Устройство для контроля плотности эмульсионного взрывчатого вещества или других жидкостей в вертикальных скважинах и способ осуществления контроля плотности
DEVICE FOR CONTROL OF DENSITY OF EMULSION EXPLOSIVE SUBSTANCE OR OTHER LIQUIDS IN VERTICAL WELLS AND METHOD OF MONITORING DENSITY

Изобретение относится к области приборостроения, а именно, к плотномерам гидростатического типа, которые позволяют измерять плотность жидкостей в вертикальных скважинах, и может быть использовано для контроля плотности газонасыщенного эмульсионного взрывчатого вещества (ЭВВ) в вертикальных скважинах перед взрывом.
Потребность в изобретении вызвана необходимостью контроля плотности жидкого ЭВВ, сенсибилизированного пузырьками газа или полыми микросферами, после заряжания его в скважину. Дело в том, что плотность ЭВВ изменяется в зависимости от объемной доли газовых включений или полостей при изменении гидростатического давления в эмульсии. Плотность эмульсии всегда выше на дне скважины, там, где размещается боевик (промежуточный детонатор). При определенных обстоятельствах, например, при задержке на несколько дней подрыва скважин после их заряжания, плотность эмульсии может повыситься, и приблизиться к опасной пороговой величине, выше которой детонация не может быть инициирована. Подрыв уплотненной эмульсии чреват неприятными последствиями (увеличением окислов азота в продуктах детонации, отказом детонации заряда в некоторых скважинах), и этого следует избегать. Необходим регулярный контроль плотности эмульсии в нескольких ключевых скважинах. Для этого нужно устройство, «одноразовый» измерительный зонд которого перед заряжанием опускается на дно скважины в область размещения боевика. «Одноразовый» зонд должен быть исключительно простым и дешевым, так как при взрыве он будет уничтожен.
Известны многочисленные конструкции плотномеров. Большинство из них содержит одну или две диафрагмы, связанные с датчиком давления через жидкую среду (см., например, RU 2145703, опубл. 20.02.2000). Наличие диафрагм создает дополнительные погрешности при передаче давления на датчик. Нередко диафрагмы имеют большие габариты. Возможность уменьшения габаритов ограничена, так как вызывает прогрессивное увеличение жесткости диафрагм, что приводит к резкому снижению точности измерений. Кроме того, большие габариты диафрагм ограничивают область применения приборов, и их нельзя использовать в скважинах.
Известны устройства для измерения плотности (RU 2137109, опубл. 10.09.1999 и RU 2213340, опубл. 27.09.2003), содержащие расположенные на разных уровнях в исследуемой среде две герметичные камеры, у которых, по крайней мере, одна стенка выполнена в виде эластичной мембраны, соединенные с «пьезотрубками». Камеры с мембранами и «пьезотрубки» заполнены специальными несмешивающимися жидкостями, легкой и тяжелой. Система измерения в данных известных устройствах очень сложна. Она основана на отличиях свойств несмешивающихся жидкостей: диэлектрические проницаемости первой и второй жидкостей должны более чем на порядок отличаться друг от друга. Специальные сенсоры, измерители электрической емкости, фиксируют уровень раздела жидкостей. Он смещается в зависимости от давления измеряемой среды, а сигнал от сенсора обрабатывается особым вычислительным комплексом. Данные плотномеры с «пьезотрубками» и емкостными датчиками (причем каждый датчик снабжен двумя рабочими электродами и тремя охранными электродами) при измерениях погружаются в исследуемую жидкость, следовательно при использовании для ЭВВ будут уничтожены при взрыве, что для однократного применения неприемлемо по цене. Кроме того, данные устройства содержат металлические части и электрические компоненты, что недопустимо при измерениях в скважинах, заполненных ЭВВ с установленным боевиком.
Известен гидростатический скважинный плотномер для применения в разведочных и эксплуатационных нефтяных и гидрогеологических скважинах (RU 2483284, опубл. 27.05.2013). В данном известном плотномере объемные диафрагмы отсутствуют, но он также непригоден для однократного измерения плотности ЭВВ в скважине из-за высокой стоимости.
Задачей изобретения является создание устройства для контроля плотности ЭВВ или других жидкостей в вертикальных скважинах, которое обеспечит достаточно высокую точность измерений плотности, что позволит, в частности, надежно оценивать детонационную способность ЭВВ в контролируемой скважине, и в то же время будет отличаться существенно упрощенной и недорогой конструкцией. Создаваемое устройство будет возможно быстро изготавливать непосредственно на карьере, используя, в том числе, отходы взрывных работ (отработанные ударноволновые трубки типа «нонель»).
