Способ обнаружения механических напряжений горных пород Советский патент 1993 года по МПК G01V3/12 

Изобретение относится к области электроразведки и может быть применено для контроля вариаций электрических параметров пород, вызванных механическими напряжениями, в частности в период подготовки землетрясения.

Цель изобретения - увеличение размеров контролируемой области и снижение трудоемкости измерений.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Из геологических данных следует возможность существования структур слоистого типа с удельными прово- димостями, изменяющимися с глубиной погружения. При этом реализуются ситуации, когда слой с высокой проводимостью сменяется слоем с низкой проводимостью, за которым опять следует слой с высокой проводимостью.

В своей совокупности такие три слоя образуют волновод, в котором возмохша канализация энергии распространяющихся радиоволн при условии, что длина волны находится в определенном соотношении с геометрическим размером волновода, а

именно, с расстоянием между границами слоев с более высокой проводимостью. При использовании метода радиопросвечивания, применяемого, в геофизике, при условии, что и передатчик и приемник расположены в слое с низкой проводимостью, амплитуда и фаза распространяющихся радиоволн будут определяться величиной проводимости и диэлектрической проницаемости породы слоя с низкой проводимостью (при условии, что проводимости стенок/значительно превышают проводимость среднего слоя).

Вариации амплитуды и фазы волны, измеренные на заданном расстоянии от передатчика, будут определяться, следовательно, вариациями электрических параметров породы среднего слоя.

Физическая природа связи электрических параметров пород и механических напряжений в них может быть объяснена с помощью разработанных в настоящее время дилатантно-диффузионной модели и модели лавинно-неустойчивого трещинообразова- ния. Обе модели учитывают изменение во

со

с

00

о ел

4 Ю

ю

HpO-.z.h)-- Az(r.z,h)

времени пористости пород вследствие механических напряжений. В дополнение к этому в первой модели учитывается роль диффузии воды в поры породы. В любом случае и сопротивление, и диэлектрическая проницаемость будут определяться количеством пор, которые заполнены либо водой (влажная модель), либо воздухом (сухая модель). В соответствии с первой моделью величина сопротивления уменьшается по мере роста механических напряжений до момента разрушения; а согласно второй модели сопротивление сначала увеличивается, а затем уменьшается перед разрушением породы. В равной степени, эти выводы относятся и к связи диэлектрической проница- емость пород с, механическими напряжениями.

Рассмотрим задачу о вычислении компонент электромагнитного поля вертикального электрического диполя, расположенного в среднем слое трехслойной структуры с плоско параллельными границами раздела.

В цилиндрической системе координат уравнение границ раздела трех сред с элек- тромагнитными свойствами, определенными значениями диэлектрической проницаемости Јj(j 1,2,3) и проводимостя- ми О 0 1,2,3), принимает вид:

г 0 - между первой и второй средами,

z d - между первой и третьей средами.

Передатчик расположен в точке с координатами z, 0, 0, а приемник - в точке с координатами h, r, 0. Будем рассматривать случай расположения и передатчика, и приемника только внутри первой (средней) среды, т.е. выполняется условие

, .

Для данной задачи уравнения Максвелла сводятся к вычислению интегралов типа Фурье-Бесселя. В силу симметрии задачи и типа источника отличными от нуля будут три компоненты поля:

I dt в

Er(r,z.h) - . cko

a

dt , #

ckЈ

2c

flz(-TT-Ko )Az(r,z,h) 50

Az(r.z, . a ( z . h . A ) H (ч,;) ( A r )

где значение электрического вектор-потенциала выражается формулой:

AdA

2 Bj(A)|j(z h)p°(A)

DTA)

H$(0

D(A) 1 -Roi(A)Ror(A)e-2d 3l(A) Коэффициенты отражения от границ раздела определяются выражением:

Ро(А)пч-РдСА)

Po(A)nq- + Pq(A)

R

oq

(q-1,2):

Pq(A) (.1.2).

Коэффициент преломления nq Kq/Ko

(q-1,2)

Волновые числа определяются частотой и

электромагнитными свойствами среды:

К

2 1 Ј Г gq О) - Јд О

(q-0.1,2).

