بخشی از مقاله
چكيده:
كاهش ارتعاشات سطحي موج ريلي كه باعث ايجاد امواج لولهاي در برداشت درونچاهي ميگردد، بررسي ميشود. اثرات پارامترها روي پارامترهاي مختلف يك سد به كمك مدل المان محدود امتحان ميگردند. اين مدل شامل لايه خاكي روي سنگ بستر ميباشد. عمق خندق و ضريب كشساني مهمترين پارامتر براي محيط جامد ميباشند. براي محيط سيال به عنوان محيط طبيعي فيلتر كننده امواج، فرمولبندي المان محدود جفت شده سيال و خاك، به كار گرفته شد. مهمترين هدف اين مطالعه، بررسي ساز و كار استفاده از سدها براي كمينه كردن امواج ريلي در عمليات VSP با ويبراتور بود.
١ - مقدمه
امواج لولهاي قويترين نوفه همدوس در عمليات نيم رخ لرزهاي قائم ميباشند؛ زيرا نميتواند با برانبارش شوتهاي تكرار شده، تقليل يابد. اين موج با رارتك برداشت در هر عمق، معمولاً تقويت ميگردد زيرا مشخصه شكل موجياش براي تمام ثبتهايي كه قرار است برانبارش گردند، سازگار ميباشد.
بنابراين شناسايي فرايندهاي ميداني براي حذف يا كاهش اين نوع موج مهم است. از آنجا كه منبع اصلي امواج لولهاي، امواج زمين غلت است كه در عرض مسير چشمه تا سرچاه منتشر شده و حركت قائم ستون گل در چاه را توليد ميكند، در اين صورت فرايندهاي ميداني دفاعي، بايد روي كاهش امواج زمين غلت در سرچاه و يا روي جلوگيري از انتقال انرژي زمين غلت به ستون گل، تمركز نمايند. چندين روش براي كاهش انرژي امواج زمين غلت رسيده به سرچاه، استفاده شدهاند - هارديج، ١٩٨٣ - . در اينجا قراردادن سدي فيزيكي بين چشمه و سر چاه كه امواج سطحي سير كننده به چاه را مسدود نمايد، مورد بررسي قرار ميگيرد.
٢ - روش تحقيق
ايجاد يك سد موجي در زمين بين چشمه لرزهاي و چاه، ناپيوستگياي را براي انتشار امواج فراهم ميكند. امواج برخورد كننده به اين خندق، به ٥ گروه مختلف تقسيم ميگردند - شكل١-الف - . در شكل ١-ب، مثال ميداني عملي مورد استفاده در اين مطالعه آورده شده است.
تئوري حاكم ديناميك ساختاري و برهمكنش سيال-ساختگاه : - FSI - معادله ديفرانسيلي جابجايي يك جامد سه-بعدي:
شكل١. الف - امواج مختلف توليد شده بعد از برخورد جبههموج ارتعاشي به سد - مقطع عمقي - : امواج ريلي بازتابيده، امواج ريلي عبور كننده از سد، امواج حجمي انتشاريافته پايينسوي بازتابيده از ديواره سد، امواج حجمي عبور كننده از سد و امواج انتشاريافته از طريق خاك و سنگ بستر زير سد. ارتعاشات زمين بعد از سد، ناشي از موارد دوم، چهارم و پنجم هستند. ب - موقعيت خندق حفر شده و ويبراتور براي انجام تست در دو حالت مختلف. موقعيت بيضي قرمز و سبز به ترتيب در امتداد و دور از خط اتصال دهنده خندق به چاه ميباشند.
شكل٢. نتايج شبيهسازي دامنه مختلط جابجاييهاي قائم Hz ١٥، شكل٣. كاهش ميانگين در سطح ارتعاشي - جابجايي - ، - الف - برحسب عمق است و - ب - برحسب موقعيت خندق.
تانسور تنش، بردار نيروي حجمي، چگالي جرمي، u بردار جابجايي گرهي، عملگر ديفرانسيلي و t زمان ميباشند. به كمك روش گالركين، فرمولبندي FE براي يك حوزه ساختاري به شكل زير در ميآيد:
- ٢ - MS ماتريس جرم، KS ماتريس سختي و fS بردار نيروي اعمالي ميباشند.
برهمكنش سيال-ساختگاه: فرض ميگردد ميدان فشار سيال همگن كشسان غير ويسكوز، غيرچرخشي - - ، تركم-پذير باشد. در معادله حركت از تغيير حجمي صرفنظر ميگردد و به صورت زير نوشته ميشود:
كه در آن ، چگالي ايستايي، بردار جابجايي سيال، t زمان، ، عملگر گراديان و p فشار سيال كشسان ميباشد - سندبرگ و اهايون، ٢٠٠٨ - . به كمك روش گالركين، فرمولبندي FE براي محيط سيال كشساني ميتواند به صورت:
نوشته شود كه در آن p بردار فشار گرهي ميباشد. به كمك پيوستگي فشار و همچنين پيوستگي در جابجاييهاي سيال و ساختگاه در جهت عمود بر مرز مشتركشان به همراه معرفي يك ماتريس جفت شدگي H ، سيستم معادلات كامل سيال-ساختگاه ميتواند به صورت زير نوشته شود:
مقدار RMS به عنوان اندازهاي از بزرگي ارتعاش براي ارزيابي و اهداف مقايسهاي استفاده گرديد. مقدار RMS جابجاييها از تحليلهاي حالت پايا توسط معادله زير تعيين گرديد:
URMS مقدار RMS جابجاييها، U - f - i بزرگي جابجاييها در هر فركانس و n تعداد فركانسها در هر بازه - فاصله - ميباشد.
