УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Полезная модель относится к технике гидрогеологических исследований в буровых скважинах и может быть использована для определения направления потока подземных вод по водоносным горизонтам, пересеченным одиночной буровой скважиной или для изучения движения вод, закачиваемых в нефтяные пласты, в случае обсадки нагнетательных скважин немагнитными трубами.
Указанные задачи имеют важное значение для борьбы с обводнением горных выработок и для контроля разработки нефтяных месторождений.
Дополнительная область применения полезной модели - гидрология, где она может быть использована для изучения глубоководных течений.
Известны весьма сложные зарубежные устройства для определения направления потока подземных вод. Примером может служить устройство по американскому патенту [1]. Это устройство содержит источник монохроматического света, например, гелий-неоновый лазер, и фотоприемник, состоящий из 65536 элементов, которые улавливают световой поток и фиксируют его изменения в результате поглощения света микрочастицами, переносимыми подземными водами. Информация обрабатывается скважинным микропроцессором. Для определения ориентировки устройства в скважине в нем установлен гирокомпас.
Уже одно только перечисление деталей этого устройства позволяет судить о его высокой сложности и стоимости.
Известны также более простые устройства аналогичного назначения, содержащие указатель направления потока в виде флюгера [2] или шарика, подвешенного на упругой нити [3]. Однако эти устройства, снабженные механическими указателями направления потока, обладают более низкой чувствительностью по скорости потока.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является устройство для определения направления потока ненапорных подземных вод по авторскому свидетельству [4]. Это устройство состоит из решетчатого корпуса, внутри которого размещены источник индикаторного красящего вещества и свободная магнитная стрелка. Регистратор направления распространения индикаторного красящего вещества выполнен в виде скрепленного с магнитной стрелкой тонкого диска, покрытого с верхней стороны слоем материала-сорбента.
Устройство опускается в скважину на любой немагнитной линии связи и устанавливается напротив исследуемого водоносного горизонта (глубина этого горизонта в скважине должна быть заблаговременно определена по данным каротажа или геолого-технологических исследований). Индикаторное красящее вещество выносится водой по направлению ее движения, оставляя окрашенный шлейф на слое материала - сорбента. После извлечения устройства из скважины определяют магнитный азимут потока как угол между осью шлейфа красителя и северным концом магнитной стрелки. Описанное устройство является предельно простым по конструкции и обладает весьма высокой чувствительностью по скорости потока.
Недостатком устройства служит его «одноразовость» в том смысле, что за одну спуско-подъемную операцию можно произвести измерение направления потока только в одной точке скважины. После этого устройство нужно извлекать из скважины и перед следующим измерением менять слой вещества-сорбента (диск из фильтровальной бумаги) Это снижает производительность измерений.
Цель предлагаемого технического решения - повышение производительности измерений за счет возможности выполнения нескольких замеров за одну спуско-подъемную операцию.
Поставленная цель достигается тем, что регистратор направления распространения индикаторного красящего вещества в нем выполнен в виде видеорегистратора и осветителя, расположенных по разные стороны от решетчатого корпуса, а диск, скрепленный с магнитной стрелкой, выполнен из прозрачного материала.
Конструкция устройства поясняется рисунками, на которых показаны:
на фиг. 1 - вид сбоку предложенного устройства с частичным разрезом;
на фиг. 2 - вид изображения, зафиксированного в скважине видеорегистратором.
Решетчатый корпус устройства выполнен в виде шести вертикальных стяжек 1 из немагнитного металла, или сплава, например, из латуни. В верхней части пространства между стяжками 1 закреплена ось 2 также из немагнитного материала; верхняя часть оси имеет диаметр несколько больший, чем ее нижняя часть, снабженная резьбой. На ось 2 надеваются контейнер 3 с красящим индикаторным веществом и прозрачный диск 4, жестко скрепленный с магнитной стрелкой 5, расположенной под ним. Контейнер 3 представляет собой цилиндрический барабан с перфорированными стенками. Прозрачный диск 4 и магнитная стрелка 5 удерживается на оси 2 с помощью колпачка 6, который навинчивается на нижний конец оси 2. На северном конце магнитной стрелки 5 высверлено миниатюрное отверстие 7 для идентификации направления на север.
