Термический эффект при вибросейсмическом воздействии на грунт Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.834

ТЕРМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

ПРИ ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ГРУНТ

Вячеслав Иванович Юшин

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, главный научный сотрудник, тел. 8(383)330-59-32, e-mail: [email protected]

Дмитрий Евгеньевич Аюнов

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник, тел. 8(383)333-03-99, e-mail: [email protected]

В ближней зоне сейсмического вибратора выявлен ряд закономерностей сейсмотермическкого эффекта. Подтвержден ранее обнаруженный эффект "усталости", и предположена связь явления с тиксотропностью грунта. Выведена эмпирическая формула затухания сейсмотермического эффекта по глубине, имеющая четко выраженный экспоненциальный характер. Также была произведена оценка максимальной механической работы вибратора, затраченную на нагрев среды под платформой. Сопоставление уровней сейсмотермического эффекта при мощных низкочастотных и слабых высокочастотных воздействиях дает основания предполагать решающую роль не только амплитуды, но и частоты колебательных деформаций.

Ключевые слова: нагрев грунта, сейсмотермический эффект, диссипация, источник сейсмических волн, тиксотропность, вибровоздействие.

THERMAL EFFECT OF VIBROSEISMIC IMPACTS ON GROUND

Vyacheslav I. Yushin

A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Acad. Koptyug av., 3, tel. 8(383)330-59-32, e-mail: [email protected]

Dmitry E. Ayunov

A.A. Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Acad. Koptyug av., 3, tel. 8(383)330-59-32, e-mail: [email protected]

The internal heating of the ground by the influence of the external mechanical vibrations have been investigated. An effect of "fatigue" previously detected was confirmed, and it was suggested a cause of this phenomenon is a thixotropy of ground. The empirical formula of attenuation of seismo-thermical effect vs depth under the low-frequency vibrator plate in the summer was deduced. Also the maximum mechanical activity exspended on heating has been estimated. The important significance of frequency of oscillatory deformations was shown.

Key words: ground heating, seismothermal effect, dissipation, seismic waves source, thixotropy, vibroseismic impacts.

С помощью вибратора ЦВ-40 на протяжении последних лет силами Геофизической службы СО РАН выполняется активный вибросейсмический мониторинг, для чего на нем еженедельно в одно и то же ночное время проводится 9-часовая серия вибровоздействий с суммарной длительностью

колебаний около 5 час, исключая паузы. На основе этих работ силами Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН с 2011 г. был организован долговременный сейсмотермический мониторинг. В ближней зоне виброисточника до глубины 6 м были установлены 8 термощупов. Первым результатом мониторинга явилось полученное приблизительное распределение сейсмотермического эффекта в подвибраторном массиве в летнее время [Юшин и др., 2011; Аюнов и др., 2012]. В ходе наших исследований сейсмотермический эффект обнаружен и измерен при невзрывном возбуждении сейсмических волн (вибратор, акустический и импульсный источник) в широкой полосе частот: от единиц до сотен герц и при импульсных (ударных) воздействиях. Для его наблюдения необходима регистрация температуры с дифференциальной чувствительностью порядка 10" °С и с полосой частот от 0 до 1 Гц. На существующем уровне техники его можно наблюдать в связанной неконсолидированной среде.

Сейсмотермический эффект, по нашему мнению, является важнейшей составной частью поглощения упругих волн. Физическая сторона сейсмотермического эффекта, по"видимому, заключается во внутреннем трении частиц в процессе колебательных деформаций связной среды. Преобладающую роль в наших экспериментах играло вязкое трение, связанное с наличием внутрипоровой воды. Об этом свидетельствует исчезновение нагрева в тех точках грунта, где температура падала ниже 0 °С, то есть, где в результате замерзания воды происходит фазовое превращение структуры среды из дисперсной в квазикристаллическую. Другое свидетельство роли воды - это эффект "усталости" или "насыщения", который можно объяснить тиксотропными свойствами грунта. Как известно, тиксотропность объясняется обратимым разупрочнением структурных связей между минеральными частицами связной породы. При механическом воздействии происходит переход связанной воды в свободную, что вызывает снижение прочности структурных связей, снижение вязкости грунта и, следовательно, уменьшение тепловых потерь. Прекращение воздействия приводит к обратному переходу воды из свободного состояния в связанное и восстановлению прочности грунта. О разуплотнении связной среды под воздействием вибрации свидетельствует также снижение скорости сейсмических волн под воздействием интенсивных вибрационных колебаний [Геза и др., 2001; Геза и др., 2004].

