УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГОРНОЙ ПОРОДЫ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области исследования скважин и предназначена для определения вещественного (минерального) состава горной породы в процессе бурения скважины.
Известно устройство для определения минерального состава пород, содержания нефти и воды в керне или в буровом шламе в реальном времени бурения скважин, основанное на методе абсорбционной инфракрасной спектроскопии, включающее источник инфракрасного излучения, измерительный канал с кюветой пробы анализируемой горной породы, канал сравнения с кюветой сравнения, систему сферических зеркал, оптически связанных с набором светофильтров, приемник инфракрасного излучения, блок синхронизации сигналов, блок определения оптической плотности и блок индикации (Моисеенко А.С. и др. Инфракрасный спектральный анализатор полевого типа для анализа минерального состава и нефтесодержания керна и шлама. - Ж. Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности, 1983, №11).
Однако известное устройство не обеспечивает высокую достоверность определения концентрации минералов в исследуемой горной породе, что объясняется наложением спектральных полос отдельных породообразующих минералов, например, глины и песчаника.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для инфракрасного (ИК) определения спектров поглощения минералов пород в процессе бурения, содержащее оптический блок и измерительно-преобразовательный блок, при этом оптический блок содержит источник инфракрасного излучения, модулятор и два оптических канала: измерительный и канал сравнения, первый из которых включает в себя кювету с пробой анализируемой горной породы, а второй канал включает кювету сравнения, "n" эталонных проб смесей горных пород с различными значениями концентраций минералов в исследуемых горных породах. В оптический блок также входят: зеркальная система фокусировки, набор оптических фильтров, блок адаптации эталонных проб смесей горной породы с подключенным к его выходу приводом установки проб смесей, блок адаптации оптической фильтрации горной породы с подключенным к его выходу приводом установки светофильтров. Измерительно-преобразовательный блок содержит блок управления на базе микропроцессорного контроллера, приемник инфракрасного излучения, блок усиления с предусилителем и усилителем с автоматической регулировкой усиления, блок синхронизации сигналов, блок определения оптической плотности, аналого-цифровой преобразователь, блок индикации, блоки адаптации эталонных проб смесей горной породы и оптической фильтрации горной породы (RU 2249687, Е21В 47|10,2001).
Принципиальный подход определения состава породы, реализованный в известном устройстве, заключается в выделении характеристических частот спектров каждого из минералов.
Однако указанное устройство обладает недостаточной однозначностью идентификации минерального состава разбуренной породы, прежде всего, из-за значительного перекрытия частотных полос характеристических спектров минералов. Особенно это имеет место для минералов кварца и глины песчано-глинистых пород. Предположительно, что имеющая место неопределенность вызвана введенной дифференциацией по диапазонам частот в ущерб интегральным «индивидуальным» свойствам спектров минералов. Кроме того, указанное устройство требует значительных затрат времени и умения подготовки пробы анализируемой горной породы, специального аппаратно-программного обеспечения, включающего оборудование смены эталонов проб смесей горной породы, сложную оптическую систему зеркал, соответствующие электронные средства, сложный алгоритм обработки данных ИК анализов и др.
