Способ дистанционного измерения напряжений в недрах сквозь толщу поглощающей породы в условиях сильных помех
METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF STRESSES IN THE EARTH ENTRAILS THROUGH ABSORBING ROCK IN CONDITIONS OF STRONG INTERFERENCE

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.