Под решетчатым корпусом располагается видеорегистратор положения указателя направления потока и магнитной стрелки в герметичном немагнитном отсеке корпуса 8. Объектив регистратора помечен на фиг. 1 номером 9.
В качестве регистратора может быть использован скважинный фотоаппарат или автомобильный видеорегистратор. Последний более удобен по нескольким причинам. Во-первых, он, кроме изображения, отмечает еще и время, в которое это изображение зафиксировано, что облегчает привязку результатов измерений по глубине. Во-вторых, будучи включен, он не нуждается в дальнейшем управлении, в-третьих, он значительно более экономичен, чем фотоаппарат.
Над решетчатым корпусом располагается осветитель , установленный в своем герметичном и немагнитном отсеке 10. Осветитель состоит из набора светодиодов 11 и матового органического стекла 12.
Перед спуском устройства в скважину контейнер 3 заполняют каким-либо водорастворимым красителем. Это может быть, например, чернильный порошок или марганцево-кислый калий. Устройство прикрепляют к шнуру или другой немагнитной линией связи 13. В видеорегистратор вставляют флэш-память. Включают питание осветителя и видеорегистратора. Сверяют показания часов видеорегистратора и часов оператора, работающего с устройством.
Плавно опускают устройство в скважину, останавливая его на тех глубинах, где нужно определить направление потока, и выдерживают его на этих точках по 20-40 минут (в зависимости от предполагаемой скорости потока). Во время остановки устройства в скважине поток подземных вод растворяет индикаторное красящее вещество и выносит его из контейнера 3 в направлении потока. При этом частицы красящего вещества оседают на прозрачном диске, скрепленном с магнитной стрелкой.
В результате на кадрах, зафиксированных видеорегистратором, получается изображение магнитной стрелки 5 и шлейфа красителя 14. В конце каждой остановки фиксируют время по часам, сверенным с часами видеорегистратора.
По окончании измерений извлекают устройство из скважины, отключают питание осветителя и видеорегистратора, извлекают флэш-память или подключают через USB-порт видеорегистратор к компьютеру для скачивания сделанной записи. Выводят на печать изображения, зафиксированные видеорегистратором в моменты времени, отмеченные в журнале. По каждому из изображений определяют магнитный азимут потока по углу между северным концом магнитной стрелки и осью шлейфа красителя (угол α на фиг. 2).
Кроме направления потока, по результатам измерений дополнительно можно определить и скорость потока. Совершенно очевидно, что чем выше скорость потока, тем уже будет шлейф красителя. Зависимость ширины шлейфа от скорости потока поддается расчету.
Скорость диффузии ионов красителя в воде величина известная, обозначим ее U, а скорость потока - V. Краситель по направлению потока перемещается с той же скоростью V.
Чтобы пройти расстояние до края диска, красителю понадобится время
t=r/V, где r - радиус диска. За это же время ионы красителя успеют диффундировать в каждую сторону от направления потока на расстояние
L/2=U·t=U·r/V, так что скорость потока по половине ширины шлейфа в его наиболее широкой части (на краю диска) будет V=2rU/L.
Литература
1. Пат. США №463019, МКИ G0IP 3/30. Groundwater azimuth detection / Foster L.J. (U.S.) - заявл. 28.07.85, №386895, опубл. 16.09.90.
2. Пат. РФ №2084931, МКИ G01V 5/04, E21B 47/10. Устройство для определения направления потока подземных вод / Сковородников И.Г. Опубл. 20.07.97. Бюл. №20.
3. Заявка на патент по изобретению №2011122054/28, G01V 5/04 Устройство для определения направления и скорости потока подземных вод / Сковородников И.Г., Петряев В.Е., Оралгазина А.А. - Положит. решение от 20.08.2012, Бюл. №34.
4. Пат. РФ №1484120, МКИ G01V 5/04. Устройство для определения направления потока ненапорных подземных вод / Сковородников И.Г., Сковородников П.И. - заявл. 05.1 1.86, ДСП.