В основу настоящей полезной модели положена задача создания устройства, обеспечивающего повышение достоверности определения концентраций минералов в исследуемом буровом шламе за счет адаптации измерений к концентрациям минералов песчано-глинистых пластов горной породы при проходке скважины.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения состава горной породы в процессе бурения скважины содержит оптический блок, включающий источник инфракрасного излучения и измерительный канал с оптической схемой и кюветой, и измерительно-преобразовательный блок, включающий приемник инфракрасного излучения, подключенный через усилитель к аналого-цифровому преобразователю, микропроцессорный контроллер, десять электронных ключей, блок памяти текущих характеристик шлама с привязкой по глубине и времени, блок определения соотношения текущих значений кварца и глины, блок сравнения, блок эталонной информации и блок индикации, причем первый, второй, третий и четвертый управляющие выходы микропроцессорного контроллера подключены к первым входам первого, второго, третьего и четвертого ключей, пятый управляющий выход - к первым входам пятого и шестого ключей, шестой - к первому входу седьмого ключа, седьмой - к первым входам восьмого и девятого ключей, восьмой и девятый, соответственно, к первым входам десятого и девятого ключей, выход аналого-цифрового преобразователя подсоединен к второму входу первого ключа, выход которого связан с вторым входом второго ключа, выход которого соединен с первым входом блока памяти текущих характеристик шлама с привязкой по глубине и времени, выходы которого подсоединены к вторым входам третьего и пятого ключей, выход третьего ключа подключен к входам блока индикации и блока определения соотношения текущих значений кварца и глины, выход последнего соединен с вторым входом четвертого ключа, выход которого подсоединен к второму входу блока памяти текущих характеристик шлама с привязкой по глубине и времени, третий и четвертый входы которого подсоединены к выходам седьмого и десятого ключей, вторые входы которых подключены к выходу блока сравнения, второй, третий и четвертый входы которого подключены к выходам, соответственно, пятого, шестого и восьмого ключей, вторые входы шестого и восьмого ключей подсоединены к первым и вторым выходам блока эталонной информации, третий выход которого подсоединен к второму входу девятого ключа, выход которого подключен к блоку индикации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показаны спектры поглощения основных породообразующих минералов кварца (а) и глины (б) в породе песчано-глинистого типа, на фиг.3 показаны результаты из табл.2 пересчета данных из столбцов 2 и 3 табл.1 в условных единицах столбца 1 табл.1, на фиг.3 результаты даны согласно столбцу 6 табл.2 значений для площадей ИК спектров поглощения минералов при диапазонах амплитуд в процентах столбца 4 как результата процентного соотношения кварца и глины в породе песчано-глинистого типа (кривая на фиг.3 соответствует линейной аппроксимации точек градаций соотношения минералов в их смеси для данной породы), на фиг.4 показана дискретизация спектров фиг.2 для определения площадей (сумм амплитуд) ИК спектров поглощения минералов, данных в табл.1 и табл.2, на фиг.5 и 6 блок-схемы алгоритма работы блока устройства.
Таблица 1Площади спектров ИК поглощения минералов кварца и глины (суммы значений амплитуд)
диапазон
кварц
глина
≈в %%
1
2
3
4
10-80
650
560
90
20-80
490
440
75
30-80
360
340
60
40-80
270
260
50
50-80
190
200
40
60-80
140
170
25
70-80
120
150
10
Таблица 2Площади (суммы значений амплитуд) спектров ИК поглощения кварца и глины, приведенные к процентному составу смеси этих минералов
Диапазон, %%
Кварц
Глина
смесь кварц-глина, %%
Значения столбца 5 минус 408
1
2
3
4
5
6
100
650
560
100-0
650
242
90
585
504
90-10
590
181
75
439
378
75-25
486
78
50
219
189
50-50
408
0
25
55
47
25-75
433
24
10
5
5
10-90
509
101
0
0
0
0-100
560
152
Предлагаемое устройство содержит блоки оптический I и измерительно-преобразовательный II.
Оптический блок I содержит источник инфракрасного излучения 1, измерительный канал 2 с оптической схемой и кюветой пробы анализируемой горной породы (кювета и система фокусировки зеркал на фиг.1 не показаны).
Измерительно-преобразовательный блок II содержит:
приемник 3 инфракрасного излучения и усилитель 4; аналого-цифровой преобразователь 5; блок памяти текущих характеристик шлама с привязкой по глубине и времени 6; блок определения соотношения текущих значений кварца и глины 7; блок сравнения текущих и эталонных значений поглощения шлама при определении областей и вариантов градаций 8; блок постоянной памяти эталонных значений шлама, областей соотношения кварца и глины, предыстории и прогноза значений шлама по глубине проходки 9; микропроцессорный контроллер 10; блок индикации 11; десять электронных ключей 12÷21.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
В результате экспериментальных исследований литологического расчленения разреза скважины, определяющего известные породы карбонатного или песчано-глинистого типа, получены инфракрасные спектры поглощения породообразующих минералов кварца и глины (монтмориллонита) в породе песчано-глинистого типа (см. фиг.2).
По выделенным значениям амплитуд в спектре для соответствующих оценок процентного соотношения поглощения кварца и глины производится вычисление площади как суммы значений всех амплитуд в спектре поглощения кварца и глины.
Результаты такого получения площадей приведены в табл.1, где показаны в столбце 1 диапазоны площадей (в условных единицах), в столбцах 2 и 3 - площади по соответствующим спектрам минералов, а в столбце 4 - оценка поглощения в процентах. При этом динамика диапазонов отмечает, как представляется, функциональные особенности спектров на «своих» совокупностях характеристических частот.