В формуле введены следующим обозначения:

Bo(A) 1,Bi(A) Roi(A) ,B2(A)Ro2(A) ,B3(A)Roi(A) Ro2(A) , Значения qj принимают следующие значения

25

30

35

40

45

50

55

Г

Схема решения требует выполнения следующих условий: толщина второй и третьей пограничных сред должны быть много больше скин-слоя в каждой из них. В этом случае прилегающие слои можно представить в виде бесконечных полупространств; толщина среднего слоя d должна быть больше Длины волны в среде; полупространства, окружающие средний слой, должны быть более проводящими, чем среда в которой производятся измерения, т.е.

02 Oi 03 0i

Для решения поставленной задачи была составлена программа на языке ФОРТРАН, которая была использована при проведении расчетов.

Рассмотрим результаты расчетов на следующем примере.

Условия геологического разреза: средняя среда с мощностью слоя 70 м, удельное сопротивление 5 104 Ом . м, относительная диэлектрическая проницаемость 5; верхняя и нижняя среды с удельным сопротивлением 5 10 Ом м, относительная диэлектрическая проницаемость 10.

Передатчик и приемник расположены в середине среднего слоя, т.е. г h 35 м.

Расчеты проводились на частотах 5 мГц и 10 мГц.

Оценим вариации амплитуды и фазы сигнала на заданном расстоянии (300 м) при изменении электрических параметров сред- него слоя. Результаты расчетов показывают, что при изменении удельного сопротивления на 10%, амплитуда сигнала изменяется на 5,5%. При изменении диэлектрической проницаемости на 1% фаза сигнала изменяется на 0,354 радиана на частоте 5.мГц и на 0,71 радиана на частоте 10 мГц.

На чертеже показано изменение модуля поля с расстоянием от излучателя в диа- пазоне расстояний 100-300 м.

Можно отметить, что сигнал сравнительно мало изменяется с ростом расстояния за счет волноводного распространения, испытывая даже увеличение за счет интер- ференции мод на частоте 10 мГц.

Способ реализуется следующим образом. В пределах исследуемого района по геологическим данным находят выдержанный по простиранию и мощности в преде- лах нескольких . сотен метров низкопроводящий слой, заключенный между высокопроводящими слоями, При этом следят за тем, чтобы хотя бы для одной из частот выполнялось одновременные два ус- ловия - превышение мощностью низкопро- водящего слоя длины волны в нем и превышение мощностями высокопроводящих слоев, величин соответствующих им скин-слоев, При обнаружении таких пла- стов, удовлетворяющих указанным требованиям, выбирают участок, напряженное состояние которого представляет интерес для контроля.

В пределах участка бурят (или использу- ют уже имеющиеся) две скважины так, что- бы контролируемый участок был расположен между ними, на таком расстоянии, чтобы характеристики волновода и используемая аппаратура позволяли уверенно передавать сигнал, Располагают источник и приемник в разных скважинах в низкопроводящем слое и ведут режимные наблюдения, регистрируя разность фаз между принятым сигналом и опорным сигналом, передаваемым по поверхности Земли от источника.к приемнику.

Результаты расчетов показывают, что способ может быть использован для контроля напряженного состояния массивов в несколько сотен метров, позволяя при достигнутой в настоящее время точности измерения разности фаз ±0,05° контролировать относительные деформации большие Ю 4.

Формула изобретения Способ обнаружения механических напряжений горных пород, заключающийся в расположении на одном горизонтальном уровне в одной скважине источника, в другой -. приемника сигнала, излучении, приеме сигнала, и суждении о напряженном состоянии массива по параметрам принятого .сигнала, о т л имеющийся тем, что, с целью увеличения размеров контролируемой области и снижения трудоемкости, источник излучает, а приемник принимает электромагнитный сигнал, источник и приёмник располагают в одном низкопроводящем слое, расположенном между высокопроводящими слоями, с мощностью низкопроводящего слоя большей длины волны, при этом толщины высокопроводящих-слоев больше соответствующих им скин-слоев на частоте излучаемого сигнала, а об изменении напряженного состояния массива во времени судят по изменению величины сдвига фазы между принятым сигналом и опорным сигналом, передаваемым по поверхности Земли от источника к приемнику.

Использование: контроль напряженного состояния массива горных пород. Сущность: для контроля напряженного состояния используется радиоволновое просвечивание с расположением источника и приемника в скважине в низкопроводящем пласте, заключенном между высокопроводящими пластами такими, что выполняются условия волноводного распространения, о изменении напряженного состояния просвечиваемого массива судят по изменению разности фаз между принятым и опорным сигналом. 1 ил.