ЭВМ, поступает на цифро-аналоговый преобразо ватель модуля LC-202, затем через фильтр нижних частот на усилитель мощности и излучатель. ЦАП имеет разрешение 12 бит, имеет два буфера по 1024 слова. Ско рость считывания данных задается внутренним таймером с разрешением 16 бит.

Стабильность считывания определяется внутренним кварцевым генератором.

Основной частью приемного комплекса является та же ЭВМ Explorer M, а так же крейт LTC-36 с модулями АЦП LC-202, крейт-контроллером LC-014 и приемная сейсмическая антенна.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, Модуль LC-202 является четырехканальным прецизионным модулем АЦП с широким динамическим диапазоном и частотным диапазоном от 0 до 25,5 кГц. Ка ждый измерительный канал включает в себя 16-битный сигма-дельта АЦП, анти лайзинговый фильтр и инструментальный усилитель. Сигнальный процессор моду ля типа ADSP-2186 фирмы Analog Device обеспечивает управление аналоговой ча стью модуля, цифровую фильтрацию, а также обеспечивает протокол сбора данных и передачу их в ЭВМ через крейт-контроллер и принтерный порт. Синхронизация с излучающей частью комплекса осуществляется при помощи импульса, поступаю щего со второго канала ЦАП на внешний запуск АЦП модуля LC-202. Приемная антенна состоит из сейсмоприемников акселерометров типа СПАН-4 и согласую щего устройства. Программное обеспечение комплекса состоит из программ фор мирования и излучения сейсмоакустических сигналов, программ сбора, предвари тельной обработки, отображения и регистрации принятых сигналов.

Ниже приведены результаты, полученные в ходе предварительной обработки массива данных полевых измерений, полученных во время работ 2001г. по инже нерной сейсморазведке площадки под строительство склада пропана в районе г.

Дзержинска.

Для обнаружения сигналов отраженных и преломленных волн были пройдены два линейных профиля: длинный (профиль 3) и короткий (профиль 4), схема распо ложения профилей представлена на рис.2.

Рис.2. Схема расположения профилей.

Используемый при зондировании сигнал представлял собой последователь ность из 32-ух импульсов, следующих с интервалом 0.5 с. Длительность каждого импульса составляла три периода несущей частоты, форма огибающей – амплитуд ное окно Хэннинга, так что фактическая длительность импульса составляла при мерно полтора периода несущей частоты. Шаг расстановки геофонов на длинном профиле 3 составлял 1 м, длина профиля 64 м, несущие частоты сигналов 50, 80, 125 и 200Гц. На коротком профиле 4 шаг расстановки геофонов 0.25 м, длина про филя 8 м, несущие частоты сигналов 200, 400 и 625 Гц.

На рис.3 представлен модуль распределения ускорений на длинном профиле одного из описанных выше импульсных сигналов, а именно с несущей частотой 125 Гц. При обработке сигнала было произведено временное накопление (усредне ние) по 32-ум импульсам, а также пространственное усреднение скользящим окном по трем геофонам. На рисунке хорошо видны сигналы, соответствующие прямым, Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, отраженным и преломленным волнам. Отметим сразу, что время середины излу чаемого импульса соответствует задержке 27 мс, именно от этого значения на вре менной шкале надо отсчитывать задержки всех сигналов. Первые вступления на удалениях 1…18м от излучателя соответствуют прямым и преломленным волнам, распространяющимся со скоростями до 370 м/с в самых верхних слоях грунта. Пер вое вступление на удалениях 20…55 м от излучателя соответствует преломленной волне, распространяющейся со скоростью 1250 м/с вдоль одной из достаточно кон трастных границ раздела грунтов. Однократно отраженная от этой границы волна хорошо видна на удалениях 20…40 м и во временной области 90…130 мс (задерж ка от момента излучения 63…103 мс), фазовая скорость этой волны по мере удале ния от излучателя стремится к некоторой средней скорости волны в слое над этой границей 530 м/с. Хорошо видна также и двукратно отраженная от этой границы волна в области рисунка на удалениях 40…65 м и во временном интервале 165…210 мс (задержки 138…183 мс). В области рисунка на удалениях 40..60 м и во временном интервале 125…150 мс можно наблюдать приход еще одной прелом ленной волны, распространяющейся со скоростью 2400 м/с под следующей контра стной границей раздела грунтов на еще большей глубине.

Для определения глубин контрастных границ и толщин слоев грунта необхо димо кроме определяемых по преломленным волнам скоростей волн в слоях знать еще и временные задержки отраженных волн. Эти задержки можно определять при вертикальном зондировании (метод отраженных волн) с использованием коротких профилей с более частой расстановкой геофонов.

Tr4, F=200Hz(3) Ave 1. Distance, m 2.5 3. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time, ms Рис.3. Модуль ускорения вдоль профиля 3 для импульсного сигнала с несущей час тотой 125 Гц при длительности импульса три периода с амплитудным окном Хэн нинга. Временное накопление 32 импульса, пространственное усреднение по трем геофонам, яркостная шкала в дБ.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, Tr3, F=125Hz(3) Ave 5 Distance, m 40 45 50 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 Time, ms Рис.4. Модуль ускорения вдоль профиля 4 импульсного сигнала с несущей часто той 200 Гц, при длительности импульса в три периода с амплитудным окном Хэн нинга. Временное накопление 32 импульса, пространственное усреднение по 12-ти геофонам (по вертикальной оси отложена дистанция от излучателя до начала сколь зящего окна), яркостная шкала в дБ.

На рис.4 представлена огибающая поля ускорений на коротком профиле импульсного сигнала с несущей частотой 200 Гц. Для подавления прямых и, в том числе, поверхностных волн, и для лучшего выделения сигналов, соответствующих распространяющимся почти вертикально отраженным волнам, проведено простран ственное усреднение волнового поля скользящим окном по группе из 12-ти геофо нов. На рисунке хорошо просматриваются три прихода сигнала на временах 43, и 81 мс. Середина излученного сигнала соответствует времени 24 мс, так что эти три прихода имеют задержки соответственно 19, 34 и 57 мс. Сопоставляя эти за держки со структурой волнового поля на длинном профиле 4 (см. рис.3), можно предположить, что приход с задержкой 57 мс соответствует волне, отраженной от первой из контрастных границ, обсуждавшихся выше. Если мысленно продолжить годограф преломленной волны, скорость которой 1250м/с, в область малых удале ний от источника, то его пересечение с линией, соответствующей ближайшему к излучателю геофону, придется на временной интервал 80…90 мс, что соответствует задержке относительно излученного сигнала 53…63 мс. Именно в этот диапазон попадает и одна из задержек, наблюдаемых на коротком профиле.

