Способ исследования скального массива в процессе бурения Советский патент 1993 года по МПК G01V1/40 

Предлагаемый способ относится к исследованию строения горных пород с использованием, вариаций в акустических свойствах пород и может быть использовано для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач, для локализации и геометризации разломов, зон трещиноватости и карстовых пустот при бурении скважин на исследуемом участке.

Целью изобретения является обеспечение возможности определения положения границ напластования и тектонических зон..

Способ поясняется фиг. 1-3.

В способе используется факт образования сильной поперечной волны нелучевой природы при приближении источника упругих колебаний к плоскости тектонической зоны на расстоянии меньше одной четверти длины волны продольных колебаний. Данная волна распространяется при углах, удовлетворяющих неравенству

y arcslny,

О)

где у - угол между нормалью FT к плоскости тектонической зоны и направлением К волнового вектора волны, у vs/vp - отношение скорости поперечной волны к скорости продольной волны в массиве. Для большинства скальных пород 0,5 у 0,7 или 30° X arcslny 45°.

При непрерывной записи радиаль- но-линейной расстановкой приемников колебаний, возбужденных долотом, часть приемников, попадающих в область углов у arcsln у будет регистрировать значительно более интенсивное поле при при00

о

2

ы со

ближении долота к тектонической зоне на расстояние.

. (2)

где h - расстояние от долота до разлома, Ар -длина продольной акустической волны. Вследствие этого на динамическом годографе возникает угловая точка, которая в случае горизонтального расположения разлома будет находиться от устья скважины на расстоянии (фиг. 1).

Xr Htg(arcsln У) Н VT-y

(3)

где Н - глубина разлома. Невыполнение равенства (3) свидетельствует о наклонном положении плоскости разлома. Угол наклона в плоскости разлома находится из формулы:

Хг

# arcsln y-arctg -pp

(4)

Положительный знак означает подъем разлома с удалением по профилю от буровой.

В общем случае произвольного расположения линии простирания относительно профиля лучше использовать звездообразную систему профилей с центром на буровой. Линия, соединяющая угловые точки на дин.амических годографах для каждого профиля, используется, для определения направления погружения плоскости разлома, которое совпадаете диаметром области, ограниченной этой линией, то есть отрезком прямой, соединяющей две наиболее удаленных точки на линии угловых точек.

Для осуществления предложенного способа необходимо выполнить следующий комплекс операций. .

Вокруг заданной бурением скважины расставляют по радиальным профилям акустические приёмники с расстоянием между приемниками, обеспечивающим корреляцию зарегистрированных данных. Ближние акустические приемники располагают в непосредственной близости от устья скважины, а дальние - на расстоянии не менее Htg у, где Н - максимальная глубина скважины, у- отношение скорости поперечных колебаний к скорости продольных колебаний.

На основе данных о частотном распределении спектра мощности упругих колебаний, возбуждаемых породораэруша0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ющим инструментом и на основе принимаемого решения о требуемой дальности определения расстояния забоя разбуриваемой скважины до плоскости приближающегося разлома выбирают полосу частот Af fi - fa с центральной полосой fo

-9- (fi + fa), в которой производят регистрацию упругих колебаний, возникающих при работе бурового долота с фильтрацией записей на приемниках, расположенных на радиальных профилях.

По записям приемников, расположенных на радиальных профилях, определяют спектры Si(f) регистрируемых колебаний и по спектрам находят осредненные по времени регистрации Т энергии колебаний, то1 а « есть средние мощности Wi I Si(f) I df

(i - номер приемника). Полученные данные используют для построения радиальных динамических годографов как кривых зависимости Wi от радиуса для каждой из расстановок, например 1-8 (фиг.З). Динамические годографы строят с шагом по глубине меньшим дальности определения расстояния от долота до разлома.

На семейство динамических годографов, соответствующих фиксированной глубине Н, находят критические точки (или угловые точки), в которых происходит резкое изменение наклона динамического годографа. Появление критических точек на годографах свидетельствует о наличии на расстоянии h vp/4f0 от долота приближающегося разлома.

Для определения ориентации разлома, то есть угла падения плоскости разлома, угловые точки соединяют гладкой кривой и две, наиболее удаленные точки на ней, соединяют прямой. Направление прямой показывает направление падения плоскости разлома, причем угол падения определяют по формуле (4). в которую вместо Хг подставляют наименьшее расстояние от устья скважины до кривой.

Для примера можно рассмотреть случай исследования геологического разреза со скоростью продольных волн в породах vp 5 км/с, скоростью поперечных волн vs - 3 км/с (отношение vs/vp у 0,6) и заданной дальностью долота до пересечения тектонической зоны h 4 м. В этом случае центральная частота составит

fo vp/4h -i-к- «310 Гц. Если при глубине долота Н 400 м на динамических го- дографах появились угловые точки и ближайшая к устью угловая точка находится

на расстоянии Хг 250 м, то угол подъема плоскости разлома равен:

0 arcsln 0.6 - arctg 0.62 - 36° -31 °50 - 5°10 .

Кроме возможности определения пространственного и углового положения границы (тектонической зоны) преимуществом предложенного способа является то, что его можно использовать не только при скачке акустических свойств по обе стороны плоскости раздела, как в большинстве известных сейсмоакустических методов, но и при наличии тектонической зоны в однородных по сейсмоакустическим свойствам породах.

По способу проведено математическое моделирование, показавшее его осуществимость.

Ф о р м у л а изобретения

Способ исследования скального массива в процессе бурения скважины, включающий установку акустических датчиков на поверхности, регистрацию акустических колебаний в процессе бурения скважины, а также обработку результатов и построение графиков в зависимости от прохождения бурильного долота по глубине, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности определения положения границ напластования и тектонических зон,

0

5

0

акустические датчики размещают по радиальным профилям от устья скважины до расстояния, равного Нмакст.д у. где Нмакс априорно задаваемая глубина разведочной скважины, у - отношение скоростей поперечных vs и продольных Vp акустических колебаний в породах, акустические колебания регистрируют в частотной полосе с центральной частотой f0 Vp/4h, где h - заданное расстояние от долота до тектонической зоны, при обработке, определяют спектры мощности зарегистрированных колебаний, строят динамические годографы, на которых выделяют угловые точки с резким изменением наклона годографа, соединяют угловые точки гладкой замкнутой кривой, по напразлению отрезка, проходящего через точку проекции скважины на дневную поверхность и наиболее удаленные точки на замкнутой кривой, определяют направление падения тектонической зоны, а угол бее падейия рассчитывают, исходя из соотношения

25

6 arcsln у-arctg

А. н

30

где Н - текущая глубина скважины,

Хг - меньшее расстояние от точки проекции устья скважины до замкнутой кривой.

Использование: при локализации и геометризации разломов, зон трещиноватости и карстовых пустот. Сущность изобретения: способ основан на использовании сильной поперечной волны S. возникающей при приближении к границам раздела сред, например тектоническим зонам. Для ее преиму- щественной регистрации приемники расставляют по радиальным профилям, установленным на расстоянии от устья скважины, равном HMaicctg у, где Нмакс - априорная глубина разведочной скважины, у- соотношение поперечных vs и продольных vp скоростей в породе, а регистрацию осуществляют в частотной полосе с центральной частотой f0 vp/4h. где h - заданное расстояние от долота до границы раздел сред,3 ил. w&

И

Л .

f/

Л .

разлом

fwr.t

fV.3