Система видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива

Изобретение относится к системе видеомониторинга околоскважинного пространства. Система видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива включает скважинный видеозонд, электронный блок и интерфейсную подсистему. Электронный блок выполнен на основе преобразователя электрических сигналов с блоком питания и включает модуль передачи и обработки данных, блок питания и блок управления питанием. Электронный блок реализован с возможностью передачи цифровых данных в режиме реального времени в интерфейсную подсистему. Интерфейсная подсистема представлена в виде персонального компьютера с программным обеспечением сбора, хранения, управления и отображения информации. Интерфейсная подсистема дополнительно включает блок предварительной обработки сигналов датчиков и цифровой видеокамеры, блок выбора режимов проведения эксперимента. Выходы блоков обработки сигналов и выбора режимов эксперимента параллельно соединены со входами блока отображения текущей информации и управления экспериментом с функцией создания и отображения виртуальной цифровой 3D-модели поверхности стенок контролируемой скважины. Выход блока отображения текущей информации и управления экспериментом соединён с входом блока представления данных и хранения файлов. Технический результат заключается в возможности определения в режиме реального времени ориентации разрывов горной породы и закладочного массива, профиля контролируемой скважины, зон нарушения поверхности контролируемой скважины. 1 ил.

 

Техническое решение относится к измерительной технике, а именно к технике создания систем видеомониторинга околоскважинного пространства, и предназначено для использования преимущественно для глубинной видеосъёмки, например, при осуществлении оптического визуального мониторинга и автоматизированной инструментальной дефектоскопии состояния поверхности стенок скважин в обводнённой среде и может быть использовано в горном деле для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива.

Известна скважинная система видеомониторинга околоскважинного пространства (https://www.dmt-group.com/products/geo-measuring-systems/dmt-slimboreholescanner.html, компания DMT (Германия), для определения нарушений поверхности стенок скважины, которая включает скважинный цифровой видеозонд, содержащий средства видеоконтроля поверхности стенок контролируемой скважины, электронный блок и интерфейсную подсистему с прикладным программным обеспечением сбора и хранения информации, которые последовательно соединены между собой. Сущность такой системы заключается в том, что в качестве цифрового видеозонда в нём применяют лазерный сканер, который позволяет получать оптическое изображение поверхности стенок контролируемой скважины, применяемое для моделирования и геологического анализа структуры, расслоения, соединений и трещин поверхности стенок контролируемой скважины при оценке напряжённо-деформированного состояния и механических свойств породного и бетонного массивов.

Общими признаками предлагаемого технического решения и аналога являются: система видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива, скважинный видеозонд (в аналоге - в качестве цифрового видеозонда применяют лазерный сканер), соединённый через узел ввода и герметизации с электронным блоком, выполненным на основе преобразователя электрических сигналов с блоком питания, интерфейсная подсистема с системным и прикладным программным обеспечением.

Однако такая конструкция системы не применима в обводнённой среде скважины, так как нарушается зона видимости для лазерного луча. Кроме того, лазерный сканер не может определять наличие инородных включений, в частности, металлической арматуры в железобетонных конструкциях, что очень важно при выборе места установки измерительных устройств при оценке напряжённо-деформированного состояния и механических свойств породного и бетонного массивов и в конечном счёте существенно снижает эффективность работы данного устройства.

Также известен телевизионный комплекс для глубинной видеосъёмки по патенту РФ № 2177676, МПК H04N 7/18, H04N 7/22, H04N 9/00, опубл. 27.12.2001, Бюл.36, взятый в качестве прототипа. Данный телевизионный комплекс для глубинной видеосъёмки скважины включает герметичный выносной блок с видеокамерой, герметичный корпус, который содержит электронный блок, выполненный на основе преобразователя электрических сигналов 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 ней видеозонд перемещается в контролируемой скважине без инструментального контроля его местоположения и ориентации. Наличие гибкой связи с электронным блоком приводит к затруднению перемещения видеозонда, что приводит к дополнительным ошибкам измерения и, как следствие этого, недостаточной точности при контроле и последующем определении нарушений поверхности стенок скважины. 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 видеозонда 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 характера деформационных процессов при оценке напряжённо – деформационного состояния и механических свойств породного и бетонного массивов.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются: система видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива (в прототипе - телевизионный комплекс для глубинной видеосъёмки), скважинный видеозонд (в прототипе - герметичный выносной блок с видеокамерой), соединённые через узел ввода и герметизации с электронным блоком, выполненным на основе преобразователя электрических сигналов с блоком питания, интерфейсная подсистема с системным и прикладным программным обеспечением (в прототипе - информация записывается на флэш-носитель и только в камеральных условиях, после обработки информации появляется возможность интерпретации полученных данных).

