УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА ГОРНОЙ ПОРОДЫ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ

Полезная модель относится к области исследования скважин в процессе бурения и предназначена для оперативного определения минерального состава керна и шлама на устье скважины.
Известно устройство для оперативного анализа геологических объектов, которое позволяет выполнять определение минерального состава горных пород в процессе бурения скважин, включающее оптико-механический блок с измерительным каналом, обеспечивающий прием, преобразование и передачу на вход приемника инфракрасного излучения (ИК) оптической информации, электронный блок, выделяющий с выхода приемника инфракрасного излучения электрический сигнал, пропорциональный величине информативного параметра, а также канал сравнения для компенсации погрешности, обусловленной температурной и временной нестабильностями параметров оптико-электронных элементов (см. Мелик-Шахназаров А.М. и др. Оптико-электронные ИИС оперативного ИК анализа геологических объектов. - В журнале: Приборы и системы управления. 1986, №8).
Указанное устройство ограничено числом измерительных каналов в системе, так как используемые приемники ИК излучения имеют ограниченный частотный диапазон. Увеличение числа каналов приводит к усложнению оптико-механического и электронного блоков системы, что сужает возможности применения систем данного типа.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения состава горной породы в процессе бурения скважины, содержащее оптический блок, измерительный канал с кюветой пробы анализируемой горной породы, канал сравнения с кюветой сравнения, систему сферических зеркал, оптически связанных с набором светофильтров и источником ИК излучения, измерительно-преобразовательный блок и блок индикации (RU 249687, 2001).
В указанном устройстве в оптический блок с источником инфракрасного излучения дополнительно введены блок адаптации эталонных проб смесей горной породы с подключенным к его выходу приводом установки проб смесей и блок адаптации оптической фильтрации горной породы с подключенным к его выходу приводом установки светофильтров. Канал сравнения содержит “N” эталонных проб смесей горных пород с разными значениями концентраций минералов. Измерительно-преобразовательный блок включает блок управления и приемник инфракрасного излучения, подключенный к блоку усиления, выполненному в виде последовательно соединенных предусилителя и усилителя с автоматической регулировкой усиления, а выход блока усиления соединен с блоком синхронизации сигналов, выполненным в виде детекторов измерительного канала и канала сравнения, выходы которых подключены к блоку определения оптической плотности, подключенному к аналого-цифровому преобразователю. Выход детектора измерительного канала подключен к управляющему входу усилителя с автоматической регулировкой усиления, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу микропроцессорного контроллера, информационный выход которого подключен к блоку индикации, а управляющий выход - ко входам блоков адаптации эталонных проб смесей горной породы и оптической фильтрации горной породы.
К недостаткам известного устройства следует отнести использование в устройстве оптических фильтров, что снижает оптическую мощность излучения и, соответственно, уменьшает порог чувствительности измерительного прибора.
Применение канала сравнения, включающего ”N” эталонных проб смесей горных пород с разными значениями концентраций минералов не только усложняет оптическую часть устройства, в которой устанавливается сложная система зеркал, но и усложняет общую схемотехнику и увеличивает габариты, т.к. в устройстве постоянно должны находиться различные эталонные пробы.
Погрешность в измерения вносит относительно высокая вероятность ошибки оператора, который занимался подготовкой эталонных проб. Как канал сравнения, так и система переключения фильтров содержат механическую часть, включающую в себя шаговый электродвигатель, что усложняет устройство и повышает вероятность отказа.
Поскольку источник инфракрасного излучения работает в постоянном режиме работа приемника излучения требует наличия модулятора, прерывающего оптическое излучение источника с определенной частотой. Применение модулятора не только усложняет устройство, но и может являться причиной смещения несущей частоты, что приводит к снижению точности определения.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для определения состава горной породы в процессе бурения скважин, обеспечивающего повышение точности и чувствительности определения концентраций минералов в исследуемой горной породе, а также повышение надежности работы устройства при снижении его габаритов. Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения состава горной породы в процессе бурения скважин содержит оптический блок, включающий «N» источников инфракрасного излучения по числу характеристических полос поглощения инфракрасного излучения исследуемого пласта горной породы, подключенных к оптическому коммутатору источников излучения, рабочую кювету с исследуемым образцом и кювету сравнения, оптически связанные с входным оптическим коммутатором кювет, подключенным к оптическому коммутатору источников излучения, и выходным оптическим коммутатором кювет, и измерительно-преобразовательный блок, включающий «N» приемников инфракрасного излучения по числу источников инфракрасного излучения, соединенные по входу с оптическим коммутатором приемников излучения, а по выходу с аналоговым коммутатором приемников излучения, подсоединенным через усилитель с полосовым фильтром, первый выход которого подключен к первому входу когерентного амплитудного модулятора, а второй к генератору частоты, связанному по выходу с блоком фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к второму входу когерентного амплитудного модулятора, подсоединенному через фильтр низких частот к аналого-цифровому преобразователю, выход которого подсоединен к микропроцессорному контроллеру с флеш-памятью и дисплеем, при этом выходом оптического блока является выходной оптический коммутатор кювет, входом измерительно-преобразовательного блока - оптический коммутатор приемников излучения, а шины управления микропроцессорного контроллера подсоединены к управляющим входам оптических коммутаторов источников излучения, кювет и приемников излучения.