Итак, предварительный анализ структуры волновых полей на длинном и ко ротком профилях, проведенный методами отраженных и преломленных волн, по зволяет построить первое приближение модели слоистой структуры грунта, которая включает себя четыре слоя, лежащих на полупространстве. Скорость сейсмической волны в полупространстве 2400 м/c, в трех слоях над ним, соответственно, 1250, 530 и 370 м/с, скорость волн в самом верхнем приповерхностном слое грунта лежит в интервале 150…250 м/c (для грунта такого же типа, на котором и проводилось данное исследование). Задержки отраженных волн от нижних границ первых трех Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, слоев составляют соответственно 19, 34 и 57 мс. Задержку отраженной волны от самой глубокой четвертой границы можно оценить следующим образом. Для этого нужно аналогичным образом мысленно продолжить годограф второй преломленной волны, скорость которой 2400 м/с, в область малых удалений от источника. Раз ность времен, соответствующих пересечениям продолжений годографов двух пре ломленных волн (со скоростями 1250 и 2400 м/с) с линией, соответствующей бли жайшему к излучателю геофону, составляет величину около 50 мс. Эта разность времен близка к удвоенному времени пробега волны в слое между контрастными границами при вертикальном зондировании. Отметим, что приход сигнала с за держкой 95…105 мс, соответствующего, по-видимому, отраженной от четвертой границы волне, также достаточно хорошо наблюдается на распределении огибаю щей волнового поля во временном интервале 120…130 мс.

Время пробега волны при вертикальном зондировании через каждый слой рав но половине разности задержек волн, отраженных от нижней и верхней границы этого слоя, и составляет для каждого из слоев (отсчитывая слои сверху вниз) вели чину 9.5, 7.5, 11.5 и 25 мс. Зная скорость волны в каждом слое, для толщины слоев получаем следующие оценки: 2, 2.5, 6 и 30 м, а для глубины залегания границ, соответственно, 2, 4.5, 10 и 40 м. На рис.5 представлено первое приближение модели слоистой структуры грунта с указанием глубины границ и скоростей волн в слоях. Заметим, что модель слоистой структуры приповерхностной части грунта (а именно, число слоев, их толщина и скорости волн в них) может уточняться при ана лизе структуры волнового поля при вертикальном зондировании сигналами с более высокой несущей частотой, обеспечивающей лучшие разрешение и точность.

Рис.5. Первое приближение модели слоистой структуры грунта с указанием глуби ны границ и скоростей волн в слоях.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 02-02-17089).

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, МОДЕЛИРОВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ВЗРЫВНОМ НАГРУЖЕНИИ ГРУНТОВОГО ПОЛУПРОСТРАНСТВА В.Г.Баженов, В.Л. Котов, А.В. Кочетков, С.В.Крылов НИИ механики Нижегородского госуниверситета Введение Исследование вопросов сейсмобезопасности взрывных работ является актуаль ной задачей. Моделирование волновых процессов в дальней зоне взрыва, когда взрывные волны вырождаются в упругие, невозможно без подробного исследова ния волновых процессов в ближней зоне, где проявляются нелинейные свойства грунтов – пластичность, вязкость и т.д. Поэтому моделирование сейсмического эф фекта взрыва является комплексной проблемой.

В предлагаемом докладе излагаются основные положения численной методики расчета взрывных процессов в грунтовых средах. Нелинейные уравнения упруго пластической среды интегрируются в подвижных эйлерово-лагранжевых сетках вблизи заряда взрывчатого вещества (ВВ) и на неподвижных сетках в дальней зоне.

Используются широкодиапазонные уравнения состояния грунтов, описывающие как их упругое поведение, так и нелинейную сжимаемость, объемную и сдвиговую пластичность. Результаты расчетов сравниваются с известными теоретическими и экспериментальными результатами.

Основные уравнения Осесимметричная задача взрыва заряда ВВ в грунте формулируется в цилинд рической системе координат хОу. Ось Ох является осью вращения, ось Оу проходит перпендикулярно к ней вдоль свободной поверхности полупространства грунта.

Система уравнений динамики грунтовой среды в стандартных обозначениях выгля дит следующим образом [1] (),t+(u),x+(),y=-()/y, (u),t+(u2+p-sxx),x+(u -sxy),y=-(u-sxy)/y, (),t+(u -sxy),x+(2+p-syy),y=-(2-syy-s)/y, DJsxx+sxx=2G(2u,x-,y-/y)/3, DJsxy+sxy= G(u,y+,x), DJsyy+syy=2G(2,y-u,x-/y)/3.

Для описания объемной сжимаемости грунта вводится параметр * - максимальная плотность, достигнутая в процессе активного нагружения грунта. При активном на гружении полагается * =, разгрузка и повторная догрузка описывается уравне Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, нием d*/dt = 0, где d /dt – полная производная по времени. Критерий сдвиговой пластичности для частиц грунта определяется как функция р sij sij / 2 = F(p) Соотношения между давлением и плотностью принимаются в виде f1 ( ), dp dt ( ) p= * f 2,, dp dt Первое уравнение представляет собой ударную адиабату (УА), второе уравнение задает кривую разгрузки от достигнутой максимальной плотности *.

Для решения задач применялась явная разностная схема Годунова [2] первого порядка точности, сочетающая подходы Лагранжа и Эйлера к описанию движения сжимаемой среды.

Результаты расчетов В работе представлены результаты расчетов действия взрыва в песчаном грун те при различных глубинах заложения заряда. Уравнение состояния песка, предло женное в [1], схематично показано на рис. 1. Кривые 1, 2 соответствуют экспери ментальным результатам, пунктиром нанесен аппроксимирующий полином [1], кривая 3 соответствует разгрузочной ветви диаграммы. Для тестирования состав ной УА был проведен расчет взрыва сферического заряда ВВ (ТНТ) в песчаном грунте. Результаты сравнения тестовых расчетов с экспериментальными данными [3] для песка различной структуры приведены на рис.2.

