آزمایش لرزه نگاری دانهول یا درون چاهی (Downhole Seismic Test)

آزمایش لرزه نگاری دانهول یا درون چاهی (Downhole Seismic Test) جزء یکی از آزمایش های پر کاربرد ژئوفیزیکی می باشد. آزمایش های ژئوفیزیکی با هزینه کم و سرعت زیادی انجام می گیرند و اغلب اطلاعات آنها کیفی بوده و کمی نخواهد بود. آزمایش درون چاهی (آزمایش دانهول) به دلیل مزایایی که دارد، یکی از پرکاربردترین روش ‌های اندازه‌گیری سرعت امواج الاستیک بوده که زیر­ مجموعه روش‌ های لرزه ‌نگاری می باشد.

در پروژه ‌های عمرانی که قرار است که یک سازه بر روی ناحیه مشخصی اجرا گردد، مدول های الاستیک دینامیکی مواد تشکیل‌ دهنده آن ناحیه، اهمیت خاصی را دارا می باشند، چرا که طراحی سازه بر همین اساس انجام خواهد شد و یکی از را‌ه‌ های محاسبه‌ این کمیت‌ ها در اختیار داشتن سرعت امواج طولی یا عرضی می باشد.

اساس کار در آزمایش لرزه نگاری درون چاهی یا آزمایش دانهول (DHT)، اندازه گیری زمان سیر موج از سطح زمین تا اعماق مختلف می باشد. که برای انجام آزمایش دانهول، از لرزه سنج که معمولا شامل سه حسگر عمود بر هم است، توسط کابل در اعماق مختلف قرار می گیرد و امواج لرزه ای حاصل از چشمه لرزه ای توسط آن ثبت می شود. اجرای آزمایش دانهول (درون چاهی) بر روی انواع خاک و سنگ امکان پذیر می باشد.

اساس کار روش لرزه نگاری دانهول

اساس روش آزمایش لرزه نگاری دانهول (درون چاهی) در ژئوفیزیک بر مبنای انتشار امواج مکانیکی در محیط الاستیک می باشد. موج تولید شده توسط چشمه لرزه ای (نظیر ضربه چکش) به گیرنده امواج (ژئوفون) خواهد رسید و سپس توسط دستگاه لرزه نگار تقویت و ثبت می گردد. بر مبنای جهت حرکت موج در داخل زمین دو نوع موج در فاز طراحی پروژه های مهندسی عمران بیشتر مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

امواج تراکمی یا طولی که جهت حرکت ذره در جهت انتشار موج خواهد بود و امواج برشی یا عرضی که جهت حرکت ذره عمود بر جهت انتشار موج می باشد. با در دست داشتن سرعت امواج تراکمی و سرعت امواج برشی، همچنین چگالی محیط انتشار می توان مدول های دینامیکی لایه های خاک را محاسبه کرد.

روش انجام آزمایش لرزه‌ نگاری دانهول بر اساس (ASTM D7400)

اساس روش های آزمایش لرزه‌ نگاری دانهول بر این حقیقت استوار می باشند که امواج الاستیک با سرعت های متفاوت در لایه های مختلف زیر سطح سیر می کنند. لذا در این روش ها، امواج در یک نقطه تولید شده و در یک سری نقاط دیگر، زمان رسیدن انرژی منعکس یا منکسره از ناپیوستگی ها یا فصل مشترک لایه های مختلف اندازه گیری می گردند.

با استفاده از روش آزمایش لرزه‌ نگاری دانهول (درون چاهی)، موقعیت و ساختار لایه های زیرسطحی، مشخص خواهد شد. مهم ترین مزیت روش های لرزه نگاری نسبت به سایر روش های ژئوفیزیکی، این است که با به کارگیری مناسب این روش تفسیر دقیق تر و با وضوح بیشتری از ساختار زیر سطح حاصل می گردد. در کلیه‌ روش ‌های لرزه‌ نگاری پس از ایجاد انفجار و یا ضربات مکانیکی، لرزه ‌‌هایی که بر اثر این انفجار یا ضربات ایجاد شده، ثبت می گردد.