Фиг.3 показывает различия процентного соотношения кварца и глины в породе песчано-глинистого типа. При этом на практике обычно диапазон 50-50 исключается из рассмотрения из-за достаточно большой неопределенности однозначного принятия решения.
На основе полученных зависимостей ЛПР (лицо, принимающее решение по управлению процессом проходки скважины) может сделать выводы о соответствии текущего значения поглощения смеси кварца и глины градации процентного их соотношения в данной пробе шлама, на данной глубине и в данный момент времени. Эти выводы из-за специфики вида кривой фиг.3 могут быть сформулированы как варианты, отраженные в табл.3 как причинно-следственные (предикатные) заключения. При этом новым в предлагаемой устройстве является возможность и необходимость в ряде случаев учета предыстории проходки и ее прогноза по глубинам, времени и результатов определения градаций процентного соотношения минералов в смеси. Такие случаи отражены вариантами в табл.3 выводов о принадлежности текущего поглощения смеси кварца и глины к соответствующей области с учетом предыстории и прогноза (отмечены знаком «+»).
Пояснения к табл.3.
Столбцы:
1. Область попадания текущего поглощения смеси кварца и глины на фиг.3 и соответственно № варианта предикатного вывода;
2,3. Область I попадания текущего поглощения смеси кварца и глины на фиг.3 со значениями площадей, больших 152. Предыстория и прогноз в этом варианте могут не проводиться.
4,5. Область II попадания текущего поглощения смеси кварца и глины на фиг.3 со значениями площадей, не больших 152.
2,4. Предыстория - значения поглощений ранее пройденных глубин (их номера) соответствующей области относительно глубины текущего поглощения смеси кварца и глины на фиг.2 с указанием диапазона значений сумм амплитуд на фиг.3.
3,5. Прогноз - значения поглощений позже пройденных глубин (их номера) соответствующей области относительно глубины текущего поглощения смеси кварца и глины на фиг.2 с указанием диапазона значений площадей на фиг.3.
Таблица 3Выводы о принадлежности текущего поглощения смеси кварца и глины с учетом поглощений по предыстории и прогнозу
Области I и II площадей спектров
Выводы по текущему измерению поглощения в шламе
Область текущего измерения и № варианта
Область I
Область II
Предыстория
Прогноз
Предыстория
Прогноз
1
2
3
4
5
6
I Вариант№1
+
+
Область I, кварца больше глины
II Вариант№2
+
+
Увеличение глины. Левая ветвь области II
II Вариант№3
+
+
Увеличение кварца. Левая ветвь области II
II Вариант№4
+
+
Увеличение глины. Правая ветвь области II
242, 181, 78, 0, 24, 101, 152 - значения площадей спектров кварца и глины фиг.3 по градациям процентного соотношения этих минералов в смеси (100-0, 90-10, 75-25, 50-50, 25-75, 10-90, 0-100), вычисленные по спектрам поглощений минералов. На фиг.3 дана линейная интерполяция между этими значениями.
Указанные факторы и установленные зависимости положены в основу формирования структуры предлагаемого устройства для обеспечения конечной информации по данным инфракрасного спектрального анализа о процентном соотношении кварца и глины в породе песчано-глинистого типа.
Отмеченные в табл.3 четыре варианта определяют следующий алгоритм работы устройства и, как следствие, требования к аппаратно-программным средствам - микропроцессорному контроллеру и промежуточным микросхемам.
Алгоритм работы предлагаемого устройства
1) регистрация текущего значения поглощения кварца и глины песчано-глинистой породы;
2) приведение данных п.1 к представлению в виде площадей (суммарного значения амплитуд) спектров и его индикация;
3) определение области площади спектров сравнением результата п.2 с диапазонами областей I и II:
3.1) если область I, то определяется состав смеси - (100-0)%, либо (90-10)%; регистрация показания ИК анализатора, отметка глубины, занесение этих данных в запоминающее устройство (ЗУ) как базу данных (БД) и индикация данных для ЛПР по управлению процессом проходки скважины; это вариант №1 из возможных четырех вариантов; конец работы алгоритма;
3.2) если область II, то имеет место неопределенность, переход к п.4 по получению данных для выбора варианта анализа текущего значения состава песчано-глинистой породы;
4) обращение к БД по предыстории проходки, фиксация предыдущих глубин заданного диапазона и значений ИК анализатора на этих глубинах; продолжение - прогноз проходки с фиксацией глубин заданного диапазона и значений ИК анализатора на этих глубинах;
5) определение варианта по результатам п.4 и вывода по этим данным для ЛПР по управлению процессом проходки скважины:
5.1) вариант №2: текущее значение по п.2 относится к области II; предыстория - область I, прогноз - область II.