Рис. 1 Рис. Экспериментальные зависимости [3] максимумов радиальных напряжений от расстояния, отнесенного к радиусу заряда ВВ (r0 = 5,2 см), соответствуют песку не нарушенной структуры (кривая 1 на рис. 2) и нарушенной (кривая 2). Результаты численных расчетов показаны точками и находятся в удовлетворительном соответ ствии с данными эксперимента. В эксперименте отношение тангенциальных на пряжений к радиальным (коэффициент бокового давления) изменялось в диапазоне 0,3 - 0,4. В численных расчетах требуемое отношение удовлетворяется при модуле сдвига 60 - 100 МПа для песка ненарушенной структуры и 20 - 40 МПа для песка нарушенной структуры естественной влажности.

Также производились расчеты действия камуфлетного взрыва в слоистом грун те. Глубина заложения заряда ВВ массой 1 кг составила 0,5 м, глубина слоя песка – Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, 1,5 м. Водонасыщенный суглинок характеризуется отсутствием сдвиговых напря жений, отношение скоростей звука в суглинке и песке равно 3. На рис. 3, 4 показа ны распределения давлений на моменты времени 5,5 и 8,5 мс. Штрихпунктирными линиями показаны границы полупространства грунта и полость, образованная про дуктами детонации.

Рис. 3 Рис. Решение данной задачи в рамках предложенной методики наталкивается на оп ределенные трудности, связанные со значительными размерами областей. Приме нение данного полного метода расчетов целесообразно для изучения переходных процессов формирования сейсмического импульса – учет взаимодействия со сво бодной поверхностью, отражениями от границ раздела слоев. Для описания даль нейшего распространения сигнала желательно применение упрощенных моделей и аналитических методов.

Благодарности Работа выполнена в рамках Программы поддержки ведущих научных школ России (код проекта 00-15-99029), грантов Российского фонда фундаментальных исследований (коды проектов 01-01-00556, 02-01-06420) и гранта Минобразования РФ в области фундаментального естествознания (№ Е 00-12.0-99).

Литература 1. Баженов В.Г., Котов В.Л., Кочетков А.В. и др. Исследование волновых процес сов в грунтовой среде при взрыве накладного заряда. // Изв. РАН. МТТ. № 2.

2001. С. 70- 2. Абузяров М.Х., Баженов В.Г., Котов В.Л. и д.р. Метод распада разрывов в ди намике упругопластических сред // ЖВМ и МФ. Т. 40. № 6. 2000. С. 940-953.

3. Рыков Г.В. Экспериментальное исследование поля напряжений при взрыве в песчаном грунте // ПМТФ. 1964. № 1. С.85-89.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, ОБ ОСОБЕННОСТЯХ РАБОТЫ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ В СКВАЖИНЕ Д.А. Касьянов НИРФИ Проблеме излучения различного типа упругих волн из скважины в массив по священо значительное количество работ. В основном решаются задачи так или ина че связанные с акустическим каротажем. Существуют также работы, где рассмат риваются дифракционные поля, создаваемые скважинными акустическими источ никами в массиве, причём чаще всего исследуются задачи с идеальными гранич ными условиями, а решения ищутся в зоне дифракции Фраунгофера. В [1] излуче ние скважинным акустическим прибором упругих волн в горный массив описыва ется с помощью задания упругих напряжений на внутренней поверхности цилинд рической скважины, в [2] с помощью задания радиальных смещений. В [3] учиты вается существование водяного слоя между скважинной протяжённой акустической антенной и внутренней поверхностью скважины, однако, на поверхности антенны задаются радиальные смещения. Таким образом, в известных работах принципи ально не рассматривается тот факт, что собственный импеданс излучающей антен ны конечен и зависит от многих факторов, таких как импеданс окружающего про странства, материал из которого выполнен излучатель и т.д. Целью данной работы является исследование оптимальных условий возбуждения упругих волн в горном массиве протяжённой пьезокерамической антенной, находящейся в скважине, кото рая заполнена жидкостью.

Рассмотрим следующую модель. Пусть в безграничной изотропной однород ной упругой среде находится бесконечная круговая цилиндрическая полость радиу сом r2, заполненная идеальной сжимаемой жидкостью, которая характеризуется своей плотностью f и скоростью звука cf. В полости осе симметрично находится протяжённая пьезокерамическая антенна с внешним радиусом r1 и внутренним ра диусом r3, геометрия коаксиальной системы «антенна - жидкий слой – массив»

представлена на рис.1. Пьезокерамика, из которой состоит антенна, характеризует ся плотностью C, скоростью распространения продольных волн в стержне c1E, пьезоэлектриче ским модулем d31 и модулем гибкости s11E. Счита ем, что пьезокерамическая антенна совершает осе симметричные колебания, поляризацию пьезоке рамики предполагаем радиальной. Антенна возбу ждается переменным электрическим напряжением U=U0f(z), где f(z)-нормированное распределе ние электрического напряжения вдоль образующей Рис. протяжённой цилиндрической антенны.

Для расчёта движения пьезокерамических преобразователей часто использует ся метод эквивалентных электромеханических схем [4], который позволяет выра зить в явном виде скорость движения границы преобразователя и корректно запи Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, сать после этого граничные условия дифракционной задачи. Следуя результатам работы [5], получим интересующую нас приближённую, при k(r1-r3)1, эквива лентную схему протяжённой пьезокерамической антенны, см. рис.2. Эквивалентная схема получена при предположении мало сти диэлектрических потерь в пьезокерами ке, считалось также, что полностью ском пенсирована статическая ёмкость антенны, например, введением внешней индуктивно сти, что соответствует практике согласова Рис. ния пьезокерамических антенн с генерато ром [6]. На рис.2 введены следующие обо значения: Z2=in2/(Ca), Z3=2iCra, Z4=2/(iras11E), n=2d31/s11E, Zl – импеданс, создаваемый нагрузкой, rml – погонное сопротивление механических потерь, импе данс Z2 учитывает прямой пьезоэффект, Ca – погонная ёмкость, ra и - соответст венно средний радиус и толщина стенки пьезокерамического цилиндра. Используя определение коэффициента электромеханической трансформации n (см., например, [4]), получим, что величину колебательной скорости поверхности цилиндра можно выразить следующим образом: V=nU/(Zl+Zm), где Zm=Z2+Z3+Z4+rml, направление вектора скорости совпадает с направлением нормали к поверхности цилиндра, по ложительное направление нормали совпадает с осью r на рис.1. Импеданс, созда ваемый нагрузкой Zl, равен отношению силы действующей со стороны внешней среды на излучающую поверхность к скорости этой поверхности. Результирующая удельная сила, действующая на внешнюю границу пьезокерамического цилиндра равна давлению в жидкости на той же границе взятому с обратным знаком. Вос пользуемся также условием неразрывности нормальной составляющей колебатель ной скорости на поверхности цилиндра и перепишем выражение для V в виде:

