Модульный ультразвуковой каротажный комплекс: конструкция и результаты измерений на физической модели скважины

Предложен ряд оригинальных конструктивных решений при изготовлении скважинного акустического зонда, направленных на повышение надежности и эффективности измерений. Реализована технология пневмоприжима; использован квазиточечный сухой акустический контакт на границе «преобразователь–порода» (в этом случае протектор имеет криволинейную поверхность, малый участок которого повторяет геометрию стенки скважины), что позволило достичь оптимальных (с точки зрения потерь энергии) условий ввода и приема ультразвуковых колебаний. Для проверки работоспособности аппаратурного комплекса изготовлена физическая модель скважины, содержащая участки ненарушенного массива, одиночные трещины и их системы. В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что ультразвуковой каротаж с использованием сконструированного зонда позволяет стабильно выявлять как единичные, так и системы нарушений сплошности в породном массиве. Стабильное поведение скорости ультразвуковой волны в ненарушенном участке модели свидетельствует о том, что разработанный прижимной механизм и форма протектора пьезопреобразователя в процессе измерений обеспечивают единообразие контактных условий на всей протяженности скважины.

Чумаков А. А., Николенко П. В., Гупало В. С. Модульный ультразвуковой каротажный комплекс: конструкция и результаты измерений на физической модели скважины // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 3. – С. 119–129. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_3_0_119.

Чумаков Андрей Александрович¹ — аспирант, e-mail: aachumakov@misis.ru, ORCID ID: 0009-0006-3697-3527,
Николенко Петр Владимирович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: p.nikolenko@misis.ru, ORCID ID: 0000-0002-5126-6576,
Гупало Владимир Сергеевич — докт. техн. наук, зав. лабораторией, ИБРАЭ РАН, e-mail: gupalo@ibrae.ac.ru, ORCID ID: 0000-0002-2228-1275,
¹ НИТУ МИСИС.

Чумаков А.А., e-mail: aachumakov@misis.ru.

1. Schuster K., Furche M., Shao H., Hesser J., Hertzsch J.-M., Gräsle W., Rebscher D. Understanding the evolution of nuclear waste repositories by performing appropriate experiments — selected investigations at Mont Terri rock laboratory // Advances in Geosciences. 2019, vol. 49, pp. 175—186. DOI: 10.5194/adgeo-49-175-2019.

2. Kim J. S., Kwon S. K., Sanchez M., Cho G. C. Geological storage of high level nuclear waste // KSCE Journal of Civil Engineering. 2011, vol. 15, pp. 721—737. DOI: 10.1007/s12205-011-0012-8.

3. Bossart P., Bernier F., Birkholzer J., Bruggerman C., Connoly P., Dewonck S., Fukaya M., Herfort M., Jensen M., Matray J., Mayor J., Moeri A., Oyama T., Schuster K., Shigeta N., Vietor T., Wieczorek K. Mont Terri rock laboratory, 20 years of research: introduction, site characteristics and overview of experiments // Swiss Journal of Geosciences. 2017, vol. 110, pp. 3—22. DOI: 10.1007/ s00015-016-0236-1.

4. Морозов О. А., Расторгуев А. В., Неуважаев Г. Д. Оценка состояния геологической среды участка Енисейский (Красноярский край) // Радиоактивные отходы. — 2019. — № 4(9). — С. 46—62. DOI: 10.25283/2587-9707-2019-4-46-62.

5. Савельева Е. А. Международная кооперация по геологическому захоронению РАО в кристаллических горных породах (Кристаллический клуб) // Радиоактивные отходы. — 2019. — № 2(7). — С. 58—64. DOI: 10.25283/2587-9707-2019-2-58-64.

6. Румынин В. Г. Опыт изучения глинистых толщ и кристаллических массивов как геологических сред для окончательной изоляции РАО // Радиоактивные отходы. — 2017. — № 1(1). — С. 44—55.

