Способ дистанционного измерения напряжений в недрах сквозь толщу поглощающей породы в условиях сильных помех Российский патент 2017 года по МПК G01V11/00 

Изобретение относится к области измерений напряжения породы недр и может найти применение при мониторинге геодинамического состояния земной коры, необходимом для прогноза сейсмической опасности; при инженерно-геологических и геофизических изысканиях; при мониторинге процесса разработки флюидов - как нефтегазоконденсатных месторождений, так и запасов термальной, промышленной и питьевой воды; при анализе газонасыщенности угольных месторождений и в иных областях территориального хозяйствования и геофизических исследований.

Цель изобретения - дистанционное измерение напряжения горной породы недр.

Известно «Устройство для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при трещинообразовании горных пород», патент №2155973 (аналог). Изобретение может быть использовано в горной промышленности для контроля разрушения участков массива горных пород при изменении их напряженно-деформированного состояния. Оно также может использоваться для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при разрушении образцов горных пород в лабораторных условиях. Технический результат - увеличение чувствительности устройства за счет концентрации поля в области измерений. Сущность изобретения: ферритовый тороидальный сердечник с обмоткой и металлический экран, окружающий ее. Однако применение данного устройства с целью измерения параметров напряженно-деформированного состояния недр невозможно, поскольку для проведения измерений требуется установка этого устройства в зоне излучения полезного сигнала. Однако при такой установке в породе необходимо провести выемку части породы для размещения датчика, которое неизбежно приведет к изменению напряженно-деформированного состояния по сравнению с состоянием естественного залегания. Кроме того, это устройство не позволяет избавиться от мощных помех атмосферно-грозового и техногенного происхождения, а отсутствие регистрации акустической компоненты акусто-электромагнитной эмиссии литосферы не позволяет однозначно определить параметры напряженно-деформированного состояния породы.

Известен также «Способ измерения напряженности электромагнитного поля», патент №2164028 (аналог), заключающийся в помещении в измеряемое электромагнитное поле N антенн-датчиков и регистрации напряжений на элементе нагрузки K антенн-датчиков U1…UK, пропорциональных напряженности воздействующего электромагнитного поля. Все K антенн-датчиков имеют отличительные друг от друга амплитудно-частотные характеристики. Число антенн-датчиков K равняется числу источников излучения N или превышает его, K≥N. Напряженности всех N составляющих электромагнитного поля E1…EN определяют из решения системы линейных уравнений. Технический результат заключается в увеличении точности измерений и определении напряженности всех составляющих поля. Однако применение этого способа также невозможно, поскольку требуется установка множества антенн-датчиков в зоне излучения полезного сигнала, что приводит к нарушению напряженно-деформированного состояния зоны залегания пород, а отсутствие регистрации акустической компоненты акусто-электромагнитной эмиссии литосферы не позволяет однозначно определить параметры напряженно-деформированного состояния породы.

Известен «Способ обнаружения зон трещиноватых пород в скважинах», патент №99121049 (аналог), основан на измерении естественного электромагнитного поля и отличается от аналогичных тем, что производится регистрация сигналов электромагнитного излучения на частотах 50-120 кГц в течение 2-3 мин на выбранных интервалах в скважине, осуществляется детектирование сигналов, выполняется гармонический анализ детектированного сигнала и по наличию в спектре этого сигнала периодов 4-20 с выделяют зоны трещиноватых пород. Однако применение этого способа также невозможно, поскольку не позволяет избавиться от мощных помех атмосферно-грозового и техногенного происхождения, а отсутствие регистрации акустической компоненты акусто-электромагнитной эмиссии литосферы не позволяет однозначно определить принадлежность анализируемого фрагмента данных к излучению литосферного происхождения.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ пассивной локации близко расположенных источников электромагнитного излучения на фоне излучений удаленных источников», представленный в патенте Российской Федерации на изобретение №2473101 (прототип).

Суть этого способа состоит в том, что осуществляют прием сигнала магнитной компоненты электромагнитного поля с помощью двух разнесенных и встречно включенных рамочных антенн - сигнальной и компенсирующей и формируют разность данных регистрации сигнальной и компенсирующей антенн. При этом достигается устранение влияния помех, создаваемых сильными удаленными источниками, к числу которых относятся естественные источники атмосферно-магнитосферной и техногенной природы.

Однако этот способ не позволяет измерять поле напряжений недр по ряду причин: литосфера обладает сильным поглощением, дальность измерения системы двух идентичных разнесенных и встречно включенных рамочных антенн сильно ограничена, достаточно высока вероятность ошибки в определении принадлежности анализируемого фрагмента данных к сигналам литосферного происхождения и невозможно определить напряженность горной породы по величине акусто-электромагнитного излучения.

Эти недостатки устраняются тем, что осуществляют дистанционное измерение напряженности горной породы в забое скважины.

Для этого измеряют зависимости акусто-электромагнитной эмиссии горной породы керна из забоя используемой скважины от величины напряжения. Знание такой зависимости позволяет по величине измеренного сигнала определить величину действующих напряжений в породе. Используют обсадную трубу скважины в качестве акустического волновода для вывода акустической компоненты акусто-электромагнитной эмиссии литосферы деформационно-тектонического происхождения из забоя к устью скважины.