Задачей изобретения является также разработка способа осуществления контроля плотности ЭВВ или других жидкостей в вертикальных скважинах, который обеспечит достаточно высокую точность измерений плотности, что позволит надежно фиксировать изменения плотности, что, в частности, обеспечит надежную оценку детонационной способности ЭВВ в контролируемой скважине. Способ должен отличаться простотой, безопасностью и не требовать специальной подготовки рабочего персонала.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для контроля плотности ЭВВ или других жидкостей в вертикальных скважинах, включающим измерительный зонд, содержащий расположенные в контролируемой среде один над другим на известном фиксированном расстоянии чувствительные элементы, представляющие собой эластичные камеры, закрепленные на рейке с грузом и соединенные при помощи пневматических шлангов и системы кранов с манометром и воздушным насосом.
ЭВВ может быть сенсибилизировано газогенерирующей добавкой.
Контролируемая среда может быть тиксотропной или реопексной жидкостью.
Эластичные камеры с обеих сторон закрыты заглушками, герметично закрепленными хомутами и уплотняющими кольцами, при этом верхняя заглушка в каждой эластичной камере имеет отверстие для соединения с пневматическим шлангом.
В качестве пневматических шлангов могут использоваться отработанные ударноволновые трубки типа «нонель», являющиеся отходами взрывных работ.
Воздушный насос, манометр и система кранов находятся на поверхности земли.
Манометр может быть подключен к электронному или механическому регистратору давления.
Решение поставленной задачи достигается также предлагаемым способом контроля плотности ЭВВ в вертикальных скважинах путем измерения давления на разных уровнях в контролируемой среде, для чего в контролируемую среду помещают измерительный зонд, содержащий расположенные один над другим на известном фиксированном расстоянии чувствительные элементы, представляющие собой эластичные камеры, соединенные при помощи пневматических шлангов и системы кранов с манометром и воздушным насосом, проводят воздушным насосом серию закачек сжатого воздуха в эластичные камеры короткими импульсами для резкого повышения давления попеременно в нижней и верхней эластичной камере, фиксируют давление в каждой камере при достижении равновесия с контролируемой средой и по разности измеренных давлений в нижнем и верхнем чувствительных элементах рассчитывают плотность ЭВВ в скважине.
ЭВВ может быть сенсибилизировано газогенерирующей добавкой.
Контролируемая среда может быть тиксотропной или реопексной жидкостью.
Манометр, система кранов и воздушный насос для закачки сжатого воздуха в эластичные камеры находятся на поверхности земли.
Манометр может быть подключен к электронному или механическому регистратору давления.
При создании предлагаемого изобретения предварительно были проведены экспериментальные исследования возможности использования различных типов эластичных камер, способных воспринимать импульсы закачки сжатого воздуха для резкого повышения в них давления, чтобы обеспечить быстрое установление равновесия с давлением в окружающей эмульсии, являющейся тиксотропной жидкостью. Было установлено, что для этой цели можно использовать как гибкие полимерные, так и эластичные оболочки, в том числе отрезки резиновой велосипедной камеры. Применение таких доступных средств наряду с использованием в качестве пневматических шлангов отходов взрывных работ (отработанных ударноволновых трубок типа «нонель») обеспечивает важное отличие и существенное преимущество заявляемого решения -простоту конструкции и отсутствие необходимости использования дорогостоящего оборудования.
На фиг. 1 представлена схема чувствительного элемента, представляющего собой эластичную камеру (например, обрезок резиновой велосипедной камеры) 1, оба конца которой закрыты пластмассовыми заглушками: 2 (верхняя) и 3 (нижняя). Заглушки герметично закреплены хомутами 4 и уплотняющими резиновыми кольцами 5. Верхняя заглушка 2 имеет отверстие 6 для соединения с пневматическим шлангом.
Два чувствительных элемента 7 (верхний) и 8 (нижний) (см. фиг. 2), закрепленные на рейке 9, образуют измерительный зонд 10. К нижнему концу рейки 9 с помощью веревки 11 крепится груз 12 для придания вертикального положения зонду 10 в скважине. Зонд 10 вместе с двумя пневматическими шлангами 13 опускается на веревке 14 в скважину на необходимую глубину.
Стоимость двух пневматических шлангов 13, длина которых на 1-2 м превышает глубину скважины (обычно до 30 м), составляет основную часть стоимости измерительного зонда 10. Поэтому мы предлагаем в качестве пневматических шлангов использовать отработанные ударноволновые трубки (УВТ) типа «нонель», которые являются естественным отходом взрывных работ.УВТ имеют внутренний диаметр 1 мм и наружный диаметр 3-4 мм.
