УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В СКВАЖИНЕ

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин и гидрогеологических исследований, может быть использована для определения направления потока подземных вод по пластам, горизонтам, вскрытым скважиной.
Известен прибор измерения направления потока подземных вод [И.А. Гаркаленко, В.Ю. Зайченко, А.Ф. Михедько, Н.П. Развалов. Методика геофизических исследований скважин Донбасса. Киев: «Наукова Думка», 1971, с. 137-139], разработанный В.Д. Коваленко, В.Ю. Зайченко и Ю.Б. Лысогорским и опробованный в Донецком бассейне.
Общим признаком заявляемой полезной модели с данным аналогом является наличие корпуса, состоящего из герметичной камеры, где установлена регистрирующая аппаратура и магнитная стрелка, используемая в качестве привязки к магнитному северу.
Данный прибор имеет камеру с крашеной жидкостью (чернилами), которая выпускается из отверстия по команде с поверхности. Чернила подхватывает поток подземной воды, и на фоне магнитной стрелки производится фотографирование красящего вещества. Чернила, при перемещении, образуют конус выноса, по форме которого судят о направлении потока. Фотоаппаратура в данном приборе делает снимки на пленку.
Недостатками данного прибора являются: применение чернил, которые необходимо заправлять перед каждым спуском и которых может не хватить на длительные исследования, пленочный фотоаппарат необходимо так же заряжать фотопленкой, таким образом, количество точечных замеров ограничивается; информацию о направлении потока получаем не сразу, а только после проявки пленки на поверхности; важно отметить тот факт, что происходит загрязнение подземных вод красящими веществами, нарушая экологическую обстановку.
Определение азимута направления потока подземных вод достигается в аналоге только после подъема прибора и проявки пленки, при чем определение угла направления по конусу выноса неточное, невозможно определить интегральное направление потока подземных вод.
Известно устройство [Патент РФ на изобретение №2084931, МПК G01V 5/04, E21B 47/10, опубликовано 20.07.1997], позволяющее измерять направление потока подземных вод в скважине.
Общими признаками заявляемой полезной модели с данным аналогом является наличие корпуса, состоящего из герметичной камеры, где установлена магнитная стрелка, используемая в качестве привязки к магнитному северу, и открытого пространства с флюгером.
Отличием устройства от заявляемой полезной модели является способ регистрации, который осуществляется с помощью датчика интенсивности светового луча, проходящего через прорезь специального диска. Ширина прорези равномерно изменяется по ширине в зависимости от угла поворота. Диск с прорезью приводится в движение благодаря магнитной стрелке, поворачивающейся на северный магнитный полюс. Через прорезь попадает свет на светочувствительный элемент, показания которого зависят от интенсивности светового луча. Луч проходит через щель переменной ширины. Изменяя ширину щели, меняется интенсивность потока света, проходящего через щель.
Недостатками устройства является: жесткое соединение магнитной стрелки с диском, которое увеличивает их массу и, соответственно, увеличивает инерционность стрелки к магнитному полю; жесткое скрепление флюгера с камерой, что так же снижает чувствительность к потоку подземной воды за счет общей массы камеры и флюгера. Таким образом, требуется больше времени для установки равновесного состояния флюгера с потоком подземной воды, и магнитной стрелки с магнитным полем Земли.
Получение информации о направлении потока подземных вод достигается с большими погрешностями за счет повышенной инерционности датчиков направления потока и положения магнитного севера, чувствительность измерения соответственно снижена.
Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является устройство [Патент РФ №2488834 на изобретение, МПК G01P 5/00, опубликовано 27.07.2013], содержащее датчик направления и скорости потока, выполненный в виде грузика, подвешенного в потоке на гибкой нити, свободную магнитную стрелку в прозрачном цилиндрическом контейнере и блок регистрации положения грузика и магнитной стрелки, выполненный в виде скважинного фотоаппарата и осветителя. Контейнер с магнитной стрелкой размещен между осветителем и датчиком направления и скорости потока, а на верхней поверхности контейнера нанесены концентрические окружности равномерно увеличивающегося радиуса. Устройство позволяет одновременно измерять направление и скорости потока подземных вод по водоносным горизонтам, вскрытым одиночной скважиной.
