Фокусирование цилиндрических расходящихся волн в приложении к задачам скважинной геоакустики (22.03.2010)

Автор: Касьянов Дмитрий Альбертович

Детально исследованы возможности метода фокусирования расходящихся цилиндрических волн с помощью непрерывных начальных фазовых распределений. Рассмотрены случаи параболического и сферического начальных распределений фазы, произвольного амплитудного распределения по начальной апертуре, рассмотрены особенности фокусирования, возникающие при ограничении начальной апертуры. Показано, что фокусирование расходящихся цилиндрических волн позволяет эффективно скомпенсировать начальную цилиндрическую расходимость и обеспечить в определённой области пространства превышение амплитуды сфокусированного поля над амплитудой цилиндрически расходящегося до 10 раз.

Показана принципиальная возможность эффективного фокусирования расходящегося цилиндрического фронта с помощью дискретных начальных фазовых распределений. Теоретически и экспериментально доказано, что распределение зон Френеля на расходящемся цилиндрическом фронте существенно отличается от плоского и сферического случаев. Экспериментально найдены и исследованы различные варианты создания цилиндрической зонной линзы.

2. Показано, что оптимальным типом фокусирующего скважинного излучателя является антенна, собранная в виде цилиндрической зонной линзы.

В широкой области параметров получены и проанализированы двумерные выражения для полей радиальных и тангенциальных смещений, создаваемых в твёрдой среде протяжённой пьезокерамической антенной, собранной в виде цилиндрической зонной линзы и находящейся в заполненной жидкостью скважине.

Разработана процедура получения оптимальных условий согласования реальных протяжённых антенн, находящихся в заполненных жидкостью скважинах, с массивом. Результаты протестированы в полевом эксперименте.

Впервые найдены импедансные граничные условия, позволяющие корректно описать некомпенсированную пьезокерамическую антенну, работающую в заполненной жидкостью скважине.

3. Построена модель оптимального фокусирующего скважинного излучателя.

Определены предельные возможности фокусирования цилиндрически расходящегося акустического поля в твёрдой среде.

Впервые изготовлены и испытаны скважинные акустические источники с возможностью фокусирования акустического поля.

Разработаны принципы создания фокусирующего акустического скважинного излучателя с переменным фокусным расстоянием.

4. Впервые проведён успешный полевой эксперимент по акустической интенсификации процесса подземного выщелачивания редких металлов. Показано, что при акустическом воздействии сфокусированным полем существует возможность увеличения содержания полезного компонента в откачиваемом растворе до 300%.

Дан анализ экспериментальных данных, определены физические механизмы интенсифицирующего действия акустического поля в конкретном процессе подземного выщелачивания урана из гидрогенных месторождений, находящихся на поздних стадиях эксплуатации.

Показано, что использование сфокусированных акустических полей для интенсификации большинства известных скважинных геотехнологических процессов обладает значительной перспективой, особенно для улучшения фильтрационных свойств прискважинной зоны.

5. Обоснованы перспективы использования скважинных фокусирующих источников в процессе подземного растворения солей. Определена стадия процесса, требующая совершенствования существующих технологий и пригодная для интенсификации с использованием фокусирующих скважинных источников с переменным фокусным расстоянием. Показано, что можно существенно, по оценкам, до 3-х раз, сократить время подготовки рассолопромысла к промышленной эксплуатации.

6. Обоснованы перспективы использования скважинных фокусирующих источников для создания односкважинного метода исследования нелинейных упругих характеристик геологических сред, находящихся в реальном залегании. Метод основан на экспериментально обнаруженном эффекте дифракционного низкочастотного рассеяния на неоднородностях акустического поля.

В Приложение 1 представлены подходы к решению дифракционных задач, связанных с распространением сфокусированных цилиндрически расходящихся фронтов, используемые в настоящей диссертации. В Приложении также проанализированы точные представления Функции Грина кольца и на их основе получены удобные приближения для решения различных дифракционных задач в цилиндрической геометрии.

В Приложение 2 получена, используемая в диссертации, но ранее неизвестная асимптотика неполной цилиндрической функции Ханкеля.

В Приложение 3 представлен вывод уравнений движения для нелинейного изотропного твёрдого тела в цилиндрической геометрии в квадратичном по полю приближении. Использована Лагранжева формулировка уравнений движения. Далее, на основе полученных приближений, рассмотрена конкретная модельная задача о фокусировании расходящейся цилиндрической волны, однородной по азимутальному углу.