انفجار در پوسته بیرونی و در سطح زمین، توسط یک چشمه لرزه­ ای با توانایی ایجاد یک موج با انرژی بالا ایجاد خواهد شد و تشخیص لرزه ‌ها به منظور ثبت آن‌ ها به شکل سیگنال نیز به کمک سنسورهای صوتی مخصوص انجام می گردد. روش ‌های لرزه‌ نگاری برای شناسایی لایه ‌بندی خاک در حالت کلی به سه گروه تقسیم می گردند:

1. درون گمانه ‌ای
2. بین گمانه‌ ای
3. سطحی

آزمایش لرزه نگاری دانهول از نوع درون گمانه ‌ای می باشد. در آزمایش دانهول، امواج برشی از طریق یک منبع تولید لرزه که در سطح زمین قرار گرفته، تولید شده و توسط گیرنده ژئوفن که در ته گمانه جا سازی شده است، دریافت می شود. منبع تولید لرزه، شامل یک چکش و صفحه ای فلزی که به صورت افقی در سطح زمین قرار گرفته، می باشد. با اصابت چکش به صفحه فلزی در امتداد طول صفحه، لرزه ایجاد می شود.

به منظور افزایش تنش قائم وارد بر صفحه فلزی، معمولا بار چرخ یک وسیله نقلیه به صورت استاتیکی بر روی آن قرار خواهد گرفت. دقت گردد که در آزمایش لرزه نگاری دانهول (درون چاهی) گمانه ها باید به روش ماشینی حفاری شوند و پس از قرارگیری لوله از جنس PVC متناسب با قطر ژئوفون های درون گمانه، اطراف لوله از ماسه ریزدانه با دانه ‌بندی یکنواخت پر شود.

به نحوی که لوله کاملا در جای خود ثابت قرار بگیرد. پس از قرار دادن حسگرها و اتصال دستگاه به لپتاپ، لرزه ‌های ایجاد شده توسط ضربات مکانیکی یا ایجاد انفجار در نزدیکی دهانه دانهول، به صورت سیگنال ثبت و در صفحه نمایش مربوطه قابل مشاهده می باشد. در چیدمان ابزارها، موقعیت محور ژئوفن انتهای چاه باید به نحوی در نظر گرفته شود که ژئوفن، موازی با صفحه افقی سر چاه، قرار بگیرد. آزمایش دانهول به طور معمول در فواصل یک متری از طول چاه انجام می گیرد و در هر قسمت سرعت موج برشی از رابطه ساده Vs=ΔR/Δt حاصل می گردد.

در رابطه مذکور ­­­R فاصله وتری صفحه فلزی از ژئوفن و t زمان دریافت یک موج برشی خواهد بود. به منظور افزایش دقت اندازه گیری در آزمایش دانهول، ممکن است ضربه ها از هر دو سمت (چپ و راست) تولید گردد. گاهی اوقات آزمایش دانهول با استفاده از ابزار آزمایش نفوذ مخروط لرزه ای (SCPT) که به آن یک شتاب کار، اضافه گردیده است، انجام می گردد. با توجه به نفوذ ابزار ­CPT به داخل گمانه،­­ نیازی به حفاری گمانه پیش از انجام آزمایش موج لرزه ‌ای نمی باشد.

انواع آزمایش های ژئوفیزیک

آزمایش های ژئوفیزیک به عنوان اطلاعات تکمیلی مطالعات ژئوتکنیک استفاده می گردند. آزمایش های ژئوفیزیکی به دو دسته کلی تقسیم بندی می گردند:

1. آزمایش های لرزه ای (ژئو سیستمیک)

2. آزمایش های ژئو الکتریک.

آزمایش های ژئو سیستمیک یا آزمایش های لرزه ای خود به دو دسته زیر تقسیم می گردند:

1. روش های سطحی.

2. روش های درون گمانه ای.