Vf=nU/(Zm-(Pf /Vf)), где Pf и Vf – соответственно давление и скорость в жидкой сре де на границе пьезокерамического цилиндра. Далее введём потенциал смещения в жидкости, при этом Pf=-f( 2/ t2), Vf=( / t), зависимость от времени опре деляется множителем e-it. Сделав небольшие преобразования получим следующее соотношение, выполняющееся на границе r1:

U f (z )n f = + (1) i Z m iZ m Выражение (1) является тем необходимым граничным условием, с помощью кото рого можно сформулировать интересующую нас дифракционную задачу о распро странении упругих волн в массиве, при возбуждении их протяжённой пьезокерами ческой антенной, находящейся в скважине.

В работе [3] при изучении влияния жидкого слоя на процесс излучения протя жённой антенны из скважины считалось, что на границе r1 выполняется условие вида: =u0f(z), где u0 – амплитуда начальных смещений на поверхности антенны.

Подобная идеализация, при задании условия неразрывности нормальных состав ляющих смещений и напряжений и равенства нулю касательных напряжений на Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, внутренней границе скважины, приводит к очевидному результату: резонансные значения волновой толщины жидкого слоя, находящегося между антенной и внутренней стенкой скважины практически совпадают с величиной m, где m – це лые числа, начиная с нуля. Фактически, в этом случае реализуется полуволновой резонанс коаксиального жидкого слоя, заключённого между двумя абсолютно жё сткими цилиндрическими границами. В случае выполнения более реальных гра ничных условий (1) значение величины начинает существенно зависеть от элек тромеханических параметров пьезокерамической скважинной антенны, которые меняются в зависимости от частоты. На рис.3, на примере антенны из [6], представ лена эволюция величины, соответ ствующей первому резонансному прохождению акустической энергии от антенны в массив, в зависимости от частоты возбуждения антенны.

При уменьшении волнового размера kr1 происходит переход к известной Рис.3 задаче об излучении точечного источ ника в скважине [7], где выполняется условие J1()0 (3,82). Эквивалентная схема на рис.2 уже не работает в облас ти второго радиального резонанса пьезокерамического цилиндра, несмотря на воз можное сохранение условия k(r1-r3)1 [5]. Таким образом, для рассматриваемой в качестве примера антенны мы ограничены верхней частотой порядка 25 кГц. Тем не менее, закономерно стремится к нулю при увеличении относительных волно вых размеров стенки излучающего цилиндра, т.е. описывается предельный переход к задаче из [3].

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 00-02-16156.

Литература 1. Васильев Ю. И. // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1968, №1, с. 2. Крутин В. Н., Ямщиков В.С. // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1971, №10, с. 3. Крутин В. Н., Кузнецов О. Л. и др. // В кн. Ядерно-геофизические и геоакусти ческие исследования скважин на нефть и газ. - М.: ВНИИЯГГ, 1977, с. 4. Подводные электроакустические преобразователи-Л.:Судостроение, 1983,248с.

5. Дианов Д. Б., Кузьменко А. Г. // Акуст. журн. 1970. Т.26. №1. С. 42-48.

6. Касьянов Д. А., Шалашов Г. М. //в Трудах XI Сессии РАО, т.2. М.: ГЕОС, 2001, с. 7. Крауклис П. В., Крауклис Л. А. // в кн. Вопросы динамической теории распро странения сейсмических волн. Вып. 16. Л.: Наука, 1976, с. Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, ВОЗБУЖДЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ПОЛУОГРАНИЧЕННЫХ УПРУГИХ СРЕДАХ А.В.Разин Научно-исследовательский радиофизический институт При решении задач сейсмической локации и неразрушающего ультразвукового контроля материалов возникает необходимость исследования процессов возбужде ния и распространения акустических и упругих волн вблизи границы раздела газо образного и твердого полупространств при наличии в последнем локализованной подповерхностной неоднородности или поверхностного дефекта ограниченных размеров. В борновском приближении метода возмущений задача рассеяния волн может быть сформулирована как задача излучения путем введения эффективных источников рассеянных волн («вторичных источников»). Конфигурация вторичных источников и характеристики их излучения определяются формой и внутренней структурой исследуемой неоднородности и параметрами зондирующего волнового поля. В связи с этим представляет интерес задача о возбуждении волн в твердом полупространстве находящимися в нем произвольными силовыми источниками.

Более простой является теория локации поверхностных неоднородностей твер дых тел (шероховатостей, локальных изменений плотности или модулей упругости в тонком по сравнению с характерными длинами упругих волн приповерхностном слое), поскольку поля рассеянных волн в этом случае возбуждаются вторичными источниками, находящимися на границе раздела сред.

В настоящей работе в интегральном виде получено решение задачи о возбуж дении упругих волн в однородном изотропном твердом полупространстве и в гра ничащем с ним однородном газе зависящими от времени силами, произвольно рас пределенными по некоторой площадке ограниченных размеров, которая параллель на границе твердое тело – газ. Подробно рассмотрен частный случай точечного гармонического подповерхностного источника, действующего перпендикулярно границе раздела сред.

Пусть плоскость z=0 декартовой системы координат совпадает с границей раз дела однородного газа, имеющего плотность 1 и скорость звука c1 и заполняющего полупространство z0, и однородного изотропного твердого тела, занимающего полупространство z0 и характеризуемого плотностью 2 и скоростями продольной cl и поперечной ct волн. На единицу плоскости z=h действует сила f(x,y,t), где t – время. Смещения в упругой среде описываются уравнением Ламэ, а волновые дви жения в газе – линеаризованной системой уравнений гидродинамики.