Устанавливают акустический датчик в устье скважины и с помощью него осуществляют регистрацию акустической компоненты. Используют ферромагнитную обсадную трубу скважины в качестве магнитопровода для вывода магнитной компоненты акусто-электромагнитной эмиссии литосферы деформационно-тектонического происхождения из забоя к устью скважины. Выполняют сигнальную антенну в виде магнитной рамки с помещенным в нее оголовком стальной обсадной трубы, используемой в качестве магнитного сердечника, и осуществляют с ее помощью регистрацию магнитной компоненты излучения.

Осуществляют регистрацию шумов атмосферно-грозовой, магнитосферной и техногенной природы с помощью компенсирующей антенны. Передаточная функция сигнальной антенны с магнитным сердечником отличается от передаточной функции компенсирующей антенны без сердечника. Поэтому данные регистрации одного и того же сигнала, зарегистрированные с помощью этих антенн, будут отличаться.

Следовательно, использование разности полученных данных не приведет к компенсации помех атмосферно-магнитосферного и техногенного происхождения. Для устранения влияния этих помех необходимо уравнять эффективные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) сигнальной антенны с сердечником и компенсирующей антенны без сердечника. Для этого с помощью известных методов (например, измерения АЧХ антенн с использованием калиброванного генератора стандартных сигналов) измеряют АЧХ обеих антенн.

Корректируют данные, зарегистрированные принимающей и компенсирующей антеннами, путем устранения различий АЧХ.

Получают очищенные от помех данные магнитной компоненты путем формирования разности откорректированных данных приемной и компенсирующей антенн.

Используя данные регистрации акустической компоненты, распознают фрагменты сигнала литосферного происхождения.

По полученной зависимости магнитной и акустической компонент от напряжения в образцах керна и данным регистрации магнитной и акустической компонент судят о величине напряжений в породе забоя.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при диагностике напряженно-деформированного состояния недр. Согласно заявленному способу о величине напряжений горной породы судят по величине акусто-электромагнитного сигнала, возникающего при деформации горной породы под действием этих напряжений. Для этого используют полученную экспериментально с использованием керна из забоя исследуемой скважины зависимость интенсивности акусто-электромагнитного излучения от напряжения. Акустическую компоненту акусто-электромагнитного излучения из забоя скважины к месту расположения датчиков передают с помощью акустического волновода, выполненного из обсадной трубы скважины. Магнитную компоненту акусто-электромагнитного излучения из забоя скважины доставляют с помощью магнитопровода, выполненного из ферромагнитной обсадной трубы скважины. Осуществляют регистрацию шумов атмосферно-грозовой, магнитосферной и техногенной природы с помощью компенсирующей антенны, необходимой для устранения помех. Для устранения помех уравнивают амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) сигнальной и компенсирующей антенн. Используя полученные АЧХ, корректируют данные принимающей и компенсирующей антенн и получают очищенные от помех данные магнитной компоненты литосферного сигнала. По полученной зависимости магнитной и акустической компонент от напряжения в образцах керна и данным регистрации магнитной и акустической компонент, освобожденных от влияния помех, судят о величине напряжений в породе забоя. Технический результат – повышение точности получаемых данных.

Способ дистанционного измерения напряжений в недрах сквозь толщу поглощающей породы в условиях сильных помех, заключающийся в том, что осуществляют прием сигнала магнитной компоненты электромагнитного поля с помощью двух разнесенных встречно включенных рамочных антенн (сигнальной и компенсирующей), формируют разность данных регистрации сигнальной и компенсирующей антенн, отличающийся тем, что с целью устранения поглощения литосферы, повышения дальности измерения системой двух разнесенных встречно включенных рамочных антенн, снижения ошибки распознавания принадлежности анализируемого фрагмента данных к литосферному происхождению и определения напряженности горной породы по величине акусто-электромагнитного излучения осуществляют дистанционное измерение напряженности горной породы в забое скважины, определяют зависимости акусто-электромагнитного излучения горной породы керна из забоя используемой скважины от величины напряжения в породе, используют обсадную трубы скважины в качестве акустического волновода для вывода из забоя на поверхность акустической компоненты эмиссии литосферы, используют ферромагнитную обсадную трубу скважины в качестве магнитопровода для вывода из забоя магнитной компоненты эмиссии, устанавливают акустический датчик в устье скважины, используют в сигнальной антенне в качестве магнитного сердечника оголовка обсадной трубы, определяют амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) сигнальной и компенсирующей антенн, осуществляют регистрацию суммарного сигнала магнитной компоненты излучения литосферного происхождения и шумов атмосферно-грозовой, магнитосферной и техногенной природы с помощью сигнальной магнитной антенны, осуществляют регистрацию шумов атмосферно-грозовой, магнитосферной и техногенной природы с помощью компенсирующей антенны, корректируют влияние АЧХ антенн на данные, зарегистрированные сигнальной и компенсирующей антеннами, выделяют данные магнитной компоненты литосферного происхождения из шумов атмосферно-грозовой, магнитосферной и техногенной природы путем формирования разности откорректированных данных сигнальной и компенсирующей антенн, выделяют синхронные всплески в акустических и электромагнитных данных и по полученной зависимости магнитной и акустической компонент от напряжения в образцах керна и величине всплесков акустических и электромагнитных данных литосферного происхождения судят о величине напряжений в породе забоя.