Количество исследуемых характеристических полос поглощения и, соответственно, число источников и приемников излучения «N» выбирается исходя из количества и типов минералов, присущих данному геологическому району. В частности, для горных пород осадочного комплекса, состоящих из 5-6 основных породообразующих минералов достаточно получить значения оптической плотности в образца на примерно 10 участках спектра. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - блок-схема алгоритма работы микропроцессорного контроллера.
Устройство состоит из оптического I и измерительно-преобразовательного II блоков.
В оптический блок входят 1 м источников излучения, оптический коммутатор, предназначенный для переключения между источниками излучения 2, входной оптический коммутатор для переключения между кюветой с образцом и кюветой сравнения 3, кювета с образцом 4, кювета сравнения 5, выходной оптический коммутатор кювет 6.
Измерительно-преобразовательный блок состоит из оптического коммутатора для переключения между приемниками излучения 7, приемников излучения 8 м, аналогового коммутатора 9, усилителя 10, полосового фильтра 11, когерентного амплитудного модулятора 12, генератора частоты 13, блока фазовой автоподстройки частоты 14, фильтра нижних частот 15, аналого-цифрового преобразователя 16, микропроцессорного контроллера 17, дисплея 18 и флеш-памяти 19.
В качестве источников излучения 1 м применяются квантово-каскадные лазеры, излучающие в узком диапазоне длин волн (по одному источнику на каждую характеристическую полосу). Применяемые квантово-каскадные лазеры смонтированы в герметичный корпус со встроенным Пельтье-охладителем и термистором, и работают в диапазоне температур 15-45°C. Частота модуляции, необходимая для регистрации излучения приемниками, задается путем прерывания питания источников излучения с частотой 20 кГц. Кювета для помещения образца анализируемой горной породы 4 выполнена из материала оптически прозрачного на заданных характеристических полосах, с длиной оптического пути 3 мм. В анализаторе, помимо основной кюветы, в которую помещают образец, установлена аналогичная кювета 5, которая используется в качестве кюветы сравнения. Кювета ничем не заполняется. Применение двух кювет позволяет компенсировать поглощение воздуха и материала кювет, а также потери излучения при отражении его на границах различных оптических сред.
Для переключения оптического сигнала между источниками и приемниками излучения, а также кюветами используется быстродействующие оптические коммутаторы 2, 3, 6 и 7. Конструктивно оптический коммутатор состоит из подвижной части, в которую входит общий канал, и неподвижной, в которую входят коммутируемые каналы. Как общий, так и коммутируемые каналы представляют собой одномодовое оптоволокно специального исполнения, предназначенное для передачи излучения в инфракрасном диапазоне. К коммутируемым каналам посредством оптоволокна подключены источники излучения.
N
В качестве приемников излучения 8 применяются фоторезисторы на теллуриде кадмия и ртути исполненные с пиковой чувствительностью в необходимой характеристической полосе. На каждую длину волны излучателя подбирается соответствующий оптимальный приемник, что увеличивает чувствительность. Данные приемники исполнены в закрытом корпусе с интегрированным элементом Пельте для поддержания необходимого температурного режима. Приемники излучения рассчитаны на прием сигнала на частоте модуляции 20 кГц.
Сигнал после излучения подается сначала на аналоговый коммутатор 9, а затем на усилитель 10 для последующего преобразования. Синхронизация аналогового 9 и оптических коммутаторов 2, 3, 6 и 7 обеспечивается подачей одновременной команды на переключение микропроцессорным контроллером 17.
Полосовой фильтр 11 обеспечивает устранение помех, т.к. пропускает только те частоты, на которых работает источник излучения, удаляя при этом все остальные частоты. Отфильтрованный сигнал поступает на когерентный амплитудный детектор 12, в котором происходит синхронное детектирование. Для получения опорного колебания с частотой и фазой несущего колебания используется блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 13. Блок ФАПЧ выделяет несущее колебание из поступившего сигнала и подстраивает под его параметры генератор 14. Фильтр низких частот 15, подключенный к выходу модулятора подавляет высокочастотные и постоянную составляющие и выделяет составляющие модулирующего сигнала.
Демодулированный сигнал оцифровывается в блоке аналого-цифрового преобразователя 16 и поступает непосредственно на вход микропроцессора 17.
В постоянном запоминающем устройстве микропроцессорного контроллера 17 заранее введены градуировочные величины коэффициентов поглощения измеряемых компонентов. После проведения алгоритмической обработки полученной измерительной информации результат исследования выводится на дисплей и записывается в флеш-память.