Возмущения в газе удобно характеризовать скалярным потенциалом смеще ний, а в твердом теле – скалярным и векторным потенциалами смещений. Для по тенциалов получаются волновые уравнения, которые следует решать методом пре образований Фурье по времени и по горизонтальным координатам с учетом гра ничных условий на поверхности контакта газообразной и упругой сред и условий излучения. Это приводит к интегральным выражениям для потенциалов. Например, потенциал смещений в газе имеет вид:

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, [ ] S0 1(k ){(kt2 2k 2 )ei l h 2 l t ei t h (Fx k x + Fy k y ) 1 (x, y, z, t ) = 2ct ]} ( [( ) ) l kt2 2k 2 eilh + 2k 2eith Fz exp it + ikx x + iky y i1z d dkx dky, (1) где интегрирование проводится в бесконечных пределах, S0(k)=R0(k)+kt4 l/1, R0(k)=(kt2-2k2)2+4k2 l t, 1,l,t=(k1,l,t2-k2)1/2, =1/2, k1,1,l=/c1,l,t, F(kx,ky,) – спектр силового источника.

Интеграл (1) имеет полюса, определяемые из решения уравнения S0(k)=0 и свя занные с излучением волн Рэлея и Стонели. При условии c1cR, где cR - скорость рэлеевской волны на границе твердое тело – вакуум (соответствующее ей волновое число kR определяется из уравнения Рэлея R0(k)=0), уравнение S0(k)=0 имеет один действительный корень kS, соответствующий поверхностной волне Стонели [1].

Второй корень этого уравнения является комплексным. Этому корню соответствует вытекающая псевдорэлеевская волна, амплитуда которой экспоненциально спадает вдоль границы раздела газообразной и упругой сред.

Отметим, что выражение (1) может быть использовано как для расчетов аку стических полей, возникающих в газе при рассеянии упругих волн на подповерхно стных включениях, так и для оценок возмущений, возникающих в ионосфере вслед ствие воздействия акустической волны, возбуждаемой мощными подземными сейсмическими источниками искусственного или естественного происхождения.

В случае гармонических источников интегралы Фурье, описывающие потен циалы в упругой среде, могут быть оценены в волновой зоне методом стационар ной фазы. Это позволяет проанализировать как поля смещений, так и диаграммы направленности излучения. Средняя за период волны мощность излучения вычис ляется путем подсчета потока энергии через поверхность полусферы большого по сравнению с длиной волны радиуса, содержащей источник внутри себя. Мощность излучения поверхностных волн удобнее вычислять методом реакции излучения.

При анализе энергетических характеристик волн в газе необходимо учитывать, что, как показано в [2] для частного случая точечного поверхностного источника, получаемое из потенциала смещений (1) выражение для мощности излучения опи сывает как сферическую акустическую волну, так и вытекающую псевдорэлеев скую волну.

Для случая гармонических силовых источников произвольной конфигурации, действующих на границе твердое тело – вакуум, поля и мощности излучения про дольных, поперечных и рэлеевских волн вычислены в работе [3]. Выражения для энергий излучения произвольных импульсных источников получены в [4].

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, Рассмотрим ситуацию, когда распространяющаяся вертикально вниз гармони ческая продольная волна рассеивается на находящемся на глубине z=h малом по сравнению с длинами волн включении, плотность которого незначительно отлича ется от плотности фоновой среды. В борновском приближении метода возмущений можно считать, что рассеянное поле создается точечным гармоническим источни ком, действующим на глубине z=h по нормали к границе раздела газообразной и упругой сред. Амплитуду f0 такого источника нетрудно выразить через поле па дающей волны и разность плотностей среды и рассеивателя. Поля рассеянных объ емных волн на больших расстояниях от источника находятся методом стационар ной фазы.

Мощность поверхностной волны Стонели дается выражением:

( ) 2 k S k l2 h k S k t2 h W (h ) = W (0) 2k S kt2 e 2k S e kt f 02 3 k s k S kl где WS (0 ) = — мощность волны Стонели, возбуждаемой по 4 2 ct4 S 0 (k S ) верхностным источником амплитуды f0 [5]. Аналогичной формулой описывается мощность излучения волны Рэлея в отсутствие газа над твердым телом (все симво лы «S» нужно заменить на «R»).

Мощности излучения продольной и поперечной сферических волн в твердом теле и суммарная мощность излучения сферической акустической волны и выте кающей псевдорэлеевской волны даются интегральными выражениями, которые здесь не приводятся из-за их громоздкости.

Полученные формулы позволяют исследовать распределение мощности излу чения по различным типам волн при изменении глубины источника.

Литература 1. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 343 с.

2. Разин А.В. Излучение поверхностной и вытекающей волн на границе раздела твердое тело – газ // Изв.вузов. Радиофизика, т.45, №4.

3. Докучаев В.П., Разин А.В. Возбуждение упругих волн в однородном полупро странстве поверхностными источниками // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1990, №10, с.81-87.

4. Орлов А.Л., Разин А.В. Возбуждение упругих волн в полупространстве неста ционарными поверхностными источниками // Изв. РАН. Физика Земли, 1993, №2, с.78-82.

5. Разин А.В. Об излучении волн Стонели нормальным к границе газ – твердое тело гармоническим силовым источником // Изв. АН СССР. Физика Земли, 1991, №12, с.100-104.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ СЕЙСМОИЗЛУЧЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Е.Я.Бубнов, В.В Гущин Научно-исследовательский радиофизический институт Железнодорожный транспорт является одним из интенсивных источников сейсмического излучения в низкочастотном диапазоне частот (от нуля до несколь ких десятков герц). Уникальность такого генератора определяется прежде всего разнообразием физических механизмов излучения.

Необходимость исследований железнодорожного состава как сейсмического излучателя вызвана прежде всего проблемой борьбы с акустическим загрязнением среды, поиском эффективных параметров диагностики состояния движущихся час тей поезда и полотна дороги, мониторинга состояния среды, использования уни кального источника возбуждения объемных волн для задач сейсмической разведки.

С этой целью в работе дается теоретический анализ некоторых механизмов сейсмического излучения железнодорожного состава в различных диапазонах час тот.

Исследованиям упругих полей железнодорожного транспорта посвящено дос таточно много работ (см., например, [1-2]). Тем не менее, полного анализа возмож ных механизмов сейсмического излучения в этих работах не дается.

Источниками возникновения сейсмических колебаний при движении поезда являются статические и нестационарные силовые нагрузки, физические причины возникновения которых объясняются следующим образом.

