Устройство для определения направления и скорости потока подземных вод

Авторы патента:

Сковородников Игорь Григорьевич (RU)

G01P5 - Измерение скорости текучих сред, например воздушных потоков; измерение скорости твердых тел, например судов, самолетов и т.п., относительно текучей среды (применение измерителей скорости для измерения объема текучих сред G01F)

Владельцы патента RU 2488834:

Министерство образования и науки РФ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный горный университет" (RU)

Устройство относится к технике гидрогеологических исследований в буровых скважинах. Устройство содержит 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 датчика направления и скорости потока и магнитной стрелки, выполненный в виде скважинного фотоаппарата и осветителя. При этом контейнер с магнитной стрелкой размещен между осветителем и датчиком направления и скорости потока, а на верхней поверхности контейнера нанесены концентрические окружности равномерно увеличивающегося радиуса. Технический результат - одновременное измерение направления и скорости потока подземных вод по водоносным горизонтам, вскрытым одиночной буровой скважиной. 3 ил.

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

$m = V \cdot б_{ш} = \frac{4}{3} π s^{3} б_{ш}$

(V - объем шарика, s - его радиус, б_ш - плотность материала, из которого состоит шарик).

Часть веса шарика в жидкости компенсируется выталкивающей (архимедовой) силой

$F_{А} = V \cdot б_{ж} \cdot g = \frac{4}{3} π s^{3} б_{ж} \cdot g,$

б_ж - плотность жидкости (воды).

Набегающий поток воды давит на шарик с силой F_Т, направленной горизонтально и равной $F_{Т} = C \cdot \frac{б_{ж}}{2} \cdot V^{2} \cdot S$ , V - скорость потока, S - поперечное сечение тела, помещенного в поток (для нашего шарика S=πs²), С - так называемый коэффициент лобового сопротивления, для шара С=0,48.

Под действием силы F_Т шарик отклоняется в сторону по направлению патока до тех пор, пока эта сила не уравновесится составляющей F_СК разностной силы F=Р-F_А, направленной в противоположную сторону по касательной к окружности радиуса R. При этом нить, на которой подвешен шарик, отклоняется от вертикали на угол β.

Другая составляющая силы F перпендикулярна F_СК - это сила натяжения нити F_Н.

В момент равновесия проекции сил на горизонтальную ось х направленные в противоположные стороны должны быть равными:

F_Т=F_СК·Cosβ;

$C \cdot \frac{б_{ж}}{2} \cdot V^{2} \cdot S = (P - F_{А}) \cdot S i n β \cdot C o s β$ ;

$C \cdot \frac{б_{ж}}{2} \cdot V^{2} \cdot π \cdot r^{2} = (\frac{4}{3} π \cdot r^{3} \cdot б_{ж} \cdot g - \frac{4}{3} π \cdot r^{3} \cdot б_{ж} g) S i n β \cdot C o s β;$

$C \cdot \frac{б_{ж}}{2} \cdot V^{2} \cdot π \cdot r^{2} = \frac{4}{3} π \cdot r^{3} g (б_{ш} - б_{ж}) \cdot S i n β \cdot C o s β$ , откуда

$V^{2} = \frac{8 r g}{3 C} (\frac{б_{ш}}{б_{ж}} - 1) \cdot S i n β \cdot C o s β и$

$V = \sqrt{\frac{8 r g}{3 C} (\frac{б_{ш}}{б_{ж}} - 1) \cdot S i n β \cdot C o s β}$

Учитывая, что, как следует из фиг.3,

$C o s β = \frac{ℓ}{R}$ , а $S i n β = \frac{\sqrt{R^{2} - ℓ^{2}}}{R}$ , получаем;

$V = \frac{1}{R} \sqrt{\frac{8 \cdot r \cdot g}{3 \cdot C} \cdot (\frac{б_{ш}}{б_{ж}} - 1) \cdot ℓ \cdot \sqrt{R^{2} - ℓ^{2}}}$ .

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.

Устройство для определения направления и скорости потока подземных вод, содержащее датчик направления и скорости потока, выполненный в виде грузика, подвешенного на гибкой нити, свободную магнитную стрелку в прозрачном цилиндрическом контейнере и блок регистрации положения магнитной стрелки и датчика направления и скорости потока, выполненный в виде скважинного фотоаппарата и осветителя, отличающееся тем, что контейнер с магнитной стрелкой размещен между осветителем и датчиком направления и скорости потока, а на верхней поверхности контейнера нанесены концентрические окружности равномерно увеличивающегося радиуса.

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано при разработке навигационного оборудования летательных аппаратов. .

Способ определения дебитов и плотности пластового флюида нефтяных пластов и слоев пониженной, низкой и ультранизкой продуктивности // 2484246

Изобретение относится к буровой технике, а именно к способам определения дебитов и плотности пластового флюида нефтяных пластов и слоев пониженной, низкой и ультранизкой продуктивности, объединенных в общий эксплуатационный объект скважины.

Система измерения высотно-скоростных параметров летательного аппарата // 2477862

Изобретение относится к области авиационного приборостроения и может быть использовано для получения информации о высотно-скоростных параметрах полета ЛA. .

Способ определения вертикального профиля ветра в атмосфере // 2477490

Изобретение относится к дистанционным измерениям вертикального профиля ветра в атмосфере. .

Способ измерения характеристик взволнованной водной поверхности // 2466425

Изобретение относится к методам определения параметров волнения водной поверхности и может быть использовано в метеорологии и океанологии для мониторинга состояния приповерхностного слоя Мирового океана.

Способ лазерного дистанционного оперативного определения скорости и направления ветра // 2465607

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в прикладной метеорологии для оперативного дистанционного измерения скорости и направления ветра.

Адаптивный способ оперативного дистанционного измерения скорости и направления ветра // 2465606

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прикладной метеорологии для оперативного дистанционного измерения скорости и направления ветра.

Устройство и способ измерения скорости и направления течения газообразной текучей среды // 2464579

Изобретение относится к устройству и способу измерения скорости, направления и ориентации течения газообразной текучей среды, такой, например, как воздух. .

Способ измерения поля скоростей // 2451939

Изобретение относится к дистанционным измерениям векторного поля скоростей и может быть использовано для измерения поля скоростей в жидкостях и газах. .

Устройство многоточечного зондирования потока воды в водопроводах большого диаметра // 2451873

Изобретение относится к измерительной технике и прикладной метрологии. .

Способ контактного измерения профилей скорости ветра и течений в зоне волнения // 2488835

Ультразвуковое измерительное устройство и способ ультразвукового измерения скорости потока // 2488836

Измеритель скорости для судов ледового плавания // 2489721

Изобретение относится к судовым средствам измерения скорости, основанным на излучении электромагнитных волн и приеме отраженных волн от подстилающей поверхности (вода, суша, лед), преимущественно для судов ледового плавания

Устройство и способ управления соотношением топлива и воздуха при сжигании молотого угля в топочной установке угольной электростанции // 2490546

Изобретение относится к области энергетики

Система воздушных сигналов // 2493570

Изобретение касается совершенствования систем воздушных сигналов (СВС) и может быть использовано в авиации, ракетной и космической технике при измерении воздушных параметров летательных аппаратов. Система воздушных сигналов содержит приемники и датчики полного и статического давления и температуры торможения, а также восемнадцать преобразователей параметров. При этом на выходах второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого и восьмого преобразователей формируются соответственно число М, температура невозмущенного потока, приборная скорость, истинная воздушная скорость, барометрическая высота, плотность и скоростной напор, а на выходах тринадцатого, четырнадцатого, пятнадцатого, шестнадцатого, семнадцатого, восемнадцатого и двенадцатого преобразователей формируются соответственно число М, барометрическая высота, плотность, истинная воздушная скорость, приборная скорость, скоростной напор и температура невозмущенного потока. Первый и четвертый преобразователи подключены к датчику полного и статического давления, третий преобразователь подключен к датчику температуры торможения, девятый и семнадцатый преобразователи подключены к датчику полного давления, одиннадцатый преобразователь - к датчику температуры торможения. Технический результат изобретения - повышение точности измерения, а также расширение диапазона измеряемых высот и скоростей полета. 3 ил.

Расходомер жидких и газовых сред в напорных трубопроводах // 2496113

Изобретение относится к измерительной технике по ультразвуковым расходомерам, а именно к способам и устройствам измерения расхода объема и массы жидких и газовых сред в напорных трубопроводах круглого сечения. Устройство содержит ультразвуковой реохорд для трансформации электрических импульсов в ультразвуковые импульсы, а также для приема ответных ультразвуковых сигналов и трансформации их в электрические сигналы. Реохорд выполнен в форме двустенного «обода» с геометрией, аналогичной «велосипедному колесу». «Обод» закрепляется на поверхности трубопровода по типу кольца. Реохорд состоит из системы пьезоэлектрических пластин, размещенных по всему периметру трубы в виде пояса. Вся система пьезоэлементов одновременно посылает ультразвуковые импульсы в трубу и получает ответные ультразвуковые сигналы, которые трансформируются в реохорде в электрические сигналы. Обработка этих сигналов в электронном блоке дает информацию о точности и скорости течения среды в трубопроводе. Технический результат - повышение точности измерений скорости потока жидких и газообразных сред в напорных трубопроводах, упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Скважинный датчик // 2498061

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для измерения параметров потока флюида (нефть, вода, газ и их смеси), таких как температура, скорость и фазовый состав, и может быть использовано при проведении геофизических исследований скважин, а также при контроле за транспортировкой жидких углеводородов по трубопроводной системе. Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является расширение функциональных возможностей датчика и повышение эффективности измерений. Скважинный датчик, предназначенный для измерения параметров потока флюида, содержит два идентичных полых открытых с одного конца металлических корпуса, оси симметрии которых находится на одной линии. Открытые концы корпусов обращены друг к другу и жестко закреплены в электрическом изоляторе. В каждом корпусе расположен датчик термоанемометра. Электрические выводы датчиков проходят внутри полостей корпусов и через электрический изолятор выведены наружу. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений и устройство для его реализации // 2498319

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать потоки жидкости и газа. Изобретение основано на совместном использовании ЛДА и PIV. Устройство включает импульсный лазер с энергией импульса не менее 120 мДж, частотой срабатывания не менее 16 Гц, две CCD камеры с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, расположенные под углом 30÷120° друг к другу и под углом 15÷60° к оси канала за ротором, оптические призмы, процессор обработки изображений, лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер. Способ включает проведение измерений с помощью ЛДА в двух и более точках нестационарного вихревого потока за ротором ветро- или гидроагрегата для определения временного интервала, освещение потока лазерным ножом, фиксирование изображений засеянных частиц двумя CCD камерами и запись через заданный временной интервал, статистическое осреднение мгновенных полей скорости для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры Т выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, T, 2Т, … и (m-1)T, где m - число измерений мгновенных полей скорости для статистического осреднения. Технический результат - существенное уменьшение случайной ошибки измерения и практически полное устранение систематической ошибки, связанной с нестационарными изменениями структуры потока. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Электромагнитный лаг-дрейфомер // 2503014

Изобретение относится к области средств измерения скорости перемещения твердых тел относительно жидких сред и может быть использовано в навигационном приборостроении, а именно - при конструировании и изготовлении индукционных лагов судов. Электромагнитный лаг-дрейфомер содержит клинкет, в котором размещен датчик скорости, выполненный с возможностью поворота относительно оси клинкета, проходящей через плоскость симметрии датчика, на датчике установлены излучатель электромагнитного поля, а также два боковых относительно направления осевой линии судна электрода, и один электрод управления в передней части датчика, боковые электроды подключены к входам первичного преобразователя скорости, выход которого подключен к центральному прибору, управляющий электрод попарно соединен с двумя боковыми электродами через блок сравнения и управления, соединенный с синхронно-следящим приводом, при этом лаг-дрейфомер дополнительно содержит датчик угловых скоростей, к выходу которого подключен блок радиуса циркуляции, при этом все указанные приборы подключены к источнику питания. Технический результат изобретения - расширение номенклатуры навигационных приборов. 1 ил.

Автономное устройство для регистрации скорости и направления течения жидкости и газа // 2503962

Устройство предназначено для определения скорости и направления течения жидкости и газа и может быть использовано как для проводящих, так и для непроводящих сред. Устройство состоит из измерительно-регистрационного блока и узла подвеса, закрепленного на жестком носителе и обеспечивающего вращение измерительно-регистрационного блока вокруг двух ортогональных осей. Измерительно-регистрационный блок уравновешен относительно горизонтальной оси узла подвеса по собственному весу и плавучести и состоит из снабженного винтовыми лопастями аппаратурного блока и рамки с направляющими лопастями. Аппаратурный блок установлен в рамке с возможностью вращения вокруг своей продольной оси и включает датчики ориентации в виде двухосевого датчика отклонения от вертикали и трехосевого электронного компаса, цифровую систему обработки сигналов и автономный источник электропитания. Технический результат - упрощение устройства и повышение его надежности без потери качества измерений, расширение области его применения, уменьшение габаритов, веса и повышение удобства эксплуатации. 1 ил.