Измерительная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.3. Чувствительные элементы (эластичные камеры) измерительного зонда 10, верхний 7 и нижний 8, с помощью пневматических шлангов 13 и кранов 15, подсоединены общим пневматическим шлангом к манометру 16. Манометр 16 может быть подключен к электронному или механическому регистратору давления (на фиг. 3 не показан). Манометр 16 сообщается с ручным или автоматическим воздушным насосом 17 и через проходной кран 18 с атмосферой для дренажа всей пневматической системы. После погружения измерительного зонда 10 в скважину 19 ее заполняют ЭВВ или иной жидкостью 20. Предлагаемое устройство работает следующим образом.
До погружения измерительного зонда 10 в скважину 19 полезно проверить его герметичность, поместив зонд 10 в сосуд с водой и подав воздух в систему. После погружения измерительного зонда 10 в скважину 19 и заполнения скважины ЭВВ или иной жидкостью 20 проводят серию измерений давления сначала в одном чувствительном элементе (эластичной камере), а затем - в другом. Для этого начинают закачку воздуха насосом 17 в одну из эластичных камер, вначале повышая давление в ней до уровня, примерно равного ожидаемому давлению в скважине или немного ниже, стенки эластичной камеры при этом начинают расправляться. Затем проводят серию закачек сжатого воздуха небольшими порциями в виде резких коротких импульсов, получая диаграмму давления в данной эластичной камере, которая приведена на фиг. 4.
Сравнительно медленное повышение давления в чувствительном элементе, находящемся в тиксотропной жидкости (вязкая эмульсия ЭВВ) или реопексной жидкости, нежелательно, так как у таких жидкостей вязкость изменяется (падает или увеличивается) со временем после приложения к ней усилия. Для ньютоновских жидкостей, вязкость которых при данной температуре остается постоянной, указанное требование отсутствует, но в любом случае резкий импульс повышения давления способствует однозначному и одинаковому характеру расправления оболочки чувствительного элемента в направлении сверху вниз. Это обеспечивает точность измерений за счет одинакового поведения обоих чувствительных элементов (датчиков) (7 и 8) в измерительном зонде 10 и тем самым сохранение высоты h, на которую разнесены центры объемов датчиков в контролируемой среде.
Выход величины давления на диаграмме (см. фиг. 4) после серии импульсов накачивания (пики) на платообразные участки, имеющие одинаковый уровень, означает достижение равновесия со скважинной средой на глубине расположения датчика. Определенное таким образом давление и есть искомое гидростатическое давление для данного датчика. Если давление контролируют по манометру, то при достижении равенства давления со средой после очередного импульса накачивания стрелка манометра останавливается на том же уровне, что и после предыдущего импульса накачки. -При регистрации давления в чувствительном элементе выше равных соседних значений на плато на диаграмме или постоянного значения на манометре измерения завершают и производят дренаж давления через проходной кран 18. Измерения давления на каждом чувствительном элементе повторяют несколько раз, в качестве измеренного давления берется среднее значение. Во время измерений в одном чувствительном элементе регулирующий кран другого датчика закрыт.После получения данных кран для чувствительного элемента, где были произведены измерения, закрывают и открывают кран для другого - где нужно произвести измерения.
Полученные данные позволяют рассчитать плотность жидкости в скважине ρ по формуле:
1
2
где Р и Р измеренное давление в нижнем 8 и верхнем 7 чувствительных элементах измерительного зонда 10, h - разница в высоте расположения чувствительных элементов относительно друг друга (обычно 1 м) и g - ускорение свободного падения.
Опыты, проведенные в лабораторных условиях с несколькими жидкостями известной плотности в диапазоне давлений в жидкости до 3 атм, продемонстрировали, что измерения плотности имеют погрешность не более 4%, что обеспечивает, в частности, надежную оценку детонационной способности ЭВВ в контролируемой скважине.
Таким образом, предлагаемое устройство для контроля плотности различных жидкостей в вертикальных скважинах обеспечивает достаточно высокую точность измерений плотности и в то же время отличается существенно упрощенной и недорогой конструкцией. Устройство позволяет надежно оценивать детонационную способность ЭВВ в контролируемых скважинах. Предлагаемое устройство можно быстро изготавливать непосредственно на карьере, используя в том числе отходы взрывных работ (отработанные ударноволновые трубки типа «нонель»). Предлагаемый способ осуществления контроля плотности различных жидкостей в вертикальных скважинах позволяет надежно фиксировать изменения плотности, что, в частности, обеспечивает надежную оценку детонационной способности ЭВВ в контролируемой скважине. Способ отличается простотой, безопасностью и не требует специальной подготовки рабочего персонала.