7. Жуков В. С., Кузьмин Ю. О. Экспериментальные исследования влияния трещиноватости горных пород и модельных материалов на скорость распространения продольной волны // Физика Земли. — 2020. — № 4. — С. 39—50. DOI: 10.31857/S0002333720040109.

8. Кузнецов Ю. И. Акустический каротаж как возможный метод исследования трещиноватости горных пород // Каротажник. — 2017. — № 2(272). — С. 95—107.

9. Аверин А. П. Исследование параметров затухания при ультразвуковых наблюдениях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2004. — № 10. — С. 66—70.

10. Долгирев С. С., Кириченко Ю. В. Новые подходы к расчету проницаемости трещинных зон и коллекторов трещинно-кавернозного типа // Каротажник. — 2018. — № 6(288). — С. 85—93.

11. Schuster K., Amann F., Yong S., Bossart P., Connolly P. High-resolution mini-seismic methods applied in the Mont Terri rock laboratory / Mont Terri Rock Laboratory, 20 Years. 2017, pp. 215—233. DOI: 10.1007/978-3-319-70458-6_11.

12. Schuster K. Mini-Seismic Methods for the in-situ characterization of clay rocks—Examples from URL Meuse/Haute-Marne (France) and HADES URF (Belgium) // Geomechanics for Energy and the Environment. 2019, vol. 17, pp. 16—28. DOI: 10.1016/j.gete.2018.09.005.

13. Баюк И. О., Рыжков В. И. Определение параметров трещин и пор карбонатных коллекторов по данным волнового акустического каротажа // Технологии сейсморазведки. — 2010. — № 3. — С. 32—42.

14. Гик Л. Д. Методы изучения трещин и пор горных пород на основе данных акустического каротажа // Физическая мезомеханика. — 2008. — Т. 11. — № 4. — С. 67—73.

15. Захаров В. Н., Аверин А. П. Механизмы затухания волновых процессов при ультразвуковых наблюдениях // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2005. — № 7. — С. 95—100.

16. Савич А. И., Коптев В. И., Никитин В. Н., Ященко З. Г. Сейсмоакустические методы изучения массивов скальных пород. — М.: Недра, 1969. — 239 с.

17. Gubaidullin A. A., Boldyreva O. Y., Dudko D. N. Velocity and attenuation of linear waves in porous media saturated with gas and its hydrate // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2022, vol. 63, pp. 599—605. DOI: 10.1134/S002189442204006X.

18. Voznesenskii A. S., Krasilov M. N., Kutkin Y. O., Tavostin M. N. Reliability increasing of an estimation of rocks strength by non-destructive methods of acoustic testing due to additional informative parameters // The Minerals, Metals & Materials Series. 2019, pp. 411—423. DOI: 10.1007/9783-030-05749-7_41.

19. Nikolenko P. V., Zaitsev M. G. Effect of discontinuities on elastic wave velocities in high-stress rock samples: Experimental research using ultrasonic interferometry // Journal of Mining Science. 2022, vol. 58, pp. 936—944. DOI: 10.1134/S1062739122060084.

20. Chou C.-P., Hannaford B. Measurement and modeling of McKibben pneumatic artificial muscles // IEEE Transactions on Robotics and Automation. 1996, vol. 12, no. 1, pp. 90—102. DOI: 10. 1109/70.481753.

21. Soleymani R., Khajehsaeid H. A mechanical model for McKibben pneumatic artificial muscles based on limiting chain extensibility and 3D application of the network alteration theories // International Journal of Solids and Structures. 2020, vol. 202, pp. 620—630. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2020.06.036.

22. Tianyang Li, Zizhen Wang, Yu Jeffrey Gu, Ruihe Wang, Yuzhong Wang Experimental study of fracture structure effects on acoustic logging data using a synthetic borehole model // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019, vol. 183, article 106433. DOI: 10.1016/j.petrol.2019.106433.

23. Николенко П. В., Зайцев М. Г. Оценка шероховатости поверхности и идентификация типа горных пород ультразвуковыми и оптическими методами // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 3. — С. 5—15. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_5.