Существенными признаками, совпадающими с заявляемой полезной моделью являются: конструкция корпуса, включающая в себя две герметичные камеры; датчик направления потока, установленный в открытом пространстве между камерами; датчик положения магнитного севера, выполненный в виде магнитной стрелки и установленный в нижней герметичной камере; регистрирующее устройство, расположенное в верхней герметичной камере.
Недостатком устройства является: использование фотографического устройства, не позволяющее выявлять особенности потока подземных вод в малых интервалах времени (зависит от быстродействия фотоаппаратуры); Для более точной фиксации положения датчика необходимо повышение скорости фотосъемки; фотографическое устройство необходимо заряжать фотопленкой, соответственно, количество точечных замеров ограничивается; информацию о направлении потока подземных вод получаем не сразу, а только после проявки пленки на поверхности; применение маятникового устройства в качестве датчика скорости и направления потока, выполненного в виде грузика на гибкой нити, достаточно сложно с помощью фотокамеры точно определять направление в потоке подземных вод с неравномерным движением, так как за счет силы гравитации и переменного воздействия силы давления струй жидкости на шарик происходит раскачивание шарика, соответственно, в разные моменты времени шарик отклоняется по-разному; зависимость точности показаний от положение корпуса прибора, при увеличении угла возрастает погрешность измерения скорости и направления потока подземных вод, кроме того магнитная стрелка, закрепленная на неподвижной оси относительно корпуса, при отклонении корпуса от вертикали может заклинивать, поэтому измерение таким устройством можно проводить при условиях строго вертикального расположения корпуса прибора по нормали к горизонту, и при равномерных потоках подземных вод.
Техническим результатом заявляемого устройства является получение визуальной информации о направлении потока подземных вод по пласту, вскрытому скважиной, в режиме реального времени.
Технический результат достигается применением видеоаппаратуры, установленной в верхней герметичной камере над датчиком направления потока подземных вод (флюгером) и датчиком направления магнитного севера (магнитной стрелкой компаса), где в качестве датчика направления магнитного севера использован компас, закрепленный на карданном подвесе, в качестве датчика направления потока использован флюгер, закрепленный на подвижной оси между герметичными камерами, а в качестве регистрирующего устройства использована видеокамера.
Заявляемое устройство представляет собой цилиндрический прибор, состоящий из двух герметичных камер из немагнитного материала, соединенных между собой на некотором расстоянии, образуя между торцами пространство, через которое свободно протекает подземная вода. Между камерами помещен флюгер, закрепленный на вертикальной вращающейся оси, соосной основной оси прибора. В нижней камере расположен компас, установленный на карданном подвесе, с прикрепленным к компасу отвесом, необходимому для удерживания плоскости вращения стрелки в горизонтальном положении, перпендикулярно вектору силы тяжести. В верхней герметичной камере из немагнитного материала располагается видеокамера, направленная вертикально вдоль оси прибора в сторону нижней камеры. Торцы верхней и нижней камер оснащены окошками из прочного прозрачного материала (оргстекла), через которые осуществляется оптическая связь во время видеосъемки положения стрелки компаса и флюгера. Внутри нижней камеры располагается светодиодный источник света для освещения циферблата компаса. На фоне освещенного компаса определяется положение тени, отбрасываемой флюгером в сторону видеокамеры. На верхней и нижней цилиндрических герметичных камерах закреплены резиновые центраторы.
Устройство такой конструкции позволяет вести постоянное и длительное видеонаблюдение за положением флюгера относительно магнитного азимута, дает возможность в реальном времени визуально оценивать характер перемещения подземных вод по пласту, вскрытому скважиной. Чувствительность устройства увеличивается за счет снижения инерционности, благодаря свободному вращению флюгера независимо от корпуса и отсутствия скрепленных частей с магнитной стрелкой.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности.