Вывод: смесь породы находится на левой ветви области II - градации (90-10)%, либо (75-25)%, либо (50-50)%; конец работы алгоритма;
5.2) вариант №3: текущее значение по п.2 относится к области II; предыстория - область II, прогноз - область I.
Вывод: смесь породы находится также на левой ветви области II -градации (90-10)%, либо (75-25)%, либо (50-50)%; конец работы алгоритма;
5.3) вариант №4: текущее значение по п.2 относится к области II; предыстория - область II, прогноз - область II.
Вывод: смесь породы находится на правой ветви области II - градации (50-50)%, либо (25-75)%, либо (10-90)%, либо (0-100)%; конец работы алгоритма.
Выводы в вариантах №2÷№4 включают для ЛПР процедуры, предусмотренные п.3.1 по варианту №1.
Фиксация количества глубин для предыстории и прогноза показаний ИК анализатора выполняется предварительно ЛПР при настройке работы устройства, либо в процессе анализа по вариантам №2÷№4.
Реализация приведенного общего алгоритма работы устройства осуществляется под управлением микропроцессорного контроллера 10 (см. фиг.1). Таким образом, устройство работает согласно описанным ниже на фиг.5 алгоритму работы микропроцессорного контроллера - блоки 1÷8 и на фиг.6 алгоритму его блока 6 (блоки 9÷16).
Так, алгоритм работы микропроцессорного контроллера включает следующую последовательность действий:
1 - пуск;
2 - подпрограмма регистрации текущего значения поглощения кварца и глины песчано-глинистой породы;
3 - подпрограмма приведения данных п.2 к представлению в виде суммарного значения амплитуд спектров и вывод на индикацию (регистрацию);
4 - подпрограмма задания областей I и II сумм амплитуд спектров и их градаций сравнением результата п.3 с диапазонами областей;
5 - запись в БД сумм амплитуд спектров, приведенных к процентному составу в смеси кварца и глины;
6 - определение области I или II текущего значения суммы амплитуд спектров сравнением результата п.3 с диапазонами областей;
7 - вывод на индикацию № варианта, градации смеси кварца и глины в песчано-глинистой породе;
8 - конец.
Алгоритм работы блока 6 микропроцессорного контроллера включает следующую последовательность действий:
9 - старт;
10 - подпрограмма проверки условия: относится ли текущее значение к области I сумм амплитуд спектров и их градаций с процентного соотношения минералов шлама; если да, то переход к блоку 11;
11 - подпрограмма определения параметров текущего значения шлама как варианта 1 в блоке 11, запись результата в блок 15 (БД) и выдача его на блок индикации 16; возврат в основную программу на блок 8; если нет, т.е. имеет место область II, то следует переход к блоку 12;
12 - подпрограмма определения, относятся ли параметры текущего значения шлама к варианту 2 (согласно табл.3 с обращением к данным БД по предыстории и прогнозу). При выполнении положений варианта 2 - запись результата в блок 15, выдача его на блок индикации 16, возврат в основную программу; если не вариант 2, то следует переход к блоку 13;
13 - подпрограмма определения, относится ли текущее значение шлама к варианту 3 или к варианту 4. Если имеет место вариант 3, то следует запись результата в блок 15, выдача его на блок индикации 16, возврат в основную программу; если не вариант 2, то следует переход к блоку 14;
14 - подпрограмма определения параметров текущего значения шлама по варианту 4 с записью результата в блок 15, выдачей его на блок индикации 16 и возврата в основную программу;
15 - БД сумм амплитуд спектров, глубины по скважине, соотношения кварца и глины в песчано-глинистой породе, времени прохождения глубин, на которых сделаны анализы шлама, значения количества глубин для предыстории и прогноза по вариантам анализа текущего значения шлама;
16 - возврат на основную программу и выдачи на блок индикации результатов по одному из пп.10÷14.
Устройство работает следующим образом.
В оптическом блоке I источником ИК облучения 1, каналом 2 с оптическими схемами, кюветой и системой фокусировки зеркал формируется результат ИК спектра поглощения значений минералов в пробе анализируемой горной породы песчано-глинистого типа (с кварцем и глиной). Результат сравнения поступает на приемник 3 измерительно-преобразовательного блока II.
