Ультразвуковые исследования образцов горных пород при атмосферных условиях методом «Многоуровневого ультразвукового сканирования»

Общая информация:

Методы определения упругих свойств горных пород можно подразделить на статические и динамические. Статические методы основаны на измерении деформаций образцов исследуемых пород под нагрузкой. Динамические методы определения деформационных (упругих) свойств пород основаны на измерении скоростей упругих колебаний, возбуждаемых в исследуемых образцах в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, т.е. фактически являются методами определения акустических свойств пород. Наибольшее распространение в практике исследования свойств горных пород получил импульсный динамический метод, в основе которого лежит пропускание через образец исследуемой породы повторяющихся импульсов ультразвуковых колебаний, по значениям скоростей распространения которых рассчитывают упругие характеристики. Определение акустических, а затем и упругих свойств импульсным динамическим методом обычно ведут путем прямого прозвучивания и продольного профилирования образцов горных пород. Для прозвучивания образца к одному из его торцов прижимают ультразвуковой излучатель, а к другому - приемник (кристаллы кварца, сегнетовой соли, керамика титаната бария, магнитострикционные преобразователи и др.). Следует заметить, что модуль упругости, определяемый динамическими методами, обычно бывает несколько выше, чем при статических измерениях. Это расхождение обусловлено неидеальной упругостью пород, оно минимально для весьма плотных разновидностей и возрастает по мере снижения плотности пород. Экспериментально определив модуль продольной упругости Е и коэффициент поперечных деформаций µ, можно вычислить значения модуля сдвига G и модуля всестороннего сжатия К.

Описание экспериментальной установки

Рис. 1. Блок-схема установки для измерения упругих скоростей при нормальных условиях.

Измерения скоростей упругих волн при нормальных условиях проводилятся в соответствии с ГОСТ 21153.7–75 при помощи комплекта аппаратуры, состоящего из генератора-приемника ультразвуковых сигналов «Olympus 5072 РR» (производство США) и пар датчиков Р- и S-волн «Panametrics» (производство США). Для исследования образцов полноразменого керна используются датчики с собственной частотой колебаний 1 МГц, для образцов размером Ø30x60 мм – 5 МГц. Блок схема системы наблюдений показана на рисунке 1. Каждый датчик может использоваться и как источник, и как регистратор упругих колебаний. Датчик-источник преобразует импульсный электрический сигнал, подаваемый с выхода генератора, в упругий сигнал, форма которого показанна на рис. 2. Датчики P-волн генерирует/регистрируют смещения перпендикулярные рабочей поверхности датчика, S-волн – линейно поляризованные смещения вдоль поверхности датчика. Сигнал с датчика-регистратора подается на вход приемного усилителя и перенаправляется на вход цифрового осциллографа. Полученные волновые формы с помощью осциллографа «ТiеРiе 508» (Нидерланды) преобразуются в цифровую форму и сохраняются в файлах на жестком диске управляющего компьютера. Начало регистрации волновой формы синхронизовано с началом импульсного сигнала.

При определении времени вступления волн необходимо делать поправку на конечность скорости реакции датчиков. Для определения временной поправки проводятся специальные измерения: датчик накладывается на датчик, при этом время реакции датчика определяется как время вступления регистрируемого сигнала.

Для улучшения контакта между датчиками и поверхностью образца в качестве контактной смазки применяется гель полисахаридов. Эксперименты по определению времени реакции датчиков с использованием различных контактных смазок (различные полисахариды, медицинский гель для ультразвуковых исследований, ЦАИТИМ) показали, что время реакции не зависит от использованной смазки. Время реакции использованных датчиков с собственной частотой 1 МГц составляет 0.175 mс для датчиков P-волн и 0.271 mс для датчиков S-волн, датчиков с частотой 5 МГц – 0.140 µс для датчиков P-волн и 0.180 mс для датчиков S-волн.

Для подавления помех регистрация ведется с накоплением не менее 64 повторяющихся импульсов.

Методика наблюдений, измеряемые параметры

Рис. 4. Многоуровневые индикатрисы скоростей продольной волны, поперечной волны и отношения скоростей продольной и поперечной волны.

Исследуются образцы полноразмерного керна и подготовленные образцы цилиндрической формы диаметром 30 мм длиной 60 мм. Измерения времени распространения объемных упругих волн проводятся вдоль оси образца и перпендикулярно оси образца датчиками P-волн и датчиками S-волн с двумя перпендикулярными направлениями поляризации сигнала в источнике. При радиальных измерениях перпендикулярно оси образца датчики устанавливаются на одном уровне относительно основания образца в диаметрально противоположных точках. Для получения детальных данных об анизотропии и неоднородности образца радиальные измерения проводятся вдоль 12 профилей, проходящих через ось образца с шагом по азимутальному углу 30о и шагом вдоль профиля 5 мм. При регистрации поперечных волн оба датчика (источник и регистратор) устанавливаются так, чтобы их поляризация была параллельна. Время распространения продольных волн определялись по записям датчиков P-волн, время распространения поперечных – волн по записям S-датчиков. При радиальных измерениях в каждой точке S-датчики поляризованы параллельно оси образца и перпендикулярно ей. Времена распространения волны определялись по зарегистирированным сигналам как момент первого вступления волны. За реальное время распространения принимется разность измеренного времени и поправки на время реакции датчика соответствующего типа. Скорости распространения объемных волн вычисляются как отношения расстояния между датчиками ко времени распространения.

В результате обработки полученных данных выполняется построение многоуровневых индикатрис скоростей продольных и поперечных волн. Пример приведен на рис 4.