Способ определения формы и размеров каверны подземных хранилищ газа, создаваемых в отложениях каменной соли, и звуколокатор для реализации способа
METHOD OF DETERMINING THE SHAPE AND SIZE OF CAVERN UNDERGROUND GAS STORAGE CREATED IN ROCK SALT DEPOSITS  AND SOUND LOCATOR FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Изобретения относятся к подземным хранилищам газа (ПХГ) и могут применяться для определения формы и размеров каверн ПХГ, создаваемых, например, в отложениях каменной соли.
Известны способы того же назначения, заключающиеся в измерении скорости звука С в соленой жидкой среде каверны и облучении ультразвуковыми импульсами стенок каверны звуколокатором под различными азимутальными углами α и наклонными к горизонту углами β на различной высоте h, последующем приеме ультразвуковых импульсов тем же звуколокатором и измерении времени t прохождения импульсами расстояний  от звуколокатора до стенок каверны, по которым определяют форму и размеры каверны /Патент Франции №2723783, кл. G01C 7/06, G01D 11/02, Е21В 47/00, G05D 3/12, 1996, Патент США №5767401, кл. 33/312 (Е21В 47/00), 1997/.
Последний из известных способов принят за прототип предлагаемого способа.
Известны звуколокаторы для реализации способа, содержащие цилиндрический корпус, состоящий из трех последовательно установленных частей, причем центральная часть выполнена с возможностью азимутального перемещения относительно неподвижной левой части, а правая часть - с возможностью поворота относительно центральной части на угол 0÷90°, при этом в корпусе установлены блок обработки информации с генератором ультразвуковых импульсов, а также узлы контроля величин азимутального угла α и угла β наклона правой части относительно центральной, а также высоты h положения звуколокатора, выходы которого подключены к блоку обработки, причем на боковой поверхности поворотной правой части корпуса установлены первый основной приемно-передающий ультразвуковой преобразователь, соединенный с генератором ультразвуковых импульсов и входом блока обработки, а на торцевой свободной части корпуса установлен донный приемопередающий преобразователь, соединенный с генератором ультразвуковых импульсов и блоком обработки информации /Патент Франции №2723783, кл. G01C 7/06, G01D 11/02, Е21В 47/00, G05D 3/12, 1996; Патент США №5767401, кл. 33/312 (Е21В 47/00), 1997/.
Последний из патентов принят за прототип звуколокатора.
Недостатками прототипов способа и звуколокатора являются погрешности определения формы и размеров каверны ПХГ с помощью звуколокатора из-за наличия стратификации по глубине соленой жидкости, заполняющей каверну, и связанные с этим изменения скорости звука по глубине каверны.
Измерения усложняются тем, что скорость звука при наклонном лоцировании каверны (при β≠0), изменяется по направлению лоцирования.
Известный локатор имеет дополнительный недостаток, связанный с тем, что приемно-передающий ультразвуковой преобразователь расположен на поворотной части корпуса звуколокатора только с одной боковой стороны. Это позволяет звуколокатору пролоцировать за один каротажный проход при наклонном лоцировании только верхнюю или нижнюю части каверны. Если необходима информация о верхней и нижней частях каверны при наклонных лоцированиях, то требуется замена наклонной части корпуса на другую часть с расположением ультразвуковых преобразователей, смещенных на 180° от предыдущих, и требуется проведение повторного каротажа.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является устранение перечисленных недостатков способа и звуколокатора, т.е. повышение достоверности исследований за счет измерения скорости звука в процессе лоцирования и сокращения времени проведения каротажных работ.
1
2
N
1
2
N
β
Данный технический результат в части способа достигается за счет того, что в известном способе определения формы и размеров каверны подземных хранилищ газа, создаваемых в отложениях каменной соли, заключающемся в измерении скорости С звука в соленой жидкой среде каверны и облучении ультразвуковыми импульсами стенок каверны звуколокатором под различными азимутальными α и наклонными к горизонту углами β на различной высоте h, последующем приеме ультразвуковых импульсов тем же звуколокатором и измерении времен t прохождения импульсами расстояний  от звуколокатора до стенок каверны, по которым определяют форму и размеры каверны, скорости C, С…C звука в соленой жидкой среде измеряют непосредственно в моменты измерений времен t, t…t в горизонтальных плоскостях при различных значениях h и α, а затем перед измерениями времен t для наклонных к горизонту плоскостей аналитически определяют средние скорости С для каждого наклонного к горизонту плоскостей направления под углом β при различных значениях азимутальных углов α и высот h.
Данный технический результат в части звуколокатора достигается тем, что известный звуколокатор для реализации способа, содержащий узел контроля высоты h положения звуколокатора и цилиндрический корпус, состоящий из трех последовательно установленных частей, причем центральная часть выполнена с возможностью азимутального перемещения относительно неподвижной левой части, а правая часть - с возможностью поворота относительно центральной части на угол 0÷90°, при этом в корпусе установлены блок обработки информации с генератором ультразвуковых импульсов, а также узлы контроля величин азимутального угла α и угла β, выходы которых подключены к блоку обработки, причем на боковой поверхности поворотной правой части корпуса установлены первый основной приемно-передающий ультразвуковой преобразователь, соединенный с генератором ультразвуковых импульсов и с входом блока обработки, а на торцевой свободной части корпуса установлен донный приемно-передающий преобразователь, соединенный с генератором ультразвуковых импульсов и блоком обработки информации, содержит пару передающего и приемного преобразователей, установленных на известном расстоянии друг от друга по высоте на уровне основного приемно-передающего преобразователя, и второй основной приемно-передающий ультразвуковой преобразователь, установленный на боковой поверхности поворотной правой части корпуса напротив первого основного преобразователя и электрически соединенный с блоком обработки информации и генератором ультразвуковых импульсов.