Недостатком такой системы является невозможность проведения измерений геометрии и ориентации трещин, что ведёт к снижению точности определения зон деформационных напряжений поверхности стенок контролируемой скважины, то есть приводит к дополнительным ошибкам измерения и, как следствие этого, недостаточной точности при измерении углов наклона контролируемой скважины и последующем определении вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива. Из-за недостаточной точности измерения углов наклона контролируемой скважины снижается достоверность измерений при определении вертикальных сдвижений горных пород и закладочного массива. Как следствие сказанного, снижается эффективность и достоверность определения характера деформационных процессов при оценке напряжённо-деформационного состояния и механических свойств породного и бетонного массивов.

Решаемая техническая проблема заключается в повышении эффективности видеомониторинга околоскважинного пространства за счёт повышения точности определения местоположения зон локализации разрушения поверхности стенок контролируемой скважины (критических зон) и повышении оперативности и достоверности оценки получаемой в режиме реального времени информации непосредственно на месте измерения.

Поставленная техническая проблема достигается тем, что в представленной системе видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива, включающей соединённые через узел ввода и герметизации скважинный видеозонд и электронный блок, выполненный на основе преобразователя электрических сигналов с блоком питания, интерфейсную подсистему с системным и прикладным программным обеспечением, согласно техническому решению электронный блок выполнен в виде модуля передачи и обработки данных в цифровой форме с блоком питания и блоком управления питанием, с возможностью передачи цифровых данных в режиме реального времени в указанную интерфейсную подсистему, которая реализована в виде персонального компьютера (ПК) с общим и прикладным программным обеспечением сбора, хранения, управления и отображения информации и дополнительно включает блок предварительной обработки сигналов датчиков и цифровой видеокамеры, блок выбора режимов проведения эксперимента, выходы которых параллельно, посредством программных логических связей в программе указанной интерфейсной подсистемы, соединены со входами блока отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом, с функцией создания и отображения виртуальной цифровой 3D модели поверхности стенок контролируемой скважины с градуировочной сеткой с заданным интервалом и возможностью совмещения градуировочной сетки с текущим цифровым видеоизображением поверхности стенок контролируемой скважины, выход которого соединён с входом блока представления данных и хранения файлов.

Указанная совокупность признаков позволяет повысить эффективность контроля нарушений поверхности стенок контролируемой скважины за счёт повышения оперативности и достоверности оценки полученной информации непосредственно на месте измерения в режиме реального времени, на основе которой принимается решение по управлению экспериментом. Как следствие сказанного, повышается эффективность и достоверность определения характера деформационных процессов при оценке напряжённо-деформационного состояния и механических свойств породного и бетонного массивов.

Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения системы видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива и чертежом, где представлена структурная схема системы видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива.

Структурная схема системы видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива (далее - система) состоит (см. чертёж) из трех блоков: скважинного видеозонда 1 (далее - видеозонд 1), электронного блока 2, интерфейсной подсистемы 3, электрически связанных между собой. Видеозонд 1 выполнен в виде герметичного цилиндрического корпуса (поз. не обозначен), внутри которого установлены средства видеонаблюдения поверхности стенок контролируемой скважины в виде цифровой видеокамеры 4, соединенной посредством цифровых каналов связи через модуль 5 передачи информации (далее – модуль 5) с датчиком 6 ориентации видеозонда 1 в плоскости поперечного сечения контролируемой скважины (далее - датчик 6), электрически соединённого с датчиком 7 измерения глубины установки видеозонда 1 относительно устья этой скважины и относительно продольной оси контролируемой скважины (далее - датчик 7), причём выход указанного датчика 7 связан с входом датчика 6, выход которого соединён с входом вышеупомянутого модуля 5, другой вход/выход которого соединён с модулем 8 управления питанием (далее - модуль 8) и через блок 9 управления подсветкой (далее - блок 9) соединен с модулем 10 подсветки (далее - модуль 10). Средства измерения положения видеозонда 1, которые реализованы размещёнными в нём датчиком 7 относительно горизонтальной плоскости, установленным в плоскости продольной оси контролируемой скважины, и датчиком 6 ориентации видеозонда 1 в плоскости поперечного сечения контролируемой скважины, выполняются путём поворота досылочными элементами (на чертеже не показаны) корпуса видеозонда 1 для установки цифровой видеокамеры 4 в вертикальное положение. Выход видеозонда 1 связан через узел 11 ввода и герметизации с электронным блоком 2 сигнальным кабелем 12. Электронный блок 2 выполнен на основе преобразователя электрических сигналов, в котором модуль 13 передачи и обработки данных в цифровой форме в режиме реального времени (далее - модуль 13) соединён с блоком 14 питания через блок 15 управления питанием (далее - блок 15) и соединён с интерфейсной подсистемой 3 посредством сигнального кабеля 16. Интерфейсная подсистема 3 представляет собой автоматизированное рабочее место исследователя и реализована в виде ПК с общим и прикладным программным обеспечением обработки и преобразования информации и дополнительно включает блок 17 предварительной обработки сигналов датчиков 6, 7 и цифровой видеокамеры 4 видеозонда 1, блок 18 выбора режимов проведения эксперимента, выходы которых параллельно, посредством программных логических связей в программе указанной интерфейсной подсистемы 3, соединены со входами блока 19 отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом, с функцией создания и отображения виртуальной цифровой 3D модели поверхности стенок контролируемой скважины с градуировочной сеткой с заданным интервалом и возможностью совмещения градуировочной сетки с текущим цифровым видеоизображением поверхности стенок контролируемой скважины, выход которого соединён с входом блока 20 представления данных и хранения файлов.

Система работает следующим образом. Производится включение оборудования и выполняется его прогрев до стабилизации показаний датчиков 6 и 7 видеозонда 1, который происходит через 30 минут после подачи напряжения. Проверяется работоспособность цифровой видеокамеры 4. Производится загрузка программного обеспечения интерфейсной подсистемы 3, задаются параметры опыта: скорость передачи данных, порт подключения, период опроса датчиков 6 и 7 видеозонда 1, вводится информация о наблюдаемой скважине в окне «Код скважины», устанавливается значение длины измерительного интервала, вводится поправочный коэффициент. Непосредственно перед процессом измерения видеозонд 1 помещают в контролируемую скважину и продвигают его вдоль этой скважины путём наращивания досылочными элементами, прикрепленными к корпусу видеозонда 1 (на чертеже не показаны), на шаг подвижки. При этом перемещение указанного видеозонда 1 вдоль продольной оси контролируемой скважины реализовано с помощью разъёмных досылочных элементов (на чертеже не показаны), с возможностью измерения с помощью датчика 7 указанного видеозонда 1 относительно устья этой скважины и относительно продольной оси контролируемой скважины и с помощью датчика 6 ориентации его положения в плоскости поперечного сечения этой скважины.