Одной из возможных причин создания колебаний в грунте является воздейст вие со стороны поезда на твердую среду вертикальной силы тяжести. Эти силы но сят статический характер и вызывают деформацию железнодорожного полотна и грунта в окрестности прохождения поезда. В случае неподвижного состава для фиксации таких деформаций необходим датчик статических деформаций. Факт движения железнодорожного состава приведет к появлению в спектре смещений грунта переменных компонент сейсмического сигнала, обусловленных нестацио нарным характером сил в связанной с приемником системе координат.

Оценим характерную величину длительности t импульса силы, вызванного движущимся со скоростью v железнодорожным составом длиной l по формуле t=l/v (1) При средней длине поезда 500 м и скорости 90 км/час, характерное время из менения нагрузки на полотно составляет 20 с и максимальная величина смещений грунта будет наблюдаться в полосе частот 0-0.05 Гц.

Оценим при этом величины смещений на поверхности грунта, вызванных ве сом действующим на колесную пару груженого четырехосного вагона грузоподъ емностью 80 т. Для вычисления вертикальной компоненты смещения воспользуем ся формулой, полученной в работе [3].

uz =F(1- 2)/Er, (2) Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, где uz-вертикальная деформация грунта, F-величина силы, E-модуль Юнга (для грунта этот параметр изменяется от 108 до 1010 н/м2), -коэффициент Пуассона.

Значение коэффициента Пуассона изменяется от 0.25 до 0.5 при переходе от твер дого к водонасыщенному грунту.

Подставляя в формулу (2) известные значения F, E, получаем, что на рас стоянии r = 10 м от полотна дороги величина смещения вертикальной компонент сухого грунта составляет соответственно 59 мкм для рыхлых пород и 0.59 мкм для твердых пород. Такие величины смещений вполне доступны для регистрации имеющимися сейсмическими станциями.

Постоянная нагрузка поезда в виде силы тяжести может вызвать генерацию распространяющегося сейсмического поля. Этот механизм, именуемый в электро динамике как переходный, возникает за счет движения постоянной силы по неод нородному пространству. В качестве характерной неоднородности среды могут вы ступать шпалы, лежащие на балласте. Характерная частота изменения сейсмиче ского сигнала, определяемая формулой (1), составляет 36-50 Гц (l=0.5-07 м расстояние между шпалами, v = 90 км/час –скорость движения).

Кроме того, генерация волновых сейсмических полей статической нагрузкой поезда возможна за счет так называемого в электродинамике «черенковского» ме ханизма. Действие этого механизма проявляется в том случае, если скорость дви жения постоянной нагрузки больше минимальной скорости распространения сейс мических волн. На практике эти условия могут выполняться: скорости движения скоростных поездов достигают 50-100 м/с, а скорость распространения мод поверх ностной волны для некоторых типов грунтов может составлять 40-70 м/с. Для сейсмических волн, обусловленных этим механизмом, характерным является нали чие ударной N –волны. Длительность сейсмического импульса связана при этом с длиной железнодорожного состава и при указанных выше скоростях движения по езда составляет 7-14 с. В настоящей работе не даются теоретические оценки сейс мических возмущений, вызванных указанными выше двумя механизмами Существуют и другие источники возбуждения сейсмических волн, обуслов ленные техническими особенностями подвижного состава и представляющие инте рес для диагностики возможных неисправностей. Так неоднородный прокат колеса может привести к его несбалансированности и, соответственно, к формированию переменных силовых нагрузок, действующих на железнодорожное полотно. Несба лансированность колеса можно заменить эквивалентным действием приведенной к ободу массы дисбаланса mдб, которая создает центробежную силу. Фактическая ве личина силы дисбаланса вагонных колес может достигать 300 Н. Для данного ме ханизма характерным является гармонический вид изменения силовой нагрузки на грунт.

Кроме того, при эксплуатации вагонных тележек окружность колеса с течени ем времени преобразуется в эллипс. При вращении колеса с такой поверхностью качения возникают переменные силы, спектр которых определяется формой откло нения поверхности колеса от окружности и может содержать в своем составе набор кратных гармоник.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, При экстренном торможении колеса юзом на поверхности качения может обра зоваться ползун (хорда). В этом случае при движении состава возникает ударный процесс качения поверхности колеса по головке рельса. Из-за периодического ха рактера процесса качения колеса спектр силовых нагрузок, действующих со сторо ны колеса на грунт, представляет гармонический ряд Фурье.

Основная частота изменения перечисленных выше силовых нагрузок зависит от скорости движения состава, радиуса колеса и равна f = v/2rk, (3) где rk- радиус колеса.

При скорости движения поезда, равной 90 км/час, и радиусе колеса, равного 0.5 м, основная частота изменения силы составляет 7.9 Гц.

Для оценки величин амплитуд волновых возмущений, создаваемых данными механизмами воспользуемся формулой работы [4].

v z = 5 2 2 e c R r, (5) 0.075F cR r где F-амплитуда силового воздействия, - плотность грунта, CR- скорость по верхностной волны Релея, - декремент затухания, r-расстояние до источника. На рисунке приведено спектральное распределение амплитуд вертикальной компонен ты поверхностной волны на расстоянии 25 м от полотна дороги. Расчетные пара метры имели следующие значения: =2000 кг/м3, CR =200 м/с, =0.03, F =300 Н.

Учитывая то, что спектр окружающих сейсмических шумов имеет, как прави ло, спадающий с ростом частоты характер, для диагностики неисправностей колес ной группы необходимо использовать высокочастотные составляющие спектра сейсмического сигнала.

8. Кроме перечисленных выше источников v, mkm/c генерации сейсмических сигналов поезда следует рассмотреть механизм взаимодейст вия движущегося состава с регулярными и 4. случайными неровностями железнодорожно го пути. Как показывает практика, этот меха низм создает интенсивные сейсмические сиг f, Gz 0. налы в грунте и будет исследован в дальней ших работах.

0.00 20.00 40. Литература 1. T. M. Dawn. // J. Sound and Vibration. 1983. V.87. N2. P.351-356.

2. T. Fujikake // J. Sound and Vibration. 1986. V.111. N3. P. 357-360.

3. Рекач В.Г. Руководство решения задач по теории упругости. - М.: Высшая школа, 1977, 215 с.

