Войти  |  Регистрация
Авторизация
» » Ультразвуковые методы изучения акустических свойств горных пород

Ультразвуковые методы изучения акустических свойств горных пород


Исследования горных пород на образцах ведутся в ультразвуковом частотном диапазоне (более 20 кГц). Применение ультразвука для исследований обеспечивает наивысшую точность измерения акустических свойств горных пород.
При изучении акустических свойств горных пород применяют три cxeмы ультразвукового импульсного метода:
1) прозвучивания, ценованную на использовании прямых волн при расположении излучателя (И) и приемника (П) колебаний на противоположных торцах образца (О) (рис. 9, а);
2) продольного профилирования, основанную на использовании прямых волн при переменном расстоянии между излучателем и приемником колебаний, расположенных на поверхности вдоль образца (рис. 9, б);
3) иммерсионную, при которой излучатель, приемник и образец размещаются в сосуде с жидкостью, где обеспечивается поворот образца (рис. 10).
Ультразвуковые методы изучения акустических свойств горных пород

Наиболее простой в применении является схема прозвучивания. При использовании ультразвукового импульсного метода в образец непрерывно излучаются в виде короткого «пакета» упругие импульсы. Они принимаются, усиливаются и подаются на регистрирующий прибор, с помощью которого измеряются время распространения импульсов и их амплитуда для случаев, когда излучатель и приемник находятся в контакте и когда они разделены испытуемым образцом. По времени прохождения ультразвукового импульса через породу при известном расстоянии между излучателем и приемником судят о скорости распространения продольной и поперечной волн в образце.
При использовании схемы продольного профилирования излучатель и приемник располагаются на одном профиле (прямой), которым служит образующая цилиндрического или призматического образца. Длина профиля принимается равной длине образца. Излучатель устанавливается неподвижно, а приемник передвигается по профилю с постоянным шагом (например, 1 или 2 см). Для повышения точности выделения вступления продольной или другой волны при анализе данных наблюдений используется принцип фазовой корреляции вступления волн. При этом появляется возможность регистрировать не только первое вступление продольной волны, но и волны, приходящей за первой.
Размеры образцов, используемых при испытаниях, определяют возможность измерения волн: продольной в массиве (в безграничной среде) Cp и продольной в образце (стержне) Cd. При отношении линейного поперечного размера образца к длине волны не более 0,2— 0,3 (а/λ≤0,3) регистрируется продольная волна, распространяющаяся со скоростью Cd. При отношении а/λ≥0,8—1 определяется скорость Ср. Длина образцов должна отвечать следующему условию: l≥(3/4)λ.
Иммерсионная схема основана на измерении скоростей распространения продольных и поперечных волн при углах полного внутреннего отражения (критических углах).
Образец помещается в сосуд с жидкостью (см. рис. 10), являющейся промежуточным слоем между излучателем, приемником и образцом. Излучаемая ультразвуковая волна при падении на границу раздела жидкость — горная порода возбуждает в образце две волны: продольную Cp и поперечную Cs. При изменении угла падения упругой ультразвуковой волны на образец (путем поворота образца) будет изменяться амплитуда отраженной волны, и при некотором значении угла θ1 продольная волна претерпит полное внутреннее отражение. В образце будет распространяться только поперечная волна. Увеличивая далее угол падения ультразвуковой волны на образец до значения θ2, добиваются полного внутреннего отражения поперечной волны. Углы θ1 и θ2 называются первым и вторым критическими углами.
Зная скорость продольной волны в иммерсионной жидкости Сж, определяют скорости в образце:
Ультразвуковые методы изучения акустических свойств горных пород

Для определения коэффициента затухания упругих волн на образцах горных пород используют схемы сравнения величин ослабления энергии упругих волн при распространении на разных базах (11.10).
Так как коэффициент затухания упругих волн является функцией частоты колебаний, то коэффициент затухания определяется на заданной частоте.
Различают две методики вычисления коэффициента затухания при анализе xapaктepистик принятого сигнала;
1) по уменьшению амплитуды частотной составляющей спектра с увеличением расстояния;
2) по уменьшению максимальной амплитуды сейсмограммы (осциллограммы) с увеличением расстояния.
Точность измерения акустических характеристик горных пород определяется многими факторами, основными из которых являются: неоднородность структуры горных пород; наличие контактных слоев между образцом, излучателем и приемником; изменение частотного спектра импульса при его распространении в образце; наличие дифракционного расхождения пучка; потери в электроакустическом тракте экспериментальной установки. Значения скоростей распространения продольной и поперечной волн определяются с точностью 1—2 %, а значения характеристик затухания — 10—20 %.
Среди полевых методов изучения акустических характеристик горных пород наибольшее распространение получили методы скважинного каротажа, скважинного прозвучивания, поверхностного профилирования.
Различают два вида скважинного каротажа: интегральный, когда измеряют время распространения упругой волны от источника, расположенного на поверхности, до некоторой точки в скважине, и дифференциальный, когда измеряют время распространения упругой волны между двумя или несколькими точками внутри скважины (рис. 11).
Ультразвуковые методы изучения акустических свойств горных пород