На поверхности проверяется связь компьютера с видеокамерой устройства через каротажный кабель и работоспособности видеокамеры. Питание камеры может осуществляться, как автономно (от батареи, установленной внутри устройства), так и через свободные жилы кабеля от наземного блока питания. Проверяется фокус видеокамеры, который должен быть настроен на табло компаса. Корректировка фокуса должна производиться с погружением межкамерного отсека в воду. Устройство соединяется с каротажным кабелем с помощью герметичного соединения (геофизической головки) и спускается с помощью лебедки на исследуемую глубину, где расположен водоносный горизонт. Включается запись видеосигнала. Изображение магнитной стрелки и флюгера с видеокамеры передается на поверхность по кабелю и поступает на компьютер, где с помощью программы обработки видеоизображения ведется непосредственное наблюдение и запись. Глубина контролируется по датчику глубин каротажной станции, а время фиксируется по системным часам компьютера.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлен общий вид заявленного устройства; на фиг. 2 - разрез по Α-A на фиг. 1.
В представленном на чертеже устройстве элементы обозначены следующими цифровыми позициями: верхняя цилиндрическая герметичная камера 1, с установленной в ней видеокамерой 2 и автономным источником питания 11; нижняя цилиндрическая герметичная камера 4, с закрепленным компасом 5 с отвесом 7 на карданном подвесе 6 и светодиодным источником света 8; флюгер 3, установленный между верхней и нижней цилиндрическими герметичными камерами 1 и 4 на подвижной оси 15; жесткие стержни 9 из немагнитного материала малого диаметра; окошки 10 из прозрачного и прочного материала; резиновые центраторы 12, закрепленные на верхней и нижней камерах устройства; геофизическая головка 13; каротажный кабель 14.
Принцип работы следующий. Устройство соединяется с каротажным кабелем 14 с помощью геофизической головки 13 и спускается на кабеле 14 в скважину на глубину с водоносным горизонтом (фиг. 1). Корпус прибора устанавливается напротив пласта с наличием потока подземных вод вдоль пласта. Резиновыми центраторами 12 прибор центрируется в стволе скважины, то есть корпус прибора располагается примерно на одинаковом расстоянии от стенок скважины. Между верхней и нижней цилиндрическими герметичными камерами 1 и 4 попадает поток жидкости, который поворачивает флюгер 3 по направлению потока, за счет смещенного центра масс флюгера 3 относительно подвижной оси вращения 15. Благодаря малому диаметру соединительных стержней 9 создается минимальное сопротивление потоку пластовой воды. Магнитная стрелка компаса 5 под воздействием естественного магнитного поля Земли, поворачивается северным концом на магнитный север. Светодиодным источником света 8 подсвечивается табло компаса 5. Между северным концом магнитной стрелки компаса 5 и положением флюгера 3 образуется угол а, определяющий азимут направления потока (фиг. 2). Установленная в верхней цилиндрической герметичной камере 1 видеокамера 2 снимает видеоизображение положения флюгера 3 и магнитной стрелки компаса 5, которое передается по каротажному кабелю 14 на поверхность для регистрации на компьютере (на чертеже не показан). Для наблюдения за положением стрелки компаса 5 и флюгером 3 установлена оптическая связь с помощью прозрачных окошек 10. Светодиодный источник света 8 применяется для минимального воздействия на магнитную стрелку компаса 5 электромагнитным полем. В случае расположения источника света 8 рядом с видеокамерой 2, направленного на флюгер 3, может ухудшиться видимость за счет появления бликов, возникающих на поверхностях окошек камер 1 и 4. Расположение источника света 8 внутри нижней камеры 4 устраняет этот недостаток. Для запитывания видеокамеры 2 и светодиодного источника света 8 может использоваться один из каналов связи 3-жильного каротажного кабеля 14, либо автономный источник питания 11 при использовании 1 - жильного каротажного кабеля.