4. Отчет по НИР «Штихель». НИРФИ, Н. Новгород. 1991.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РОТАЦИОННОЙ КОМПОНЕНТЫ ИМПУЛЬСА, РАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ В РЫХЛОМ ГРУНТЕ В.В. Гущин, А.И. Потапов1), С.Н. Рубцов Научно-исследовательский радиофизический институт, 1) Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН Введение Экспериментальные исследования распространения волн в средах с мезострук турой [1,2] указывают, что в них при определенных условиях могут распростра няться новые типы волн. Скорости распространения этих волн существенно отли чаются от скоростей продольных и сдвиговых волн в твердом теле и не могут быть рассчитаны в рамках классической теории упругости. Для объяснения подобных феноменов привлекаются более сложные модели сплошных сред, учитывающие ро тационные степени свободы частиц среды [3-5].

Так в работе [3] на основе модели континуума Коссера была предпринята по пытка объяснения генерации низких частот (субгармоник), наблюдавшихся в рых лом грунте [6]. В работе [5] предложена одномерная модель гранулированной сре ды, в которой показано, что скорости продольной, сдвиговой и ротационной волн в такой среде зависят от пористости (рыхлости) среды и формы гранул.

Типичным примером среды со сложной структурой является верхний слой грунта, в котором наряду с продольными и поперечными волнами могут возбуж даться колебания связанные с микроповоротами его фрагментов. В работе [7] про ведено экспериментальное исследование условий генерации в грунте субгармоник излучаемого колебания. Возникшие субгармоники на основании выводов работы [2] отождествлялись с волнами микроповоротов. Тем не менее, остается вероят ность, что они являются продуктом нелинейного преобразования излученного ко лебания упруго-вязкой средой. Однако в этом случае их скорость распространения не должна отличаться от скорости других спектральных составляющих импульса, так как дисперсия Р-волн мала.

Для определения природы возникновения субгармоник в настоящей работе предпринята попытка определения скорости распространения низкочастотных (субгармонических) колебаний в грунте и ее зависимости от структуры грунта.

Методика проведения эксперимента Эксперименты проводились в геобассейне НИРФИ. Глубина геобассейна – 1 м, грунт – сухой слежавшийся суглинок, в котором размещены акселерометры. Один из них помещен непосредственно под источником сигнала, два других на глубинах 30±1 см и 60±1 см. Источником сигнала являлся пьезокерамический стержневой вибратор с резонансной частотой 2.9 кГц и шириной полосы 0.1 кГц. по уровню 0.7.

Возбуждение вибратора проводилось коротким (два периода несущей частоты) вы сокочастотным импульсом с несущей на резонансной частоте вибратора. Колеба ния, принятые акселерометрами, усиливались и поступали на цифровой накопи Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, тель, где проводилось синхронное суммирование 100 – 200 импульсных посылок.

Параметры накопителя: длительность фиксируемой реализации 2048 точек, период квантования сигнала 10 мкс, разрядность входного АЦП –11, разрядность памяти – 24. Сигнал с накопителя записывался в ПК.

Поскольку эксперименты проводились длительное время, грунт под весом ис точника со временем уплотнялся, его параметры менялись [8], таким образом, без изменения блок-схемы установки плавно менялся объект исследования.

Малая глубина геобассейна не позволяла пространственно разделить компо ненты импульса распространяющиеся с разными скоростями. Поэтому, для измере ния скоростей распространения спектральных компонент импульсного колебания проводилась фильтрация сигналов принятых на разных глубинах полосовым фильтром образованным ВЧ и НЧ фильтрами Баттерворда 8го порядка. Полоса пропускания фильтра была выбрана равной 100 Гц. Определение скорости распро странения отфильтрованных компонент проводилось по построенному для каждого случая годографу скорости.

Погрешность измерения скорости распространения волн оценивалась как 7% по ВЧ и 10% по НЧ- колебаниям (более плавные кривые затрудняют определение момента прихода). Каждое полученное значение скорости – результат усреднения двух-трех измерений.

Эксперимент Проведенные по описанной выше методике измерения показали, что скорость распространения в грунте колебаний с частотами в диапазоне 0.9 – 1.0 кГц отлича ется от скорости распространения колебаний других частот. На рис. V, м/с дано распределение фазовых скоростей отдельных спектральных составляющих импульса для рыхлого грунта. Наблюдается уменьшение скорости в районе частот субгармоники. Отметим, что подобная немонотонная зависимость фазовой скорости от частоты характерна для волн в среде с F, Гц внутренними колебательными степенями свободы. К ним относятся 500 1000 1500 2000 2500 упругие среды с порами Рис.1 заполненными газом или жидкостью [9] и жидкости с пузырьками газа.

Это позволяет предположить, что сейсмоколебания на частоте субгармоники отно сятся к волне микровращений (ротационные волны).

На рис.2 приведен график отражающий соотношение величин скоростей рас пространения Р-волн и колебаний на частоте субгармоник в грунте различной Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, плотности. Из графика Vсубгарм./Vнес. видно, что с ростом ско 1. рости распространения 1. Р-волн (уплотнением 1. грунта) растет относи 1. тельная величина скоро 1. сти распространения ро 0. тационных колебаний.

0. Начиная с некоторого 0. значения плотности 0. грунта, скорость распро V нес., (м/с) 0. странения волн микро вращений превышает 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Рис.2 скорость распростране ния Р-волн. Подобный же эффект наблюдался в экспериментах в искусственно созданных гранулирован ных материалах (алюминиевая дробь в эпоксидной матрице) [10]. Это согласуется и с теоретическими данными работы [5], где отмечается, что переупаковка частиц в гранулированных материалах может приводить к существенному увеличению ско рости волны микровращений.

Работа проведена при частичной финансовой поддержке ФЦП «Интеграция» и грантов РФФИ №№ 00-05-64429, 00-02-16582 и 01-01-00386.

Литература 1. Гик Л.Д. // Физическая мезомеханика. 1998. Т.1, №2. С.101.

2. Потапов А.И., Родюшкин В.М. // Акустический журнал, 2001, т.47, №3. С.347.

3. Динариев О.Ю., Николаевский В.Н. // Докл. РАН, 1997, т.352, №5. С.676.

4. Eringen A.C. Microcontinuum Field Theories. 1: Foundation and solids. Springer Veralg, New York Inc., 1999. 342 p.

5. Лисина С.А., Потапов А.И., Нестеренко В.Ф. // Акустический журнал, 2001, т.47, №5. С.685.