Звуколокатор дополнительно содержит датчики температуры и давления, расположенные внутри корпуса.
В звуколокаторе узел контроля величины азимутального угла α и поворотного угла β выполнен на основе трехосевого магнитометра и акселерометра.
Изобретения поясняются чертежами.
На фиг. 1 представлена схема реализации способа; на фиг. 2 - поворотная часть звуколокатора с ультразвуковыми преобразователями; на фиг. 3 - общий вид звуколокатора; на фиг. 4 - временные диаграммы, получаемые с помощью звуколокатора на различной глубине каверны ПХГ.
Звуколокатор (фиг. 1, 2, 3) для реализации способа содержит цилиндрический корпус 1, состоящий из трех последовательно установленных частей: левой, центральной и правой (звуколокатор в формуле изобретения описан в горизонтальном положении, в статике).
Левая часть 2 - неподвижная, центральная 3 - вращающаяся в азимутальной плоскости; правая 4 - поворотная по зенитному углу β=0÷90°.
Центральная часть 3 приводится во вращение вокруг оси 5 управляемым двигателем (на чертежах не показан), расположенным в цилиндрическом корпусе 1.
Правая часть 4 поворачивается вокруг цилиндрического шарнира 6 с помощью управляемого двигателя (на чертежах не показан), установленного в корпусе 1.
В корпусе 1, как в прототипе, установлены узлы контроля величин углов α и β. Узлы контроля могут быть выполнены на основе трехосного магнитометра и акселерометра, выходы которых подключены к блоку обработки (на чертежах не показаны).
Поворотная правая часть 4 корпуса 1 (фиг. 1, 2) содержит два приемно-передающих ультразвуковых преобразователя (оцифрованные под позициями 7, 8).
В боковой поверхности поворотной части 4 могут быть выполнены окна 9, 10 (фиг. 3) через которые ведутся излучение и прием ультразвуковых импульсов при работе звуколокатора.
Преобразователи 7, 8 установлены на поворотной части 4 под углом 180°.
Имеется также приемно-передающий донный ультразвуковой преобразователь 11, установленный на торцевой части корпуса 1 (поворотной части 4).
Внутри или снаружи поворотной части 4 корпуса 1 расположены пара передающего и приемного преобразователей 12, 13, закрепленных на известном расстоянии х друг от друга напротив преобразователей 7, 8 (фиг. 2), учитывая, что х<<h.
Все приемно-передающие ультразвуковые преобразователи 7, 8, 12, 13 подключены к генератору ультразвуковых импульсов и к блоку обработки информации (генератор и блок обработки на чертежах не показаны).
N
N
N
Звуколокатор также содержит измеритель глубины h расположения звуколокатора в каверне 14 (фиг. 1) и датчики температуры T, давления и солености S жидкости, заполняющей каверну 14 ПХГ (на чертежах не показаны). Датчик солености S жидкости может быть выполнен в виде датчика электропроводности и служит для определения закона стратификации соленой жидкости по высоте h.
Способ реализуется следующим образом.
Звуколокатор опускается в исследуемую каверну 14 ПХГ через скважину 15 при угле β=180° (фиг. 1а).
Включаются приемно-передающие ультразвуковой преобразователь с одной стороны цилиндрического корпуса 1 (например 7) и пара ультразвуковых преобразователей 12, 13 с донным приемно-передающим преобразователем 11 (фиг. 1а).
1
2
N
1
2
N
l
2
N
На каждом уровне на высотах h, h…h (фиг. 1в) измеряются времена t, t…t прохождения ультразвуковой волной 16 двойного расстояния l, l…l от преобразователя 7 до стенки 17 каверны и обратно до преобразователя 7 (фиг. 1, 2).
1
2
N
1
2
N
Одновременно на уровнях h, h…h измеряются скорости звука C, С…C с помощью пары преобразователей 12, 13, расположенных на расстоянии х в подвижной части 4 корпуса 1.
Блок обработки информации определяет расстояние  для различных азимутальных углов α и высот h.
С помощью приемно-передающего преобразователя 11, излучающего и принимающего отраженный от дна 18 каверны 17 ультразвуковой импульс 19, контролируется расстояние от торца звуколокатора до дна 18 каверны 17 (фиг. 1, 2).
1
2
N
1
2
N
Измеренные значения времен t, t…t для различных высот h, h…h, регистрируются (фиг. 4) и заполняются в блоке обработки.
При достижении заданного расстояния до дна 18 каверны 17 звуколокатор останавливается для отклонения поворотной части 4 в пределах угла β и лоцирования донной области каверны, например, с помощью преобразователя 8 (фиг. 1, 2).
Одновременно с донной областью (или последовательно) с помощью преобразователей 7, 8 можно проводить лоцирование боковых стенок каверны 17 под различными углами α и β (фиг. 1б).
β
1
2
N
При этом для каждого наклонного к горизонту направления β определяют средние скорости С по ранее полученным значениям C, С…C скоростей звука для различных h. И по измеренному времени распространения ультразвукового импульса определяют наклонное расстояние до стенки каверны.
Купольную часть 20 каверны 17 (фиг. 1в) аналогично исследуют с помощью преобразователя 7, во время проведения тех же каротажных исследований в отличие от прототипа, в котором для подобных исследований требуется замена поворотной части 4 звуколокатора и проведение повторного каротажа ПХГ.
Таким образом, применение данных способа и звуколокатора повышает достоверность исследований формы и размеров каверны ПХГ за счет определения скорости звука в различных направлениях при проведении акустических измерений в процессе одного каротажного исследования, чем достигается поставленный технический результат.