Конструктивное исполнение сопряжения корпуса видеозонда 1 и досылочных элементов обеспечивает устойчивое положение видеозонда 1 при снятии каждого очередного отсчёта, что обеспечивает повышенную точность измерения. Цифровые сигналы от датчиков 6, 7 и цифровой видеокамеры 4 видеозонда 1 через модуль 5 поступают в модуль 13 электронного блока 2 по запросу от интерфейсной подсистемы 3 в соответствии с протоколом обмена через модуль 13 передачи данных, например RS-485, и в цифровом виде по сигнальному кабелю 16 поступают в интерфейсную подсистему 3. Далее смещают видеозонд 1 на шаг подвижки с помощью досылочных элементов корпуса. Перед снятием очередного отсчёта, путём поворота досылочными элементами корпуса видеозонда 1 для увеличения точности измерения угла наклона контролируемой скважины в горизонтальной плоскости, цифровую видеокамеру 4 устанавливают в вертикальное положение, используя показания датчика 6. Через одинаковые измерительные интервалы автоматически снимаются и записываются в файл блока 17 интерфейсной подсистемы 3 значения угла наклона контролируемой скважины в горизонтальной плоскости в прямом (от устья к забою скважины), а затем в обратном направлениях. Наблюдения за углами наклона контролируемой скважины осуществляются на экране ПК с помощью интерфейсной подсистемы 3. Сигналы с датчиков 6, 7 и цифровой видеокамеры 4 видеозонда 1 поступают в электронный блок 2 в цифровой форме в режиме реального времени через модуль 13 с блоком питания 14 и блоком 15 поступают в интерфейсную подсистему 3 посредством сигнального кабеля 16. В блоке 17 интерфейсной подсистемы 3 производится предварительная обработка цифровых сигналов 6, 7 и цифровой видеокамеры 4 видеозонда 1, фильтрация помех, усреднение результатов для получения устойчивых и достоверных значений с датчиков 6, 7 и цифровой видеокамеры 4 видеозонда 1. Блок 18 выбора режимов проведения эксперимента позволяет экспериментатору в интерактивном режиме изменять параметры шага подвижки видеозонда 1, корректировать опорные (нулевые) положения датчиков 6 и 7 видеозонда 1. Блок 19 отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом даёт возможность в интерактивном режиме ориентировать датчик 6 в вертикальной плоскости перед снятием отсчёта, обеспечивать съём показаний датчика 6 в точках измерений, контролировать изменение угла наклона контролируемой скважины в горизонтальной плоскости при перемещении видеозонда 1 вдоль её продольной оси и наблюдать профиль контролируемой скважины в абсолютных и относительных координатах. Кроме того, блок 19 с функцией создания и отображения виртуальной цифровой 3D модели поверхности стенок контролируемой скважины с градуировочной сеткой с заданным интервалом и возможностью совмещения градуировочной сетки с текущим цифровым видеоизображением поверхности стенок контролируемой скважины с помощью цифровой видеокамеры 4, позволяет экспериментатору в интерактивном режиме оперативно обнаруживать резкие изменения профиля контролируемой скважины. Блок 20 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 контролируемой скважине, дате и времени проведения эксперимента, направлении движения видеозонда 1, величине шага подвижки, массиве углов наклона контролируемой 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 позволяет в режиме реального времени:

- определять ориентацию разрывов горной породы и закладочного массива;

- осуществлять непрерывный процесс исследования во время введения видеозонда в контролируемую скважину;

- получать цифровые данные результатов измерений;

- с достаточной точностью для получения достоверного профиля контролируемой скважины фиксировать измеряемый угол её наклона относительно горизонтальной плоскости;

- вводить характеристики эксперимента;

- оперативно наблюдать за изменениями углов наклона и профиля контролируемой скважины численно и на графике;

- оперативно управлять процессом эксперимента;

- проводить экспресс-анализ и сравнение с ранее полученными результатами контролируемой скважины, оперативно обнаруживать резкие изменения её профиля и тем самым выявлять местоположение зон локализации нарушенности поверхности контролируемой скважины (критических зон) горных пород и закладочного массива.

Система видеомониторинга околоскважинного пространства для контроля деформационных процессов горных пород и закладочного массива, включающая соединённые через узел ввода и герметизации скважинный видеозонд и электронный блок, выполненный на основе преобразователя электрических сигналов с блоком питания, интерфейсную подсистему с системным и прикладным программным обеспечением, отличающаяся тем, что электронный блок выполнен в виде модуля передачи и обработки данных в цифровой форме с блоком питания и блоком управления питанием, с возможностью передачи цифровых данных в режиме реального времени в указанную интерфейсную подсистему, которая реализована в виде персонального компьютера (ПК) с общим и прикладным программным обеспечением сбора, хранения, управления и отображения информации и дополнительно включает блок предварительной обработки сигналов датчиков и цифровой видеокамеры, блок выбора режимов проведения эксперимента, выходы которых параллельно, посредством программных логических связей в программе указанной интерфейсной подсистемы, соединены со входами блока отображения текущей информации в графической форме и управления экспериментом, с функцией создания и отображения виртуальной цифровой 3D модели поверхности стенок контролируемой скважины с градуировочной сеткой с заданным интервалом и возможностью совмещения градуировочной сетки с текущим цифровым видеоизображением поверхности стенок контролируемой скважины, выход которого соединён с входом блока представления данных и хранения файлов.