УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ГОРНЫХ ПОРОД

Полезная модель относится к измерительным промыслово-геофизическим устройствам и предназначена для определения в разрезе скважины по окончании процесса бурения минерального состава и нефтесодержания пластов непосредственно в зоне их залегания по результатам инфракрасного спектрального анализа.
Известно устройство для исследования разреза скважины в процессе бурения по инфракрасному спектрометрическому анализу бурового шлама, содержащее корпус и размещенные в нем блок анализа, включающий источник и приемник инфракрасного излучения, оптическую систему с линзами и фильтрами, модулятор с приводом, блок преобразования сигналов, датчик глубины, узел отбора пробы шлама, фильтрующую и измерительную ленты, камеру подготовки пробы (SU 1423731, Е2 №47/00, 1986).
Известное устройство основано на определении состава породы путем выделения характеристических частот инфракрасных абсорбционных спектров каждого из минералов.
Однако указанное устройство обладает недостаточной однозначностью идентификации минерального состава разбуренной породы, что обусловлено, прежде всего, значительным влиянием промывочной жидкости, находящейся в исследуемой пробе шлама, что особенно характерно для минералов кварца и глины песчано-глинистых пород. Кроме того, указанное устройство довольно сложно в электромеханической части своего исполнения, предусматривает наличие высоких требований к автоматическому отбору анализируемой пробы горной породы из шлама, подготовке ее (просушки, фильтрации).
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для исследования скважины по окончании процесса бурения по инфракрасному спектрометрическому анализу пластового флюида, содержащее корпус и размещенные в нем скважинный пробоотборник, блок анализа, включающий источник и приемник инфракрасного излучения, оптическую систему с линзами и фильтрами и блок преобразования сигналов (US 6178815, Е21В 49/10, 2001).
Устройство обеспечивает хорошее качество выборки пластового флюида в реальном времени и позволяет произвести качественный и количественный анализ пластового флюида с помощью инфракрасного анализа.
Однако известному устройству присущи следующие недостатки: исследования производятся только на пластовом флюиде, занимают много времени и при этом учитывается не весь спектр флюида, что приводит к большим погрешностям, причем для принятия решения о заборе флюида требуется вмешательство оператора, поскольку система не автоматизирована.
Отмеченные недостатки приводят к неоднозначности идентификации состава разбуренной породы.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания устройства для определения минерального состава горных пород, обеспечивающего повышение достоверности определения концентраций минералов в разрезе скважины за счет анализа многократного неполного внутреннего инфракрасного отражения горных пород, неразрушенных бурением, непосредственно в условиях их залегания после проходки скважины и, таким образом, исключения отбора шлама и флюида и их инфракрасного абсорбционного спектрального анализа.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения минерального состава горных пород содержит закрепленный на каротажном кабеле скважинный зонд, на верхней части корпуса которого установлены подпружиненные скребки, на нижней - центраторы, а на боковой стенке выполнен паз под установленную с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения гильзу, на торце которой, обращенной к стенке скважины, размещен регулируемый створчатый защитный экран, а в внутри нее коаксиально установлена подключенная к приводу буровая алмазная коронка, причем в нижней части гильзы размещен патрубок для принудительного отвода из зоны пласта промывочной жидкости с выбуренным шламом, сообщающийся с выходным патрубком, установленным в нижней части корпуса зонда, а в полости гильзы размещен оптико-электронный блок, включающий оптически связанные между собой источник инфракрасного излучения, оптическую систему в виде линз, измерительный кристалл из прозрачного в инфракрасной области материала с многократным неполным внутренним отражением, ориентированный через регулируемый створчатый защитный экран к стенке скважины и установленный с возможностью перемещения из области гильзы через упомянутый экран, и приемник инфракрасного излучения, при этом последний подсоединен к размещенному в корпусе зонда усилительно-преобразовательному блоку, подключенному совместно с информационным выходом блока управления через усилитель и аналого-цифровой преобразователь к каротажному кабелю, а управляющие выходы блока управления подключены к приводам гильзы, буровой алмазной коронки, измерительного кристалла и насоса для откачки промывочной жидкости с выбуренным шламом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен общий вид предлагаемого устройства инфракрасного спектрального анализа вещественного (минерального) состава пластов горной породы, на фиг.2 показан спектр, полученный с приемника инфракрасного излучения от измерительного кристалла для песчано-глинистых пород, на фиг.3 представлена блок-схема алгоритма работы устройства управления на базе микропроцессорного контроллера.
Предлагаемое устройство для определения состава пластов горной породы скважины содержит корпус 1 скважинного зонда, источник 2 и приемник 3 инфракрасного излучения с фильтрами определения спектрального состава горной породы в зоне бурения, оптическую систему, состоящую из двух линз 4 и 5, измерительный кристалл 6 из прозрачного в инфракрасной области материала с многократным неполным внутренним отражением, регулируемый защитный экран 7 в виде створок, усилительно-преобразовательный блок 8, соединенный с приемником инфракрасного излучения 3. Оптическая система в виде линз 4,5 и измерительный кристалл 6, оптически связанные между собой, образуют оптико-электронный блок.
На корпусе 1 установлены скребки 9, закрепленные с помощью пружин 10 и контактирующие со стенками скважины при подъеме устройства, и резиновые центраторы 11 и 12, закрепленные равномерно по окружности корпуса 1. На боковой стенке корпуса 1 выполнен паз под установленную с возможностью радиального возвратно-поступающего перемещения гильзу  13 с приводом 14 и резиновой прокладкой 15. В полости гильзы 13 коаксиально установлена алмазная коронка 16 с приводом 17, а в ее нижней части размещен патрубок для отсоса промывочной жидкости 18, который подсоединен к насосу 19, подключенному к выходному патрубку 20 для удаления промывочной жидкости. В корпусе 1 размещены блок управления 21 на базе микропроцессорного контроллера, усилитель сигнала 22, аналого-цифровой преобразователь 23, подключенный к каротажному кабелю 24. Блок управления 21 выдает сигналы управления С1÷С9 на соответствующие элементы устройства во времени согласно пронумерованной последовательности этих сигналов.
