УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ ПОТОКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД
DEVICE FOR DETERMINING DIRECTION AND SPEED OF UNDERGROUND WATER FLOW

Предлагаемое изобретение относится к области гидрогеологических исследований в буровых скважинах и может быть использовано для определения направления потока подземных вод по водоносным горизонтам, пересеченным одиночной буровой скважиной. Оно может быть использовано также 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.
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, гелийнеоновый лазер, и фотоприемник, состоящий из 65536 элементов, которые улавливают световой поток и фиксируют его измерения 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 судии, о его высокой сложности и стоимости.
Известно также предельно простое по конструкции отечественное устройство [2], которое состоит из решетчатого немагнитного корпуса, в котором размещена свободная магнитная стрелка, скрепленная с тонким диском, покрытым слоем материала - сорбента, а над диском установлен контейнер с перфорированными стенками, заполненный воднорастворимым красителем.
К недостаткам этого устройства можно отнести, во-первых, то, что оно. является «одноразовым» - с его помощью можно определить направление потока только в одном интервале скважины, после чего устройство нужно извлекать из скважины на поверхность и заново заполнять контейнер красителем. Во-вторых, результаты измерений с этим устройством позволяют только качественно судить о скорости потока: чем выше скорость, тем уже след красителя на материале - сорбенте.
Ближайшим аналогом (прототипом) предполагаемого изобретения является устройство для определения направления движения подземных вод на базе скважинного фотоаппарата [3].
Это устройство содержит датчик направления потока, выполненный в виде флюгера, свободную магнитную стрелку, размещенную в прозрачном цилиндрическом контейнере и блок регистрации положения флюгера и магнитной стрелки, выполненный в виде скважинного фотоаппарата и осветителя.
Изображение флюгера и магнитной стрелки фиксируются на фотопленке в проходящем свете, источник которого установлен ниже флюгера.
Это устройство позволяет за одну спускоподъемную операции определить направление потока подземных вод в нескольких десятках точек скважины, в различных водоносных горизонтах. Недостатком устройства является то, что оно обеспечивает определение только направления потока и не дает никакой информации о его скорости.
Целью предлагаемого изобретения является расширение технических возможностей устройства за счет одновременного определения и направления и скорости потока подземных вод.
Поставленная цель достигается за счет того, что в устройстве на базе скважинного фотоаппарата датчик направления потока выполнен в виде грузика, подвешенного на гибкой нити между осветителем и объективом фотоаппарата. Грузик может быть выполнен, например, в форме шара.
При измерениях в скважине грузик, подвешенный на гибкой нити отклоняется от вертикали под действием напора движущихся вод. Это отклонение тем больше, чем выше скорость потока. На фотоснимке, как и в устройстве-прототипе, фиксируется изображение магнитной стрелки и проекции шарика и нити на горизонтальную плоскость.
По углу между северным концом магнитной стрелки и направлением отклонения шарика определяется магнитный азимут потока, а по величине отклонения шарика от вертикали рассчитывается скорость потока. Для упрощения отсчета отклонения шарика от вертикали на верхней крышке прозрачного контейнера, в котором размещена свободная магнитная стрелка, нанесены концентрические окружности равномерно увеличивающегося радиуса, а сам контейнер с магнитной стрелкой для улучшения фокусировки снимка размещен непосредственно над осветителем.
Ниже описывается пример конкретного выполнения предложенного устройства на базе скважинного фотоаппарата НОУ-1, разработанного в институте ВНИИГИС (г.Октябрьский, Башкортостан) для фотографирования изнутри стенок буровых скважин [4].
Конструкция устройства поясняется рисунками, на которых изображены: на фиг.1 - продольный разрез устройства; на фиг.2 - вид фотоснимка датчика направления скорости потока; на фиг.3 - показаны силы, действующие на шарик, подвешенный на гибкой нити и помещенный в поток жидкости.
Корпус устройства, имеющий длину 1680 мм состоит из верхней 1 и нижней 2 цилиндрических частей, соединенных между собой шестью узкими перемычками 3. Диаметр корпуса 70 мм. В верхней части располагаются: электрическая, схема 4; электродвигатель 5 для перемотки фотопленки 6; лентопротяжный механизм, включающий в себя ведущую шестеренку 7, приемную 8 и подающую кассету 9, ролики 10; фотообъектив 11.
Верхняя часть корпуса 1 закрыта снизу прозрачным стеклом 12.
В нижней части корпуса 2 установлен осветитель на светодиодах 13, выше которого расположен прозрачный контейнер 14 с магнитной стрелкой 15, которая может свободно проворачиваться вокруг вертикальной оси на игольчатых упорах 16. Нижний торец 17 контейнера 14 выполнен матовым, верхний 18 - прозрачным и на его поверхности нанесены концентрические окружности 19 равномерно увеличивающего (через 5 мм), которые служат для измерения отклонения датчика направления скорости потока от вертикали. Корпус контейнера заполнен прозрачной жидкостью (например, спиртом или глицерином) для устойчивости контейнера против внешнего давления. На северном конце магнитной стрелки 15 высверлено небольшое отверстие 20, благодаря которому на фотоснимке можно отличить северный конец магнитной стрелки 15 от южного.
Сам датчик направления и скорости потока расположен между верхней 1 и нижней 2 частями корпуса. Он состоит из гибкой нити.21 (длиной 100 мм) и подвешенною на ее конце латунного шарика 22. Радиус шарика 5 мм. Нижняя часть корпуса 2 и нижняя половина верхней части 1, а также соединяющие их перемычки 3 выполнены из немагнитного металла или сплава (например, латуни).