Рассмотрим теперь зависимость сейсмотермического эффекта от мощности потребляемой вибратором от питающей сети. На рис. 1 сопоставлены две характеристики работы вибратора: энерго"частотная (мощность, затрачиваемая на создание колебаний) и термо"частотная (скорость роста температуры под плитой). Взаимная коррелированность этих графиков очевидна. Низкая скорость нагрева в области низких частот сопровождается малым уровнем энергозатрат вибратора и может быть связана как с низкой частотой, так и с низкой амплитудой силы дебалансного вибратора на низкой частоте, зависящей от частоты квадратично. Возможна также зависимость

сейсмотермического эффекта от обоих этих факторов, но графики на рис. 1, к сожалению, не дают ответа на этот вопрос. Частотная зависимость ясно проявляется в вариациях температуры при вибровоздействиях разного частотного диапазона. Например, при одинаковой длительности сеансов вибрации в 22 и 0 часов, наблюдаются совершенно разные их термические реакции. Если в первом из них рост температуры начинается сразу после включения вибратора, то во втором в первый момент сейсмотермический эффект настолько слаб, что не может преодолеть естественный отрицательный суточный температурный тренд. Действительно, в первом случае вибратор начинает развертку частоты с 8 Гц, а во втором - с 6.5 Гц. С ростом частоты амплитуда и мощность колебаний растут, вследствие чего интенсивность нагрева возрастает, изменяя общее направление хода температуры. Отметим, что на удлиненном сеансе в 06:00, перекрывающем полосы частот первого и второго сеансов, общий прирост температуры оказался даже ниже, чем в одном лишь первом сеансе. Мы объясняем эффектом "усталости" вследствие длительной предшествующей работы.

Частота, Гц

Рис. 1. Электрическая мощность вибратора ЦВ-40 (верхний график) и сглаженная по частоте скорость нагрева грунта на глубине 20 см в функции частоты (нижний график)

Нами также была произведена оценка максимальной механической работы вибратора Р, затраченную на нагрев среды под платформой, то есть, энергию, фактически отнятую у сейсмических волн. Для энергетических расчетов удобнее использовать величину ^ - скорость роста температуры при

работе вибратора ЦВ-40 с максимальный потребляемой мощностью (сейсмотермический коэффициент), отнесенную к секунде [ДТ°С/с].

Для упрощения расчета тепловых потерь допустим, что нагреванию подвержен столб грунта сечением, равным площади платформы и глубиной, по крайней мере, до наиболее глубокой точки заложения датчика (6 м). При этом в каждом горизонтальном сечении на глубине И величина ^ постоянна. С учетом такого допущения приближенный расчет можно провести по формуле:

н о

где с - удельная теплоемкость грунта, [кДж/(кг 1°С)], И - глубина под

л

платформой вибратора [м], Б - площадь платформы, [м ]. Эмпирическая формула затухания сейсмотермического эффекта по глубине имеет четко выраженный экспоненциальный характер. Эмпирическая зависимость, представленная на рис. 2, получена путем анализа множества экспериментов в летний период. Начиная с глубины И=0.2 м, она хорошо аппроксимируется аналитической функцией:

^Ъ) = 0.0682 И-116,

которая показана на рис. 2 жирной линией. Эта аппроксимация дает основания экстраполировать зависимость до значительно большей глубины.

Рис. 2. Максимальная скорость нагрева грунта под вибратором ЦВ40 в функции глубины (маркеры - эксперимент, линия - аналитическая аппроксимация)

Примем для расчета значение теплоемкости сухой утрамбованной земли:

-5

с=1.8 кДж/(кг- 1°С). Плотность по нашим измерениям р=1800 кг/м , площадь

Л

платформы S=12 м . Расчет показал, что до глубины 6 м мощность тепловых

Л

потерь в столбе грунта сечением 12 м составила около 13.5 кВт, или 38% максимальной электрической мощности вибратора, а с использованием экстраполяции до глубины 10 м, можно прогнозировать потери до 14.5 кВт (40%).

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 12-05-33-00337, интеграционного проекта СО РАН № 54, интеграционного проекта № 45 (совместно с Институтом геофизики УрО РАН).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Юшин В.И., Аюнов Д.Е., Дучков А.Д. Мониторинг изменений температуры под плитой действующего сейсмического вибратора / сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса ТЕО-Сибирь-20П". Т.2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1. Изд. СГГА, Новосибирск, 2011. С. 32-36.

2. Аюнов Д.Е., Пермяков М.Е., Юшин В.И. Сейсмотермический эффект при работе вибратора на Быстровском вибросейсмическом полигоне. / Сб. матер. VIII Междунар. научн. конгресса "ГЕО-Сибирь-2012". Т. 2: Недропользование. Горное дело. Новые направления разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Изд. СГГА, Новосибирск, 2012. С. 90-94.

3. Геза Н.И., Егоров Г.В., Мкртумян Ю.В., Юшин В.И. Экспериментальное исследование мгновенных вариаций скорости и затухания сейсмических волн в рыхлой среде in situ, подвергаемой пульсирующей динамической нагрузке // Геология и геофизика. 2001. Т. 42. №7. С. 1135-1144.

4. Геза Н.И., Егоров Г.В., Юшин В.И. Особенности напряженного состояния рыхлой среды, подвергаемой пульсирующей нагрузке // Труды международной конференции "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли", изд. ИГД СОРАН, 2004, с.340-347.

© В. И. Юшин, Д. Е. Аюнов, 2014