Электрический сигнал после приемника 3 ИК излучения поступает через усилитель 4 на аналого-цифровой преобразователь 5 (АЦП) определения оптической плотности, на выходе которого формируются сигналы, пропорциональные интенсивности прошедшего и падающего на исследуемую пробу в измерительном канале излучения. Значения с АЦП записываются в блок 6 запоминания текущих дискретных значений поглощений шлама, их времен и отметок глубин, т.е. площадей спектров кварца и глины. В блоке 7 определяется область соотношения кварца и глины текущего значения поглощения шлама. Значение области записывается в ЗУ - блок 6. Если при этом имеет место область I, то результат определения соотношения кварца и глины выдается как окончательный на индикацию вместе с временем и глубиной проходки. Если область II, то работает блок 8 сравнения текущих (блок 6) и эталонных (блок 9) значений поглощения шлама при определении вариантов соотношения кварца и глины в области II. Блок 9 - это постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) экспериментальных данных, принимаемых за эталонные значения шлама, области соотношения кварца и глины, предыстории и прогноза значений шлама по глубине проходки. Результаты работы схемы 8 записываются в ЗУ - блок 6 как окончательные и выдаются на блок индикации 11. Синхронизацию работы блоков производит микропроцессорный контроллер 10, управляющие выходы С1, С2,…,С9 которого поступают в нумерованной последовательности на одни из двух входов десяти ключей 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21. Ключи срабатывают при поступлении управляющих выходов С1, С2,…,С9 микропроцессорного контроллера 10 и с соответствующих элементов измерительно-преобразовательного блока II. Последовательность срабатывания ключей от управляющих выходов С1÷С9 следующая.
1. Выдача с блока 5 (АЦП) дискретного значения текущего поглощения шлама (управляющий выход С1);
2. Прием с блока 5 на блок 6 (ЗУ) текущих дискретных значений поглощений шлама, времен, глубин (управляющий выход С2);
3. Выдача с блока 6 и прием на блок индикации 11 и блок 7 для определения процентного соотношения кварца и глины в текущем значении (площади) поглощения шлама (управляющий выход С3);
4. Выдача с блока 7 и прием на блок 6 (ЗУ) для хранения значения текущего поглощения (площади), его времени получения, глубины, процентного соотношения кварца и глины (управляющий выход С4);
5. Выдача значений с блока 6 и блока 9 (ПЗУ эталонных значений (площадей) поглощений и их процентного соотношения кварца и глины) на блок сравнения 8 (управляющий выход С5);
6. Выдача с блока сравнения 8 и прием на блок 6 для регистрации данных значения текущего поглощения шлама, включая номер области I или II процентного соотношения кварца и глины (управляющий выход С6);
7. Выдача с блока 9 предыстории и прогноза значений шлама по глубине проходки на блок сравнения 8 для определения вариантов площадей текущего поглощения и эталонов шлама и их процентного соотношения кварца и глины в области II (управляющий выход С7);
8. Выдача с блока сравнения 8 и прием на блок 6 для регистрации значения площади текущего поглощения шлама, включая номер области I или II процентного соотношения кварца и глины (управляющий выход С8);
9. Выдача результатов с блока 9 и прием их на блок индикации 11 (управляющий выход С9).
Таким образом, предлагаемое устройство решает задачу учета интегральных свойств минералов. При проходке скважины по шламу (и керну при разведке месторождения) известен характер породы: песчаник, песчаник с глиной, доломит и т.п. Поэтому в кювету анализируемой горной породы можно закладывать соответствующую пробу, в которой и требуется определить процентное соотношение двух минералов, например, текущую пробу шлама из кварца и глины, что характеризует песчано-глинистую породу. В результате, в предлагаемом устройстве не требуется целый ряд блоков, имеющихся в наиболее близком решении. К ним относятся: второй оптический канал с кюветой сравнения, "n" эталонных проб смесей горных пород с различными значениями концентраций минералов в исследуемых горных породах, набор оптических фильтров, блок адаптации эталонных проб смесей горной породы, привод установки проб смесей, блок адаптации оптической фильтрации горной породы, привод установки светофильтров. Такая модернизация устройства повышает его функциональные характеристики. В том числе и за счет исключения, как отмечалось выше, значительных затрат времени и умения подготовки пробы для кюветы анализируемой горной породы.
Предлагаемое устройство наиболее целесообразно использовать для количественного анализа минерального состава песчано-глинистых пород осадочного комплекса в процессе бурения скважин на нефть и газ.