При исследовании сейсмоакустического критерия выбросоопасности на угольных шахтах было отмечено, что в периоды формирования выбросоопасной ситуации частота спектрального максимума сигналов снижается [[14]]. Эти и другие примеры, показывающие возможности регистрации САЭ для решения горно-геологических задач, представлены во многих сборниках научных трудов и монографиях.

В настоящее время в ведущих геофизических службах мира получил распространение шумовой каротаж, основанный на регистрации акустических шумов в полосе частот 20-2000 Гц, создаваемых потоками флюида и газа в условиях перепада давления, вызванного технологическими процессами при эксплуатации скважин. Разработаны методики, скважинная аппаратура и ведутся исследования с целью контроля за разработкой газовых и нефтяных месторождений.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОАКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА

2.1. Модель акустически активной геосреды

Земная кора является открытой термодинамической системой с иерархически блочным строением и находится в напряженном состоянии под действием внешних и внутренних сил [[15]] распределение напряжений зависит не только от действующих нагрузок, но и от степени неоднородности, трещиноватости массивов пород; изменение напряженного состояния пород вызывает их деформацию, приводит к перестройке в контактных поверхностях в системе трещин, к появлению новых дефектов, что сопровождается акустической эмиссией. Такова общая схема процессов.

По существу, это механизм рассеянных разрывов своеобразных наноземлетрясений, который функционирует геологически длительное время даже в тектонически стабильных областях. Но что приводит в действие подобный механизм, почему его эффективность выше в зонах большой нагруженности пород, почему он не подавляется значительным литостатическим давлением на больших глубинах?

Для получения некоторых оценок рассмотрим блочную модель массива горной породы.

По известным критериям прочность тела зависит от числа и размеров дефектов. А эти характеристики в ряде случаев можно определить. Воспользуемся, например, условием Гриффитса для разрывного напряжения при сдвиге:

где G – модуль сдвига;

W – плотность поверхностной энергии;

1 – критическая длина трещины;

μ – коэффициент Пуассона.

Во многих случаях по экспериментальным данным известно распределение трещин по размерам. Часто оно имеет нормальное распределение [[16]].

Количество вновь появившихся дефектов определяется формулой:

Отсюда можно оценить число трещин, возникающих в единицу времени:

Тем самым определяется интенсивность акустической эмиссии, сопровождающей образование дефектов.

Т.к. интенсивность акустической эмиссии пропорциональна числу связей или дефектов N в объеме, зависит экспоненциально от энергии активации разрывов при постоянной нагрузке а0 и от отношения действующего переменного напряжения к среднему значению разрывного напряжения, которое в данном случае определено как отношение энергии активации разрывов к структурному параметру, характеризующему перенапряжения на неоднородностях среды .

Этот вывод имеет и практическую значимость. Например, если толща пород охвачена одним режимом нагружения, то зоны с повышенными значениями трещиноватости будут выделяться аномалиями ГАШ, что и наблюдается на практике (рис.1)Ó. Конечно, возможны случаи, когда трещиноватость увеличивается, а уровень шума не меняется. Согласно предыдущей формуле соответствующая компенсация в потере прочности может осуществляться за счет повышения разрывного напряжения. Наблюдения подтверждают этот вывод (рис.2)Ó.

Эксперименты на образцах горных пород показывают, что с возрастанием всестороннего давления число трещин уменьшается, повышается прочность пород. В реальных условиях в верхней части земной коры наблюдаются существенные отклонения от этих закономерностей, что обусловлено рядом причин, в том числе непрерывными физико-химическими процессами в проницаемых, заполненных флюидами и газами горных массивах. Это проявляется во временных вариациях ГАШ, в том числе и на больших глубинах. Прочность хрупких пород хорошо апроксимируется модифицированным условием Кулона-Мора [[17]]:

где - сцепление пород, f - коэффициент трения при сдвиге, - нормальное напряжение и давление в жидкости, заполняющей трещину.

Когда f мало, а и Р близки, что выполняется в замкнутых объемах, то на больших глубинах прочность на сдвиг будет в основном определяться сцеплением пород. Как показывают лабораторные эксперименты, оно растет с давлением, так как с давлением уменьшаются размеры дефектов и увеличиваются упругие модули. Но напряжение на разрыв будет расти только в том случае, когда поверхностная энергия не будет эквивалентно уменьшаться. На самом деле с глубиной флюиды могут понижать свободную поверхностную энергию трещин.

В понижение прочности пород вносят также свои вклад коррозия под напряжением, электрохимические процессы и, наконец, рост температуры с глубиной. Отсюда видно, что в земной коре существуют конкурирующие повышению литостатического давления процессы и пока породы остаются хрупкими, могут существовать условия, при которых естественная геоакустическая активность не подавляется.

2.2. О некоторых механизмах возбуждения геоакустических шумов

При разведке и эксплуатации нефтегазовых залежей в породах-коллекторах, вмещающих толщах, вскрытых скважинами, возникают геоакустические шумы (ГАШ). Они отражают разнообразные и сложные процессы в толще пород, околоскважинном объеме. Правильно л поставленная шумометрия является мощным диагностическим инструментом. Породы в осадочной толще можно рассматривать как систему, включающую твердый скелет и заполняющую по крайней мере, 3-х компонентную среду (нефть, вода, газ), находящуюся в термодинамическом равновесии. Бурение скважин и их использование для извлечения нефти, газа раз личными технологическими приемами приводит к нарушению этого состояния, что сопровождается усилением действовавших и возникновением новых механизмов генерации акустических колебаний, которые регистрируются по разрезам, вскрытым скважинами. Остановимся теперь на физических основах информативности ГАШ. Каждая из компонент составляющих систему (твердый скелет, нефть, вода, газ) может быть источником акустических колебаний.

1.Обратимся прежде всего к твердой части породы. Ее отличительные признаки - дискретная гетерогенная структура с порами, трещинами и напряженное состояние с локальными перенапряжениями на неоднородностях, дефектах. Своеобразие сочетания такой структуры и распределения напряжений приводит к квазистабильному состоянию, к состоянию, когда при литостатических давлениях до 100 МПа и выше, породы реагируют на ничтожно малые деформации порядка 10-7м (земные приливы), 10-10м (собственные колебания Земли) акустической и электромагнитной активностью, что свидетельствует о микроразрушениях, возникновении новых дефектов, трещин. Как показывает шумометрия глубоких и сверхглубоких скважин аномально высокими значениями шума выделяются структуры повышенной нарушенности, трещиноватости и динамической активности. К таким структурам относится большинство пород-коллекторов. Существенную роль в активизации деформационных процессов, а следовательно ГАШ, играет насыщенность пород флюидами, что обусловлено снижением прочности пород за счет уменьшения внутреннего трения, электрохимических процессов и других факторов. Разбуривание нефтегазовых площадей и эксплуатация нефтегазовых залежей нарушает сложившуюся схему распределения давлений, флюида, газонасыщенности пластов, температур. В результате возрастает динамика скелета и, как следствие, проницаемость коллекторов, и акустической шумности, характеристики которой могут нести информацию об эффективности техногенных воздействий. На основе обобщения результатов лабораторных и натурных исследований разработана модель возбуждения ГАШ в дискретной, напряженно-деформированной среде для получения некоторых оценок при воздействии на пласты.