در ادامه به بررسی هر یک از روش ها می پردازیم:

1. روش های سطحی:

در این سبک از آزمایش های لرزه نگاری، شناسایی ها صرفا به صورت سطحی صورت خواهد گرفت و اصلا گمانه ای حفر نخواهد شد. این دسته از آزمایش ها جزء دسته آزمایش های خاک بدون حفاری است. امواج سطحی در محیط نزدیک به سطح زمین منتشر می گردند. دامنه این امواج با فاصله گرفتن از سطح زمین، شدیدا کاهش یافته و محو می گردد.

2. روش های درون گمانه ای:

در این روش از آزمایش های لرزه ای، ابتدا گمانه حفر می شود و سپس ابزارهای گیرنده موج درون گمانه های حفر شده قرار داده می شود. در این حالت می توان از همان گمانه ای استفاده کرد که جهت مطالعه ژئوتکنیک حفاری شده است.

تجهیزات آزمایش لرزه نگاری درون چاهی یا آزمون دانهول (DHT)

1. دستگاه‌ لرزه‌ نگار ۶ کاناله.

2. ژئوفون های‌ سه مولفه ای درون گمانه ای  SP3D.

3. پتک، الوار و ورق برای توليد امواج تراکمی و برشی.

ساز و کار آزمایش دانهول

آزمایش دانهول Downhole به ترتیب زیر انجام خواهد شد که به شرح هر یک می پردازیم:

۱. حفاری گمانه یا چاه.

2. نصب ژئوفن ها.

3. پر کردن اطراف لوله با ماسه.

4. وارد کردن ضربه.

1. حفاری گمانه یا چاه:

در ابتدا لرزه نگاری دانهول لازم است که یک گمانه به صورت ماشینی یا دستی حفاری گردد.

 2. نصب ژئوفن ها:

در این بخش از آزمایش دانهول و پس از نصب لوله پی وی سی در داخل گمانه ها، ژئوفن ها را در داخل گمانه قرار می دهیم. ژئوفن ها گیرنده هایی می باشند که برای دریافت و ثبت امواج ارسال شده از سطح زمین مورد استفاده قرار می گیرند. گاهی جهت سهولت کار آزمون دانهول می توان از یک ژئوفن استفاده نمود و با بالا کشیدن مرحله ای آن ژئوفن، اطلاعات اعماق دیگر را نیز ثبت نمود.

3. پر کردن اطراف لوله با ماسه:

در این مرحله از آزمایش لرزه نگاری دانهول لازم است تا اطراف لوله پی وی سی قرار داده شده در داخل گمانه را از شن و ماسه پر نمود تا اتصال مناسبی بین لوله و گمانه برقرار گردد.

4. وارد کردن ضربه:

در این بخش از آزمایش دانهول لازم است تا صفحه فلزی در مجاورت گمانه قرار گرفته شود و با پتک بر روی آن ضربه ای وارد گردد. بسته به زاویه ضربه ای که پتک بر صفحه فلزی وارد می کند، امکان ایجاد شدن امواج برشی یا فشاری می باشد. پس از وارد شدن ضربات، امواجی ایجاد می گردد و به داخل زمین نفوذ می کند. زمان رسیدن این امواج توسط ژئوفن ها ثبت می گردد. با داشتن زمان رسیدن امواج و فاصله ژئوفن تا محل ضربه، می توان سرعت امواج را محاسبه نمود.

کاربرد آزمایش دانهول یا درون چاهی (Downhole)

پس از آماده سازی شرایطی که در قسمت بالا به آن اشاره شد، اطلاعات حاصل از عبور امواج از هر عمق توسط یک دستگاه ثبت می شود. از اطلاعات حاصل از آزمایش دانهول می توانیم سرعت موج برشی را تعیین کنیم و آن را به دست آوریم و از سرعت موج برشی می توانیم تیپ بندی خاک را به دست بیاوریم و آن را تعیین کنیم.

در تمام پروژه ها و طرح های عمرانی، ویژگی و خصوصیتی که به مهندسین دید لازم جهت طراحی سازه را می دهد، مدول های الاستیک دینامیکی مواد تشکیل دهنده محدوده ای می باشد که سازه بر روی آن اجرا می شود.