مطالعه پارامتري سدها: به منظور عينيت دادن به اينكه سدهاي موجي تاثير بزرگي روي انتشار جبههموج دارند، بزرگيهاي مختلط قائم جابجاييها حاصل از شبيهسازيها با و بدون خندق، براي يك بار هارمونيك در ١٥ هرتز در شكل٢ نشان داده شده است. در اين شكل مشخص است كه سطح ارتعاشي در سطح زمين به سمت راست خندق در مقايسه با حالت بدون خندق، كاهش يافته است.
مطالعه پارامتري خندقها براي موقعيتها، پهناها و عمقهاي مختلف انجام شد. كاهش در سطح ارتعاشي در شكل ٣ به صورت تابعي از عمق خندق نشان داده شدند. عمق d بين ٠ تا ١٦ متر تغيير داده شد. بزرگترين تغيير براي افزايش از ٦ تا ١٠ متر در عمق حاصل شد. بين ٦ و ١٠ متر، اين كاهش در سطح ارتعاشي، از ٢١% به ٥٥% افزايش مييابد. كاهش ٦٥% ميتواند براي عمق ١٦ متري بدست آيد.
پهناي w خندق بين ٢٥.٠ تا ٤ متر تغيير داده و نتيجه گرفته شد كه پهنا تنها يك اثر بسيار كوچك روي كاهش سطح ارتعاشي ميگذارد. سد، امواج فرودي را بازتاب مينمايد اما همچنين در اختلال در جبههموج سهيم است كه اين مورد باعث شكست موج و پراش امواج انتشاريافته ميگردد.
تغييرات در سرعت و جهت جبههموج ناشي از بازتابش، شكست و پراش به تداخلات امواج در فواصل مشخص از سد منجر ميگردند. بنابراين، موثرترين موقعيت به منظور كاهش ارتعاشات براي سد مي-تواند تعيين گردد. در شكل٣-ب، كاهش بدست آمده در سطح ارتعاشي براي موقعيتهاي مختلف خندق، نشان داده شده است. نتيجه اينكه موثرترين موقعيتهاي خندق در عمل بين ٢٠ تا ٨٠ متر از چشمه بود.
چهار پارامتر براي ماده پركننده شامل ضريب كشساني، فاكتور افت، چگالي جرمي و نسبت پواسون تغيير داده شدند:
ضريب كشسان بين ١ و MPa٥٠٠٠٠ تغيير يافت. همانطور كه در شكل٤- الف، مشاهده ميگردد، بالاتر از مقدار تقريباً MPa٣٥، ضريب كشساني اثر مشخصي روي اثربخشي اين سد براي كاهش درجه ارتعاش دارد. فاكتور اتلاف بين ٠١.٠ و ٢، چگالي جرمي بين ١٠ و ٣٠٠٠ كيلوگرم بر مترمكعب و نسبت پواسون بين ٠١.٠ و ٤٨.٠ تغيير يافت. از آنجا كه خندق باريك ميباشد، تغيير يافتن اين پارامترهاي ماده پركننده فقط اثر كمي روي كاهش دارد.
براي تحقيق اثرات نفوذ آب به داخل خندق، مطالعه پارامتري با در نظر گرفتن برهمكنش سيال- ساختگاه - FSI - در تحليل FE انجام شد. همانطور كه از شكل ٤-ب مشخص است، سطح سيال در خندق ميتواند به طور خيلي مشخص، كاهش بدست آمده در سطح ارتعاشي را تحت تاثير قرار دهد. براي مطالعه تاثير فاصله، كاهش ميانگين در سطح ارتعاشي برحسب موقعيت اين ارزيابي در شكل٥ براي دو محدوده فركانسي مختلف نشان داده شده است.
به عنوان نمونهاي از كاربرد عملي اين روش در عمليات لرزهاي قائم، مورد مطالعاتي چاه ٢١٠ آغاجاري بود. شكل١-ب، موقعيت خندق حفر شده و محلهاي قرارگيري ويبراتور را نشان ميدهد. ويبراتور به طور متوالي در هر موقعيت گيرنده ثابت بين موقعيت قرمز - در راستاي خندق-چاه - و سبز - غير اين راستا - جابجا ميشد و شروع به انجام سوئيپ ميكرد. مولفه Zحاصل برداشت دادهها در شكل٦ نشان داده شده است. مشاهده ميگردد كه نوفهها به مقدار بسيار چشمگيري كاهش يافته-اند. شكل٧ نيز دادههاي حاصل بعد از قرارگيري ويبراتور در مقابل خندق، در طول كل چاه را نشان ميدهد.
شكل٤. كاهش ميانگين در سطح ارتعاشي - جابجايي - ، - الف - برحسب ضريب شكل٥. كاهش ميانگين در سطح ارتعاش - جابجاييها - توسط يك كشسان ماده پركننده جامد و - ب - برحسب سطح سيال آب در خندق. خندق با پارامتر هاي پايه برحسب موقعيت اين ارزيابي.
شكل٦. تاثير تضعيف امواج لولهاي توسط فيلتر طبيعي خندق حفرشده در چند عمق مختلف. دادههاي لرزهاي سمت راست و چپ به ترتيب حالتهاي بدون و با وجود خندق را نشان ميدهند. كادر متوازيالاضلاع در هر بخش، بيانگر محدوده امواج لولهاي ميباشد.