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
Микропроцессорный контроллер 17 подает команду входному оптическому коммутатору кювет 3 и выходному оптическому коммутатору кювет 6 на переключение в режим измерения кюветы сравнения 4, далее подает синхронную команду на переключение на источник излучения 1 оптическому коммутатору источников излучения 2 и на переключения на приемник излучения 8 оптическому коммутатору приемников излучения 7, а также на переключение входа аналогового коммутатора 9 на приемник излучения 8.
1
1
1
Затем происходит регистрация оптической плотности. Оптический сигнал от источника излучения 1 проходит сквозь кювету сравнения 4, и преобразуется в электрический в приемнике излучения 8. Электрический сигнал после приемника инфракрасного излучения 8 поступает через аналоговый коммутатор 9, далее на усилитель 10, а затем на вход полосового фильтра 11. После устранения помех на полосовом фильтре сигнал подается на синхронный амплитудный детектор 12, где происходит синхронное детектирование с использованием блока фазовой автоподстройки частоты 13 и генератора частоты 14. Затем сигнал поступает на фильтр низких частот 15. Далее сигнал преобразуется в цифровой код в блоке аналого-цифрового преобразователя 16, а затем информация поступает в микропроцессорный контроллер 17.
1
1
2
2
2
После регистрации измерений оптической плотности для кюветы сравнения по источнику излучения 1 и соответствующего ему приемника излучения 8 микропроцессорный контроллер подает синхронную команду на переключение на источник излучения 1 оптическому коммутатору источников излучения 2 и на переключения на приемник излучения 8 оптическому коммутатору приемников излучения 7, а также на переключения входа аналогового коммутатора на приемник излучения 8. Регистрация оптической плотности происходит таким же образом, как и для предыдущей пары источника и приемника излучения. Затем микропроцессорный контроллер 17 подает оптическим коммутаторам источников 2 и приемников излучения 7 и аналоговому коммутатору 9 на переключение в режим измерения оптической плотности по следующей паре источников и приемников излучения. Переключение коммутаторов и регистрация оптической плотности происходит по всем источникам и приемникам излучения N раз.
N
N
После регистрации оптической плотностей по всем парам источников 1 и приемников 8 излучения микропроцессорный контроллер 17 подает команду входному оптическому коммутатору кювет 3 и выходному оптическому коммутатору кювет 6 на переключение в режим измерения кюветы с образцом 5. Затем, также как и для кюветы сравнения, N раз происходит переключение оптических коммутаторов источников 2 и приемников 7 излучения и аналогового коммутатора 9 и регистрация оптических плотностей.
N
Затем микропроцессорное устройство 17 производит обработку полученных значений оптических плотностей путем вычитания значения оптической плотности, полученного для кюветы сравнения для пары источника 1 и приемника 8 м излучения из соответствующей плотности, полученной для кюветы с образцом. Затем в микропроцессорном устройстве 17 происходит вычисление наличия и концентраций минералов путем сравнения с заранее введенными калибровочными значениями.
i
Алгоритм работы микропроцессорного контроллера приведен на фиг. 2. 1 - начало работы программы, 2 - подача команды оптическим коммутаторам, управляющим переключением между оптическими кюветами на установку в режим измерения кюветы сравнения, 3 - цикл измерения оптической плотности с использованием кюветы сравнения по всем измерительным каналам, 4 - подача команды оптическим и аналоговым коммутатором на включение измерительного канала i, 5 - запись значения оптической плотности кюветы сравнения , полученной по каналу 1 в оперативную память, 6 - подача команды оптическим коммутаторам, управляющим переключением между оптическими кюветами на установку в режим измерения кюветы с образцом, 7 - цикл измерения оптической плотности с использованием кюветы с образцом по всем измерительным каналам, 8 - подача команды оптическим и аналоговым коммутатором на включение измерительного канала i, 9 - запись значения оптической плотности кюветы с образцом D, полученной по каналу i в оперативную память, 10 - цикл вычисления оптической плотности образца, учитывающий оптическую плотность, полученную с кюветой сравнения, 11 - вычисление оптической плотности по каналу i, 12 - вычисление концентраций минералов, 13 - вывод минерального состава пробы на дисплей и регистрация этих данных в памяти, 14 - конец.
Таким образом, достигаемый технический результат заключается в обеспечении синхронного взаимодействия заданного числа когерентных источников и приемников инфракрасного излучения, работающих на индивидуальных длинах волн, соответствующих характеристическим полосам поглощения исследуемых образцов горных пород. При этом пороговая чувствительность устройства повышается на 15-25%, а точность на 10-20%.
Предлагаемое устройство наиболее целесообразно использовать для полевого количественного анализа минерального состава пород осадочного комплекса, требующего высокой точности измерения и в условиях малых концентраций исследуемых компонентов в процессе бурении скважин на нефть и газ.