این کمیت ها را علاوه بر انجام آزمایش های ژئوتکنیکی، می توان با داشتن اطلاعاتی از دانسیته، سرعت موج طولی و سرعت موج عرضی (برشی) در مواد مورد نظر محاسبه کرد. بنابراین برای به دست آوردن کمیت های یاد شده در یک منطقه، لازم است علاوه بر اندازه گیری سرعت امواج طولی، پروفیل هایی جهت تعیین سرعت موج برشی نیز برداشت گردد.

عوامل ایجاد خطا در آزمایش دانهول

عوامل زیر موجب ایجاد خطا در آزمایش دانهول (Downhole) می شود و لذا حتی المقدور لازم است تا از انجام این آزمایش در موارد زیر اجتناب شود:

1. نزدیک جاده ها: عبور و مرور اتومبیل ها ایجاد نویز می کند و در نتایج آزمایش دانهول خطا ایجاد می شود.

2. نزدیکی به ساحل: برخورد امواج دریا این توانایی را دارد تا بتواند باعث ایجاد نویز شود و نتایج آزمایش دانهول را با خطا مواجه کند.

3. لایه های عمیق تر، نرم تر از لایه های بالا باشد.

4. سطح بین لایه ها از نظم خاصی برخوردار نباشند و دارای یک بی نظمی باشند.

5. انجام آزمایش در نهشته های برجا صورت گیرد.

تفسیر داده‌های حاصل از آزمایش لرزه‌نگاری دانهول

تفسیر داده‌های حاصل از آزمایش لرزه‌نگاری دانهول (درون‌چاهی) یکی از مراحل کلیدی برای تحلیل دقیق ویژگی‌های دینامیکی خاک و سنگ بستر در پروژه‌های مهندسی ژئوتکنیک و زلزله‌شناسی است. این داده‌ها معمولاً شامل زمان‌های انتشار امواج لرزه‌ای (مانند امواج فشاری P و برشی S) و تغییرات سرعت این امواج در عمق‌های مختلف خاک هستند. با تحلیل این اطلاعات، می‌توان به پارامترهای مهمی نظیر مدول الاستیسیته، مدول برشی، ضریب میرایی و سرعت امواج لرزه‌ای در هر لایه‌ی خاک دست یافت. این پارامترها به ویژه در طراحی سازه‌هایی که نیاز به مقاومت در برابر زلزله دارند، اهمیت بسیاری دارند.

در تفسیر داده‌های آزمایش دانهول، تغییرات سرعت امواج در عمق‌های مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد تا لایه‌بندی خاک و خصوصیات دینامیکی هر لایه به‌دقت مشخص شود. افزایش یا کاهش سرعت امواج در عمق‌های مختلف می‌تواند نشان‌دهنده تغییرات در تراکم، نوع مواد، و وجود ناپیوستگی‌های ژئولوژیکی باشد. برای مثال، سرعت بالاتر امواج برشی (Vs) در لایه‌های عمیق‌تر نشان‌دهنده تراکم و سختی بیشتر خاک است، در حالی که سرعت کمتر در لایه‌های سطحی معمولاً نشان‌دهنده خاک‌های نرم‌تر و کمتر متراکم است. این اطلاعات برای طراحی فونداسیون‌های عمیق، سیستم‌های پایه‌ای مقاوم در برابر زلزله، و پیش‌بینی رفتار زمین در مواجهه با نیروهای لرزه‌ای بسیار حیاتی است.

با استفاده از داده‌های لرزه‌نگاری دانهول، می‌توان مدل‌های دقیق‌تری از رفتار خاک تحت بارهای دینامیکی تهیه کرد و خطرات زلزله را با دقت بیشتری ارزیابی نمود. این داده‌ها به مهندسان کمک می‌کند تا تصمیمات بهینه‌تری در انتخاب نوع فونداسیون و طراحی سازه‌های مقاوم اتخاذ کنند.

منابع

• olsoninstruments , Crosshole/Downhole Seismic
• hindawi , Downhole Test