6. Гущин В.В., Заславский Ю.М., Рубцов С.Н. // Препринт №395, НИРФИ, Н.Новгород. 1994. 20 с.

7. Гущин В.В., Кудрявцев В.А., Рубцов С.Н. // Физика Земли, 2001, №10. С.56.

8. Гущин В.В., Заславский Ю.М., Рубцов С.Н. // Физика Земли, 1997, №12. С.68.

9. Наугольных К.А., Островский Л.А.// Нелинейные волновые процессы в аку стике. М: Наука, 1990. 237с.

10. Gauthier R.D. // Mechanics of Micropolar media. World Scientific, Singapore, 1982.

P.395.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА НА РЕЗУЛЬТАТЫ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА М.В. Тарантин Горный институт УрО РАН Введение Одно из применений акустических полей – использование их параметров при исследовании горных пород в процессе геофизических исследований скважин. Аку стический каротаж в настоящее время получил широкое распространение и в боль шинстве геофизических служб вошел в стандартный комплекс каротажных иссле дований, поскольку несет объективную физическую информацию о вскрытых сква жиной горных породах – информацию о скоростях упругих волн в них [1].

По определяемым характеристикам можно судить о структуре породы, в част ности о наличии в ней неких неоднородностей, аномальных зон. Однако выводы можно делать лишь при условии, что известно решение т.н. прямой задачи (извест но поле при заданной конфигурации системы скважина-прибор). Данная работа по священа решению прямой задачи с тем, чтобы потом можно было делать предпо ложения о виде решения обратной задачи (получение характеристик системы сква жина-прибор по известному полю).

Очень часто ствол скважины пересекает большое количество слоев горных по род с различными физическими параметрами. Необходимо найти наиболее простой путь для выделения этих слоев из всей толщи. Кроме этого нередко в месте пересе чения скважиной слоя слабой породы образуются каверны. Все эти факторы опре деленным образом влияют на каротажные данные. Определяемые по результатам каротажа параметры пород так же подвергаются искажению, и эти искажения необ ходимо определять и учитывать.

Было смоделировано влияние на акустический сигнал наклонного слоя и иска жения геометрии скважины в рамках простой модели, а также исследовано влия ние этих неоднородностей на обыкновенно определяемые параметры сигнала.

Применяемая модель Модель строится на следующих предположениях: все акустическое поле может быть представлено в виде суперпозиции отдельных акустических полей, волновой сигнал при распространении подчиняется законам геометрической акустики. Будем рассматривать заполненную жидкостью цилиндрическую скважину в однородной толще с одиночным наклонным слоем некоторой толщины с параметрами, отлич ными от параметров вмещающей породы;

каротажный прибор представляет собой круговой цилиндр заданной геометрии и находится на оси симметрии скважины.

В данном случае удобно перейти к цилиндрическим координатам (R,,Z). Ось Z совмещается с осью симметрии ствола скважины и прибора, все пространство разбивается на угловые сегменты полуплоскостями =const. При достаточно большом количестве сегментов можно считать, что стенки скважины в пределах Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, каждого из них плоские. В силу предположения об «аддитивности» поля можно рассматривать распространение сигнала в каждом пространственном сегменте от дельно, а затем сложить сигналы, принимаемые приемником от каждого сегмента.

При таком представлении задача о распространении сигнала сводится к плоской. В рамках модели полагается, что при преломлении сигнала на границе раздела жид кость-порода сигнал никак не изменяется, так как цель исследования – определить влияние на сигнал неоднородностей в толще породы, а не на всем пути распростра нения.

Влияние наклонного слоя В данном случае основной интерес представляет случай, когда волновой фронт при распространении захватывает слой не во всех азимутальных направлениях, а лишь в части. При этом часть волнового фронта претерпевает соответствующие из менения, а часть проходит без изменений – соответственно наблюдается наложение неискаженного сигнала на искаженный. Параметры результирующего сигнала за висят от соотношения вкладов каждой из частей. Однако наблюдается тенденция снижения амплитуды сигнала и главной частоты. На рисунке 1 представлены зави симости амплитуды сигнала (1а) и частоты (1б) от толщины наклонного слоя (в см.) при различных углах его наклона (разные кривые).

а) б) Рис. 1.

В рамках принятой модели отличить наклонный слой от горизонтального с большим затуханием практически невозможно.

Влияние тонкого слоя Из теории волн [2] известно, что при прохождении границы двух сред с разны ми свойствами (оптическими, акустическими – в зависимости от типа волн) часть волны отражается. Поэтому в тонком слое возможны резонансные эффекты. Влия ние границ раздела сред и тонких слоев описано в работе [3], и именно эти матема тические модели были исследованы применительно к акустическому каротажу. В результате получены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) влияния тонко го слоя в зависимости от его толщины, угла наклона и скорости распространения сигнала в нем. Эти АЧХ для различных углов наклона слоя и фиксированной тол щины (3 см.) представлены на рисунке 2а (углы составляют 0, 20, 40, 60, 80 граду сов с горизонтом) и для различной толщины горизонтального слоя (1, 3, 5, 7 и 9 см.) – на рисунке 2б.

Труды Нижегородской акустической научной сессии, ННГУ, а) б) Рис 2.

В результате исследований получены пределы изменения толщины слоев, ко торые могут быть найдены по материалам АК. Эти пределы обусловлены формой АЧХ слоя и в данной модели максимальная толщина слоя составляет 5 сантимет ров.

Искажение геометрии скважины В рамках модельного подхода искажение ствола скважины сказывается в ин терференции волн разных угловых сегментов. В результате сигнал искажается:

уменьшается его основная частота и амплитуда. На рис. 3 представлены зависимо сти амплитуды (3а) и главной частоты (3б) принимаемого сигнала от толщины на клонного слоя при различном искажении ствола скважины (разность полуосей эл липса составляет 0, 0.5 и 1.0 см.) а) б) Рис. 3.

В терминах амплитуда-частота почти невозможно отличить влияние частотно го затухания сигнала от влияния интерференции. Для разделения этих двух эффек тов необходимо использовать данные, например, о форме спектра полученного сигнала.

Литература 1. Ивакин Б.Н., Карус Е.В., Кузнецов О.Л. Акустический метод исследования скважин. – М.: Недра, 1978, С. 229-276.

2. Овчинников И.К. Теория поля. – М.: Недра, 1979.

3. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. – М.: АН СССР, 1957.



 














 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.