Так как обеспечить прохождение упругих волн на больших базах можно только используя сейсмический частотный диапазон, интегральный каротаж обычно называют сейсмокаротажем. При небольших базах измерения, которые свойственны дифференциальному каротажу, используют ультразвуковые или высокочастотные упругие колебания.
В случае ультразвукового или акустического каротажа в скважину опускают зонд, в который встроены излучатели и приемники, расположенные на одном профиле на определенном расстоянии друг от друга. На каждом приемнике фиксируется вступление и амплитуды волн, и их фазы, которые служат основой для построения скоростных и. амплитудных годографов. Зная разность времени пробега между двумя соседними приемниками (от одного излучателя) при малом расстоянии между ними, определяют истинную скорость распространения упругих волн.
В зависимости от способа контакта преобразователей с массивом в скважине регистрируются волны, представляющие собой следующие комплексы: при иммерсионном контакте — продольная или поперечная волна в околоскважинном массиве и волна в жидкости; при непосредственном контакте со стенкой скважины — продольная или поверхностная волна. По регистрации упругой волны несколькими приемниками рассчитывают коэффициент затухания.
Сущность измерений по методу скважинного прозвучивания заключается в том, что в массиве с поверхности пробуривается несколько скважин (или шпуров). В одну скважину помещается излучатель упругих колебаний (источник), в другую — приемники. При установке излучателя и приемников на одной высоте регистрируются прямые продольные волны. Если же приемники смещены в скважине относительно оси излучателя на угол 40—50°, то довольно просто одновременно определять два типа волн на сейсмограмме (осциллограмме) — продольную и поперечную. Причем амплитуда первой вступающей волны в этом случае обычно меньше, чем амплитуда поперечной. Выделение поперечной волны, кроме того, производится по отысканию точки на сейсмограмме, в которой резко меняется фаза прямой волны.
Метод скважиного прозвучивания (рис. 12) наиболее эффективен для оценки объемных акустических характеристик ненарушенного массива. Точность измерений акустических свойств горных пород в этом случае — наибольшая, и расшифровка получаемых данных — наиболее простая.
Скорости распространения упругих волн находятся по известной базе и измеренному времени распространения продольной и поперечной волн. Характеристика затухания упругих волн определяется по изменению максимальных амплитуд пришедших волн, измеренных на разных базах.
При изучении массива по методу скважинного прозвучивания расстояние между скважинами устанавливается в зависимости от мощности и частоты излучателя и поглощающих свойств массива с таким условием, чтобы можно было успешно регистрировать параметры упругих волн. При мощном источнике и частотах излучения 0,5—1 кГц расстояние между скважинами может быть более 50—100 м, при частотах 20—60 кГц оно может достигать 5—8 м в скальных породах.
Ультразвуковые методы изучения акустических свойств горных пород

Метод поверхностного профилирования (рис. 13) по схеме измерения аналогичен лабораторной схеме продольного профилирования. Располагая ряд приемников вдоль выбранного профиля с известным постоянным расстоянием между ними, определяют время распространения упругих волн от источника до каждого приемника. При этом на сейсмограмме выделяют время распространения продольной волны и поверхностной волны Рэлея, которая распространяется от сферического источника вдоль свободной поверхности и почти не проникает в глубину.
Так как скорость распространения поверхностной волны меньше, чем поперечной (СR = 0,9 Cs) и продольной, то на сейсмограмме вступление поверхностной волны располагается за продольной и отстает от нее во времени почти в 2 раза. Зная шаг профилирования и измерив приращение времени распространения между приемниками, определяют скорость волны (продольной или поверхностной). Если число приемников больше трех, точность измерений определяют по формуле
Ультразвуковые методы изучения акустических свойств горных пород

где δt — предельная погрешность измерения времени; l — общая база измерений.
Значения акустических характеристик, определенных по методу поверхностного профилирования, отличаются от значений свойств пород при измерениях в глубине массива.
Добавлено Serxio 20-03-2017, 14:11 Просмотров: 929
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent