Скважинный инклинометрический зонд и скважинная инклинометрическая система для определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива с его использованием
Владельцы патента RU 2558556:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Предложенная группа изобретений относится к измерительной технике, в частности к технике создания скважинных инклинометрических систем, и может быть использована в горном деле для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива. Техническим результатом является повышение точности измерения угла наклона субгоризонтальной скважины относительно горизонтальной плоскости и повышение точности определения местоположения зон локализации деформаций (критических зон). Предложен скважинный инклинометрический зонд, содержащий цилиндрический корпус со средствами измерения угла наклона субгоризонтальной скважины, помещенный в обсадной трубе для установки в указанной скважине с возможностью перемещения вдоль продольной ее оси. При этом средства измерения угла наклона субгоризонтальной скважины реализованы размещенными перпендикулярно друг другу измерительным датчиком угла наклона указанной скважины относительно горизонтальной плоскости, установленным в плоскости продольной оси корпуса, и датчиком контроля положения упомянутого измерительного датчика в вертикальной плоскости путем поворота зонда досылочными элементами корпуса. Указанные датчики связаны со входами блока согласования, соединенного с выходом указанного зонда. С внешней стороны корпус имеет по меньшей мере две опоры, закрепленные в нижней части корпуса на его концах, а в верхней части - по меньшей мере два подпружинивающих элемента для постоянного контакта опор в нижней части корпуса с внутренней поверхностью обсадной трубы. Предложена также система для определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива, включающая последовательно соединенные упомянутый зонд, электронный блок, выполненный на основе аналого-цифрового преобразователя с блоком питания, интерфейсную подсистему с прикладным программным обеспечением сбора и хранения информации. При этом электронный блок снабжен соединенным с аналого-цифровым преобразователем и блоком питания модулем передачи данных в цифровой форме в режиме реального времени в указанную интерфейсную подсистему, которая реализована в виде персонального компьютера с общим и прикладным программным обеспечением обработки и преобразования информации, дополнительно включающим блок предварительной обработки сигналов указанных датчиков и блок выбора режимов проведения эксперимента, соединенные со входами блока отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом, выход которого соединен со входом блока представления данных и хранения файлов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Группа изобретений относится к измерительной технике, а именно к технике создания инклинометрических систем, и может быть использована в горном деле для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива.
Известны гироскопические инклинометрические зонды (http://www.gyrodata.com/) для определения пространственного положения скважин, которые имеют большую базу измерения (от 2 до 6 м) при диаметре зонда более 42 мм и обеспечивают наибольшую точность измерений углов. Такие приборы, как правило, используются для определения пространственного положения скважин в трех плоскостях глубиной до нескольких километров. В качестве первичных измерительных датчиков в основном в них используют ферромагнитные, магниторезистивные датчики и твердотельные акселерометры, что не позволяет применять их в шахтных условиях, так как недостатком магнитных навигационных систем является сильная зависимость точности измерения от наличия вблизи магнитометров магнитных масс, например, бурильных труб, обсадных колонн и т.п. Погрешность твердотельных акселерометров зависит от уровня вибраций, что также ограничивает их использование в шахтных условиях.
Известен скважинный инклинометрический зонд компании Sisgeo (Inclinometr sistem http://www..sisgeo.com/), взятый в качестве прототипа, который включает средства измерения угла наклона субгоризонтальной скважины, помещенный в обсадной трубе для установки в указанной скважине с возможностью перемещения вдоль продольной ее оси. Сущность такого устройства заключается в том, что в качестве измерительного датчика угла наклона указанной скважины относительно горизонтальной оси обсадной трубы применен зонд спиральности, данные которого используют для коррекции данных измерений углов наклона соединенных между собой составных частей обсадных труб.
Недостатком такого устройства является необходимость проведения дополнительных измерений с помощью дополнительного оборудования - зонда спиральности, который перемещается по направляющим пазам на внутренней поверхности обсадной трубы. Наличие таких пазов на внутренней поверхности обсадной трубы, в случае деформации последней, приводит к созданию деформационных напряжений, искривлению геометрии пазов под нагрузкой, затруднению перемещения зонда, что приводит к дополнительным ошибкам измерения и, как следствие этого, недостаточной точности при измерении углов наклона контролируемой субгоризонтальной скважины и последующем определении вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива. Из-за недостаточной точности измерения углов наклона контролируемой субгоризонтальной скважины снижается достоверность измерений при определении вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива.
Известны инклинометрические системы RGS-CT и RGS-WB для непрерывной съемки (http://www.gyrodata.com/). Сущность данных систем состоит в том, что в них в качестве измерительных датчиков используют акселерометры и феррозонды, которые позволяют получать значения азимута и угла наклона скважины в любой точке ствола и их пространственную траекторию, которая строится в магнитных координатах. Недостатком этих систем является сильное влияние на их точность наличия вблизи магнитных масс: бурильных труб, обсадных колонн и др. Кроме того, в шахтных условиях для контроля сдвижений закладочного и рудного массива необходимо использовать большое количество коротких (до 100 м) субвертикальных и субгоризонтальных скважин малого (до 42 мм) и среднего (до 76 мм) диаметра. Поэтому данные инклинометрические системы, которые обладают высокой стоимостью, большими габаритами, практически невозможно использовать в шахтных условиях.
Также известна скважинная инклинометрическая система (Inclinometr sistem http://www..sisgeo.com/) для определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива, взятая в качестве прототипа, которая включает скважинный инклинометрический зонд, содержащий средства измерения угла наклона субгоризонтальной скважины, помещенный в обсадной трубе для установки в указанной скважине с возможностью перемещения вдоль продольной ее оси, и электронный блок, выполненный на основе аналого-цифрового преобразователя с блоком питания, интерфейсную подсистему с прикладным программным обеспечением сбора и хранения информации, которые последовательно соединены между собой. Сущность такой системы заключается в том, что в качестве измерительного датчика угла наклона обсадной трубы относительно горизонтальной плоскости применен зонд спиральности, данные которого используют для коррекции данных измерений углов наклона соединенных между собой составных частей обсадных труб. Зонд спиральности перемещается по направляющим пазам на внутренней поверхности обсадной трубы. Наличие таких пазов на внутренней поверхности обсадной трубы, в случае деформации последней, приводит к созданию деформационных напряжений, искривлению геометрии пазов под нагрузкой, затруднению перемещения зонда, что приводит к дополнительным ошибкам измерения и, как следствие этого, недостаточной точности при измерении углов наклона контролируемой субгоризонтальной скважины и последующем определении вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива.
Кроме того, для такой системы необходимо время для выхода в рабочий режим после установки в точку измерения и невозможность получения информации о характере деформационных процессов на месте контроля в режиме реального времени, так как показания с измерительного датчика и зонда спиральности в точке контроля записываются на флэш-носитель и только в камеральных условиях, после обработки информации, появляется возможность интерпретации полученных данных. Как следствие сказанного, снижается эффективность и достоверность определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива.
Решаемая техническая задача заключается в повышении эффективности работы скважинного инклинометрического зонда за счет повышения точности измерения угла наклона контролируемой субгоризонтальной скважины относительно горизонтальной плоскости и в повышении эффективности контроля процесса вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива за счет того, что получение информации в режиме реального времени позволяет оперативно и достоверно обеспечивать оценку проводимого эксперимента непосредственно на месте измерения и в случае обнаружения зон локализации деформаций (критических зон), обеспечить точность определения их местоположения.
Поставленная задача решается тем, что в скважинном инклинометрическом зонде, содержащем цилиндрический корпус со средствами измерения угла наклона субгоризонтальной скважины, помещенный в обсадной трубе для установки в указанной скважине с возможностью перемещения вдоль продольной ее оси, согласно техническому решению средства измерения угла наклона субгоризонтальной скважины реализованы размещенными перпендикулярно друг другу измерительным датчиком угла наклона указанной скважины относительно горизонтальной плоскости, установленным в плоскости продольной оси корпуса, и датчиком контроля положения упомянутого измерительного датчика в вертикальной плоскости путем поворота зонда досылочными элементами корпуса. Указанные датчики связаны со входами блока согласования, соединенного с выходом указанного зонда. С внешней стороны корпус имеет по меньшей мере две опоры, закрепленные в нижней части корпуса на его концах, а в верхней части - по меньшей мере два подпружинивающих элемента для постоянного контакта опор в нижней части корпуса с внутренней поверхностью обсадной трубы.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность работы скважинного инклинометрического зонда за счет повышения точности измерения угла наклона субгоризонтальной скважины относительно горизонтальной плоскости, так как установка измерительного датчика в вертикальное положение и снятие отсчета показаний этого датчика осуществляется одновременно, что исключает возникновение дополнительных инструментальных погрешностей и тем самым повышает точность измерений вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива. При этом по меньшей мере две опоры, закрепленные в нижней части корпуса зонда на его концах, а в верхней части - по меньшей мере два подпружинивающих элемента в момент измерения обеспечивают постоянный контакт зонда с внутренней поверхностью обсадной трубы при подвижке корпуса зонда. Такое техническое решение обеспечивает устойчивое положение скважинного инклинометрического зонда, а значит - обеспечивает повышенную точность в течение всего процесса измерения.
Целесообразно, чтобы обсадная труба имела цилиндрическую форму. Это позволяет обеспечивать равномерную деформацию по всему контуру обсадной трубы и тем самым повышает точность измерений и, в результате, повышает эффективность работы устройства.
Целесообразно, чтобы обсадная труба имела гладкую внутреннюю поверхность по всей ее длине. Такая обсадная труба повышает проходимость зонда и тем самым повышает точность измерений и, следовательно, повышает эффективность работы устройства.
Задача достигается также тем, что в представленной скважинной инклинометрической системе для определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива, включающей последовательно соединенные скважинный инклинометрический зонд, электронный блок, выполненный на основе аналого-цифрового преобразователя с блоком питания, интерфейсную подсистему с прикладным программным обеспечением сбора и хранения информации, согласно техническому решению скважинный инклинометрический зонд в ней выполнен в соответствии с упомянутым скважинным инклинометрическим зондом по пп. 1-3 формулы, электронный блок снабжен соединенным с аналого-цифровым преобразователем и блоком питания модулем передачи данных в цифровой форме в режиме реального времени в указанную интерфейсную подсистему, которая реализована в виде персонального компьютера (ПК) с общим и прикладным программным обеспечением обработки и преобразования информации, дополнительно включающим блок предварительной обработки сигналов указанных датчиков и блок выбора режимов проведения эксперимента, соединенные со входами блока отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом, выход которого соединен со входом блока представления данных и хранения файлов.
Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность контроля процесса вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива за счет повышения оперативности и достоверности оценки полученной информации непосредственно на месте измерения в режиме реального времени, на основе которой принимается решение по управлению экспериментом. Кроме того, указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность работы скважинной инклинометрической системы определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива за счет повышения точности измерения угла наклона субгоризонтальной скважины относительно горизонтальной плоскости скважинным инклинометрическим зондом выбранной конструкции и тем самым повышает точность измерений вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива, что обеспечивает достоверность их оценки.
Сущность технических решений поясняется примерами конструктивного исполнения скважинного инклинометрического зонда и скважинной инклинометрической системы для определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива и чертежами, где на фиг. 1 представлена структурная схема скважинного инклинометрического зонда и скважинной инклинометрической системы определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива; на фиг. 2 - экранная форма ведомости оперативного наблюдения и управления ходом эксперимента.
Структурная схема скважинной инклинометрической системы для определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива (далее - система) состоит (см. фиг. 1) из трех блоков: скважинного инклинометрического зонда 1 (далее - зонд 1), электронного блока 2, интерфейсной подсистемы 3, последовательно связанных между собой. Зонд 1 выполнен в виде герметичного цилиндрического корпуса (поз. не обозначен), внутри которого установлены средства измерения угла наклона субгоризонтальной скважины, которые реализованы размещенными перпендикулярно друг другу измерительным датчиком 4 угла наклона указанной скважины относительно горизонтальной плоскости, установленным в плоскости продольной оси корпуса (далее - датчик 4), и датчиком 5 контроля положения датчика 4 в вертикальной плоскости путем поворота зонда 1 досылочными элементами корпуса для установки последнего в вертикальное положение (далее - датчик 5). С внешней стороны корпус зонда 1 имеет по меньшей мере две опоры 6, закрепленные в нижней части на его концах, а в верхней части - по меньшей мере два подпружинивающих элемента 7 для постоянного контакта опор 6 в нижней части корпуса зонда 1 с внутренней поверхностью обсадной трубы 8, в которую помещен зонд 1. Датчики 4 и 5 связаны со входами блока 9 согласования, соединенного с выходом зонда 1. Выход зонда 1 связан с электронным блоком 2 сигнальным кабелем 10. Электронный блок 2 выполнен на основе аналого-цифрового преобразователя 11 (далее - АЦП 11) с блоком 12 питания и снабжен соединенным с АЦП 11 и блоком 12 питания модулем 13 передачи данных в цифровой форме в режиме реального времени (далее - модуль 13 передачи данных) и соединен с интерфейсной подсистемой 3 посредством соединительного кабеля 14. Интерфейсная подсистема 3 представляет собой автоматизированное рабочее место исследователя и реализована в виде ПК с общим и прикладным программным обеспечением обработки и преобразования информации, дополнительно включающим блок 15 предварительной обработки сигналов датчиков 4 и 5 зонда 1, блок 16 выбора режимов проведения эксперимента, блок 17 отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом и блок 18 представления данных и хранения файлов. При этом блок 15 предварительной обработки сигналов датчиков 4 и 5 зонда 1 и блок 16 выбора режимов проведения эксперимента соединены со входами указанного блока 17, выход которого соединен со входом блока 18 представления данных и хранения файлов.
Зонд 1 и система с его использованием работают следующим образом. Производится включение оборудования и выполняется его прогрев до стабилизации показаний датчиков 4 и 5 зонда 1, который происходит через 30 минут после подачи напряжения. Производится загрузка программного обеспечения интерфейсной подсистемы 3, задаются параметры опыта: скорость передачи данных, порт подключения, период опроса датчиков 4 и 5 зонда 1, вводится информация о наблюдаемой скважине в окне «Код скважины», устанавливается значение длины измерительного интервала, вводится поправочный коэффициент (см. фиг. 2). Непосредственно перед процессом измерения зонд 1 помещают в обсадную трубу 8 и продвигают его вдоль скважины путем наращивания досылочными элементами, прикрепленными к корпусу (на фиг. 1 не показаны), на шаг подвижки. Взаимодействие опор 6 и подпружинивающих элементов 7 с гладкой внутренней поверхностью обсадной трубы 8 обеспечивает устойчивое положение датчика 4 зонда 1 при снятии каждого очередного отсчета, что обеспечивает повышенную точность измерения. Сигналы от датчиков 4 и 5 зонда 1 через блок 9 согласования поступают в электронный блок 2. Блок 9 согласования предназначен для усиления по мощности сигналов от датчиков 4 и 5 зонда 1, так как сигнальный кабель 10 имеет длину до 100 м. Согласованные по мощности сигналы от датчиков 4 и 5 зонда 1 поступают на АЦП 11, после преобразования аналоговых сигналов по запросу от интерфейсной подсистемы 3 в соответствии с протоколом обмена через модуль 13 передачи данных, например RS-485, в цифровом виде по соединительному кабелю 14 поступают в интерфейсную подсистему 3. Далее смещают зонд 1 на шаг подвижки с помощью досылочных элементов корпуса. Перед снятием очередного отсчета, путем поворота досылочными элементами корпуса для увеличения точности измерения угла наклона субгоризонтальной скважины в горизонтальной плоскости, зонд 1 устанавливают таким образом, чтобы датчик 4 занял вертикальное положение, используя показания датчика 5. Через одинаковые измерительные интервалы автоматически снимаются и записываются в файл значения угла наклона субгоризонтальной скважины в горизонтальной плоскости в прямом (от устья к забою скважины), а затем в обратном направлениях. Наблюдения за углами наклона субгоризонтальной скважины осуществляются на экране ПК с помощью интерфейсной подсистемы 3 (см. фиг. 2). Сигналы с датчиков 4 и 5 зонда 1, преобразованные в электронном блоке 2 в цифровую форму с помощью АЦП 11 с блоком питания 12 и модуля 13 передачи данных, поступают в интерфейсную подсистему 3 посредством соединительного кабеля 14. В интерфейсной подсистеме 3 производится предварительная обработка сигналов в блоке 15, фильтрация помех, усреднение результатов для получения устойчивых и достоверных значений углов наклона с датчиков 4 и 5 зонда 1. Блок 16 выбора режимов проведения эксперимента позволяет экспериментатору в интерактивном режиме изменять параметры шага подвижки зонда 1, корректировать опорные (нулевые) положения датчиков 4 и 5 зонда 1. Блок 17 отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом дает возможность в интерактивном режиме ориентировать датчик 4 в вертикальной плоскости перед снятием отсчета, обеспечивать съем показаний датчика 4 в точках измерений, контролировать изменение угла наклона субгоризонтальной скважины в горизонтальной плоскости при перемещении зонда 1 вдоль ее продольной оси и наблюдать профиль скважины в абсолютных и относительных координатах. Блок 18 представления данных и хранения файлов модифицирует поток измерительной информации в файл для хранения и дальнейшей обработки в камеральных условиях.
Результатом натурного эксперимента являются файлы данных эксперимента, в которых содержится информация о скважине, дате и времени проведения эксперимента, направлении движения зонда 1, величине шага подвижки, массиве углов наклона субгоризонтальной скважины относительно горизонтальной плоскости, привязанных к номерам измерительных интервалов. Результаты измерений представляются в табличной и графической форме и выполняются, например, в программе MS Excel.
Предлагаемая система с использованием вышеупомянутого зонда позволяет в режиме реального времени:
1. С достаточной точностью для получения достоверного профиля субгоризонтальной скважины фиксировать измеряемый угол ее наклона относительно горизонтальной плоскости.
2. Вводить характеристики эксперимента.
3. Оперативно наблюдать за изменениями углов наклона и профиля субгоризонтальной скважины численно и на графике.
4. Оперативно управлять процессом эксперимента.
5. Проводить экспресс-анализ и сравнение с ранее полученными результатами инклинометрии контролируемой субгоризонтальной скважины, оперативно обнаруживать резкие изменения ее профиля и тем самым выявлять местоположение зон локализации деформаций (критических зон) горных пород и закладочного массива.
1. Скважинный инклинометрический зонд, содержащий цилиндрический корпус со средствами измерения угла наклона субгоризонтальной скважины, помещенный в обсадной трубе для установки в указанной скважине с возможностью перемещения вдоль продольной ее оси, отличающийся тем, что средства измерения угла наклона субгоризонтальной скважины реализованы размещенными перпендикулярно друг другу измерительным датчиком угла наклона указанной скважины относительно горизонтальной плоскости, установленным в плоскости продольной оси корпуса, и датчиком контроля положения упомянутого измерительного датчика в вертикальной плоскости путем поворота зонда досылочными элементами корпуса, причем указанные датчики связаны с входами блока согласования, соединенного с выходом указанного зонда, при этом с внешней стороны корпус имеет по меньшей мере две опоры, закрепленные в нижней части корпуса на его концах, а в верхней части - по меньшей мере два подпружинивающих элемента для постоянного контакта опор в нижней части корпуса с внутренней поверхностью обсадной трубы.
2. Скважинный инклинометрический зонд по п. 1, отличающийся тем, что обсадная труба имеет цилиндрическую форму.
3. Скважинный инклинометрический зонд по п. 1, отличающийся тем, что обсадная труба имеет гладкую внутреннюю поверхность по всей ее длине.
4. Скважинная инклинометрическая система для определения вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива, включающая последовательно соединенные скважинный инклинометрический зонд, электронный блок, выполненный на основе аналого-цифрового преобразователя с блоком питания, интерфейсную подсистему с прикладным программным обеспечением сбора и хранения информации, отличающаяся тем, что скважинный инклинометрический зонд выполнен в соответствии с пп. 1-3, электронный блок снабжен соединенным с аналого-цифровым преобразователем и блоком питания модулем передачи данных в цифровой форме в режиме реального времени в указанную интерфейсную подсистему, которая реализована в виде персонального компьютера с общим и прикладным программным обеспечением обработки и преобразования информации, дополнительно включающим блок предварительной обработки сигналов указанных датчиков и блок выбора режимов проведения эксперимента, соединенные с входами блока отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом, выход которого соединен с входом блока представления данных и хранения файлов.