Основные публикации по материалам диссертации:

Касьянов Д.А. Фокусирование расходящейся цилиндрической волны. – Акуст. журн., 1993, т. 39. № 6, с. 1076-1087.

Касьянов Д.А. Фокусирование расходящейся цилиндрической волны II. – Акуст. журн., 1994, т. 40. №1. с. 76-83.

Касьянов Д.А. Некоторые замечания относительно функции Грина кольца. – Акуст. журн., 1993, т. 39. № 5. с. 949-951.

Касьянов Д.А., Шалашов Г. М. Исследование нелинейного распространения расходящейся цилиндрической волны с фокусировкой. – Акуст. журн., 1988. т. 34. № 4, с. 651-656.

Kas'yanov D.A., Shalashov G.M. Nonlinear theory on the propagation diverging focused cylindrical wave, in Problem of nonlinear acoustic. Proc. of IUPAP-IUTAM Symposium on nonlinear acoustic. - Novosibirsk, 1987, Part 2 P. 129 - 131.

Касьянов Д.А. Цилиндрическая зонная линза. – Изв. Вузов Радиофизика, 2000, т. 43, с. 782-792.

Иудин Д.И., Касьянов Д.А., Шалашов Г.М. Фильтрационное течение в среде с переменной пористостью. – ДАН СССР, 1999, № 2, с. 257-259.

Иудин Д.И., Касьянов Д.А., Копосов Е.В., Панютин А.А. Универсальная форма нелинейного закона фильтрации в дисперсных грунтах. – Приволжский научный журнал, 2007, №4, с. 108-114.

Касьянов Д.А., Шалашов Г.М. Фокусирование расходящихся цилиндрических волн и перспективы скважинной акустики. - Изв. Вузов. Радиофизика, 2002, т.45, №2, с. 170-186.

Касьянов Д. А. О работе протяжённой пьезокерамической антенны в скважине. – Изв. Вузов. Радиофизика, 2003, т.46, №2, с. 111-122.

Kasyanov D. Focused borehole radiator. - Proceedings of Acoustics’08, Paris, June 29 – July 4, 2008, CD Publication ISBN EAN 978-2-9521105-4-9 9782952110549.

Касьянов Д. А. Об оптимальном типе фокусирующего скважинного излучателя. – Акуст. журн., 2007, т. 53, №2, с. 274-284.

Kasyanov D. Focused borehole radiator. - Journ. Acoust. Soc of America, 2008, Vol. 123, No.5, Pt.2, P.3842

Ершов В.П., Касьянов Д.А., Родченков В.И., Сергеев Д.А. Исследование процессов растворения и роста солевых монокристаллов в неоднородных акустических полях. I. Стоячая волна. - Кристаллография, 2008, т. 53, № 1 с. 181 - 186.

Ершов В.П., Касьянов Д.А., Родченков В.И., Сергеев Д.А., Исследование процессов растворения и роста солевых монокристаллов в неоднородных акустических полях. II. Сфокусированное акустическое поле. -Кристаллография, 2008 т. 53, № 1 с. 187-193.

Kas’yanov D.A., Shalashov G.V. Acoustic intensification of underground leaching. Nonlinear acoustics at the beginning of the 21st Century, v.2, Chapter 13, Elastic wave effect on the fluid in the porous media. - Moscow, 2002, p. 983 – 986

Касьянов Д. А., Шалашов Г. М. Устройство для возбуждения акустических волн в межскважинной среде. – Патент № 1817033. Опубликован 27.01.1995, БИ № 3.

Касьянов Д. А., Шалашов Г. М. Устройство для возбуждения акустических волн в межскважинной среде. – Патент № 1819468. Опубликован 23.03.1993, БИ № 3.

Калимулин Р. Р., Касьянов Д. А., Шалашов Г. М. Измерение нелинейных упругих параметров геологических сред методами межскважинного прозвучивания и вертикального профилирования. В кн.: Физические основы сейсмического метода. Нетрадиционная геофизика. - М.: Наука, 1991, с. 117-120.

Касьянов Д. А., Шалашов Г. М. О возможности нелинейной сейсмоакустической томографии. В кн. Проблемы геотомографии. – М: Наука, 1997, с.203-210.

Касьянов Д. А., Шалашов Г. М. Способ нелинейного акустического каротажа.- Патент № 1804634, опубликовано 20.01.1995 БИ N 2


загрузка...