Устройство опускается в скважину на трехжильном кабеле 23. Масса устройства - 7,2 кг. Наземный измерительный пульт устройства не отличается от измерительного пульта НОУ-1.
После спуска в скважину устройство устанавливают напротив исследуемого водоносного горизонта. Дают выдержку порядка 8 мин. для успокоения маятниковых колебаний шарика. Набегающий на шарик поток воды отклоняет гибкую нить от вертикали, причем тем дальше, чем больше скорость потока. По окончании выдержки включают питание осветителя и производят снимок положения шарика и магнитной стрелки на фотопленку. Общий вид снимка приведен на фиг.2.
Осветитель выключают и перематывают фотопленку. Устройство готово для следующего измерения.
По изображению на снимке определяют магнитный азимут, потока как угол (между северным концом магнитной стрелки и направлением смещения шарика (фиг.2), а затем рассчитывают скорость потока.
Силы, действующие в потоке на подвешенный шарик, показаны на фиг.3. При выводе формулы для расчета скорости потока обозначим длину гибкой нити, на которой подвешен шарик, - R, радиус шарика - s горизонтальное смещение шарика от вертикали - ℓ, угол отклонения от вертикали нити подвеса - β.
При помещении датчика в поток на него действуют: вертикально вниз сила веса шарика Р=mg, где m - масса шарика, g - ускорение свободного падения
<mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mi>V</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>б</mi><mi>ш</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>π</mi><msup><mi>s</mi><mn>3</mn></msup><msub><mi>б</mi><mi>ш</mi></msub></mrow>
ш
(V - объем шарика, s - его радиус, б - плотность материала, из которого состоит шарик).
Часть веса шарика в жидкости компенсируется выталкивающей (архимедовой) силой
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>А</mi></msub><mo>=</mo><mi>V</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>π</mi><msup><mi>s</mi><mn>3</mn></msup><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>,</mo></mrow>
ж
б - плотность жидкости (воды).
Т
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>Т</mi></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>S</mi></mrow>
2
Набегающий поток воды давит на шарик с силой F, направленной горизонтально и равной
, V - скорость потока, S - поперечное сечение тела, помещенного в поток (для нашего шарика S=πs), С - так называемый коэффициент лобового сопротивления, для шара С=0,48.
Т
СК
А
Под действием силы F шарик отклоняется в сторону по направлению патока до тех пор, пока эта сила не уравновесится составляющей F разностной силы F=Р-F, направленной в противоположную сторону по касательной к окружности радиуса R. При этом нить, на которой подвешен шарик, отклоняется от вертикали на угол β.
СК
Н
Другая составляющая силы F перпендикулярна F - это сила натяжения нити F.
В момент равновесия проекции сил на горизонтальную ось х направленные в противоположные стороны должны быть равными:
Т
СК
F=F·Cosβ;
<mrow><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>P</mi><mo>−</mo><msub><mi>F</mi><mi>А</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>β</mi></mrow>
;
<mrow><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>g</mi><mo>−</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub><mi>g</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>β</mi><mo>;</mo></mrow>
<mrow><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><menclose notation="updiagonalstrike"><mi>π</mi></menclose><mo>⋅</mo><msup><menclose notation="updiagonalstrike"><mi>r</mi></menclose><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><menclose notation="updiagonalstrike"><mi>π</mi></menclose><mo>⋅</mo><msup><mi>r</mi><menclose notation="updiagonalstrike"><mn>3</mn></menclose></msup><mi>g</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>б</mi><mi>ш</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>β</mi></mrow>
, откуда
<mrow><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8</mn><mi>r</mi><mi>g</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ш</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>β</mi><mtext> и</mtext></mrow>
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>8</mn><mi>r</mi><mi>g</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ш</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi><mo>⋅</mo><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>β</mi></mrow></msqrt></mrow>
Учитывая, что, как следует из фиг.3,
<mrow><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>s</mi><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>ℓ</mi><mi>R</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>ℓ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mi>R</mi></mfrac></mrow>
, а
, получаем;
<mrow><mi>V</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>R</mi></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>8</mn><mo>⋅</mo><mi>r</mi><mo>⋅</mo><mi>g</mi></mrow><mrow><mn>3</mn><mo>⋅</mo><mi>C</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ш</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>б</mi><mi>ж</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mi>ℓ</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>ℓ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></msqrt></mrow>
.
По этой формуле можно рассчитать V для разных значений ℓ и свести их в таблицу, что значительно упростит определение скорости потока.
Диапазон измерения устройства можно изменять посредством замены одного шарика другим, имеющим такой же объем, но иную плотность.
Литература
1. Пат. США №49630Т9, МКИ G01P 3/30. Groudwater azimuth detection / Foster L.J. (U.S) - заявл. 28.07.85, №386895, опубл. 16.10.90.
2. Пат. РФ №1484120, МКИ G01P 5/04. Устройство для определения направления потока ненапорных подземных вод. / Сковородников И.Г., Сковородников П.И. - заявл. 05.11.86, ДСП.
3. Сковородников И.Г. Устройство для определения направления движения подземных вод на базе скважинного фотоаппарата. - Геофиз. аппаратура, 1989, вып.91, с.134-137.
4. Мишин С.М., Родионова В.Н., Сидоров В.А. и др. Фотоаппарат HOY-1 для исследования гидрогеологических скважин - Разведка и охрана недр, 1980, №8, с.53-55.