Реализация общего алгоритма работы устройства осуществляется под управлением микропроцессорного контроллера 21 (см. фиг.3). Таким образом, устройство работает согласно описанному ниже на фиг.3 алгоритму работы микропроцессорного контроллера - блоки 1÷8 и включает следующую последовательность действий:
блок 1 - пуск;
блок 2 - подпрограмма управления приводом 17 для выдвижения корпуса 13 к стенке скважины на заданное расстояние (сигнал С2);
блок 3 - подпрограмма управления приводом 14, приводящего в движение алмазную коронку 16 для выбуривания породы на заданное расстояние (сигнал С1);
блок 4 - подпрограмма управления патрубком 18 для отсоса промывочной жидкости насосом 19 для отсоса промывочной жидкости через трубу 18 и выходное отверстие 20 (сигналы С3 и С9);
блок 5 - подпрограмма управления приводом 14 для раскрытия шторок защитного экрана 7 с измерительного кристалла 6 из прозрачного в инфракрасной области материала с многократным неполным внутренним отражением, выдвижения кристалла 6 в пробуренную коронкой 16 зону пласта (сигнал С4);
блок 6 - подпрограмма управления блоком 8 преобразования и передачи сигналов с фильтров приемника инфракрасного излучения 3 через усилитель сигнала 22 на блок 23 преобразования и передачи сигнала на каротажный кабель 24 (сигнал С5);
блок 7 - подпрограмма управления приводом 14 для закрытия шторок защитного экрана 7 с измерительного кристалла 6 и перемещения кристалла в исходное положение, совместное с алмазной коронкой 16 в корпусе 13 (сигнал С6);
блок 8 - подпрограмма управления приводом 14 для перемещения алмазной коронки 16 и измерительного кристалла 6 в исходное положение в корпусе гильзы 13 предлагаемого устройства (сигнал С7);
блок 9 - подпрограмма управления приводом 17 для перемещения гильзы 13 совместно с находящимися в ней алмазной коронкой 16 и измерительным кристаллом 6 в исходное положение в корпусе 1 предлагаемого устройства (сигнал С8);
блок 10 - конец работы.
Устройство для определения инфракрасным спектральным методом состава пластов горной породы работает следующим образом.
После проходки скважины бурением устройство на каротажном кабеле 24 опускается в скважину до заданной глубины, в частности, ниже исследуемого пласта. По достижению заданной глубины зонд начинают поднимать вверх. При этом выдвигаются скребки 9, предназначенные для очистки стенок скважины от глинистой корки, закрепленные с помощью пружин 10 подвижно в верхней половине корпуса 1. При подъеме устройства до пласта скребки 9 вступают в контакт со стенками скважины 25, соскребая с ее стенок глинистую корку. Затем нижняя часть устройства фиксируется на исследуемой глубине пласта и центрируется резиновыми центраторами 11 и 12. Привод 17 выдвигает гильзу 13 к стенке скважины на заданное расстояние, установленное блоком управления 21 (сигнал управления С2 микроконтроллера 21). Затем происходит выбуривание породы с помощью алмазной коронки 16, приводимой в движение приводом 14 на заданное блоком управления 21 расстояние (сигнал С1 микроконтроллера 21). Далее, с помощью насоса 19 через патрубок 18 отсасывается и удаляется из зоны пласта в скважину через патрубок 20 до выхода из корпуса 1 промывочная жидкость со шламом (сигнал управления С3 микроконтроллера 21). Для проведения измерений привод 14 раздвигает створки защитного экрана 7 и выдвигает через отверстие в алмазной коронке 16 измерительный кристалл 6 из прозрачного в инфракрасной области материала с многократным неполным внутренним отражением (сигнал С4 микроконтроллера 21). От источника 2 подается инфракрасное излучение через фокусирующую линзу 4 на измерительный кристалл 6, многократно отражаясь внутри его, в том числе и от контактирующей с пластом грани. С выхода измерительного кристалла 6 луч попадает через фокусирующую линзу 5 на приемник 3 с фильтрами выделения спектров минералов породы. На фиг.2 показан спектр, полученный с приемника 3 инфракрасного излучения от измерительного кристалла для песчано-глинистых пород, который можно в дальнейшем преобразовать в цифровой код и передать на поверхность для дальнейшей обработки. Сигнал с фильтров приемника 3 передается через усилительно-преобразовательный блок 8 на усилитель сигнала 22, далее на преобразователь 23 для передачи, в конечном итоге, через каротажный кабель 24 на поверхность для окончательного анализа и идентификации свойств пласта (сигнал С5 микроконтроллера 21). Сигналами С6-С8 микроконтроллера 2, управляющими реверсами приводов 14 и 17, гильза 13 с алмазной коронкой 16 и измерительным кристаллом 6 с закрывающими его шторками 7 перемещается в исходное положение в корпусе 1 предлагаемого устройства.
На фиг.2 показан спектр, полученный с приемника инфракрасного излучения от измерительного кристалла для песчано-глинистых пород, который можно в дальнейшем преобразовать в цифровой код и передать на поверхность для дальнейшей обработки.
Предлагаемое устройство наиболее целесообразно использовать для количественного анализа минерального состава пород осадочного комплекса в разрезе скважины после ее бурения.