СПОСОБ КАРОТАЖНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ БУРОВЫХ СКВАЖИН ПРИ ПОИСКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ И МИНЕРАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК E21B47/12 

Изобретение относится к промыслово-геофизическому исследованию буровых скважин и может быть использовано для поисково-разведывательного бурения как пробуренных скважин, так и в процессе бурения.

Современная организация поисковых, поисково-оценочных работ предусматривает комплекс геофизических исследований, значительный объем в которых занимает бурение и каротажное изучение скважин. Большие объемы буровых поисков, современная технология их проведения, необходимость оценки литологических и петрографических свойств пройденных пород предопределяют применение бескернового бурения. Практически все прямые оценки физических свойств пород проводятся на пробах из керна, что сильно удорожает буровые поиски за счет необходимости организации спуско-подъемных работ. Уточнять границы стратиграфических подразделений литографических разновидностей пород, маркирующих горизонтов принципиально возможно по типоморфным особенностям пород и минералов, получаемых в результате спектрального люминесцентного анализа стенок скважин. Люминесцентные "метки" являются критерием при корреляции одновозрастных отложений, "немых" в палеонтологическом отношении, и определении направленности процессов минералообразований. Применение люминесцентных меток для решения поисково-разведывательных работ требует создания атласа спектров с подробным стратиграфическим и минералогическим описанием образцов.

Известен способ электрического каротажа скважин в процессе бурения автономными системами (Геофизическая аппаратура. Вып. 61. Л. Недра, 1977, Мингео СССР, НПО "Геофизика"). Автономная система состоит из собственно автономного прибора, устанавливаемого за трубобуром, и наземного комплекса приборов, включающего в себя преобразователь, датчики глубины, циркуляции промывочной жидкости и веса бурильного инструмента. Автономный прибор в этой системе предназначен для измерения и регистрации геофизического параметра (удельного электрического сопротивления пород) в зависимости от глубины и времени.

Известно также устройство полевой флуориметр ПФ-I (Геофизическая аппаратура. Вып. 61. Л. Недра, 1977, Мингео СССР, НПО "Геофизика", с. 8), предназначенный для изучения гидродинамики подземных вод при гидротехнических изысканиях. Работа прибора основана на введении люминесцирующих красителей в водосток и измерении интенсивности люминесценции в пункте наблюдения. По результатам измерения судят, например, о скорости движения воды. При этом измерение можно проводить в отобранных пробах воды либо в предварительно пробуренной скважине.

Наиболее близким к данному техническому решению является "Способ количественного анализа буровых растворов" (ЕП N 0507405, G 01 N 21/55, опублик. от 31.03.92). Этот способ включает в себя запись количественно-нормативных инфракрасных спектров ожидаемых минералов разведываемой площади, спектральный количественный анализ составляющих взвесей бурового раствора в процессе бурения у устья скважины, сравнение спектров взвесей бурового раствора с предварительно записанными спектрами ожидаемых минералов. По результатам сравнения судят о количественном составе минералов на разведываемой площади.

Недостатком этого способа является необходимость поддерживать постоянное давление в скважине, чтобы через затрубное пространство буровой раствор постоянно выдавливался и поднимался к устью скважины, где проводится его спектроскопический анализ. К другому недостатку следует отнести то, что спектральные характеристики бурового состава являются как бы "интегральными" по длине скважины вследствие того, что буровой раствор, поднимаясь по затрубному пространству на поверхность, содержит в себе следы всех минералов по длине скважины, затрудняя оценку типоморфных особенностей пород, минералов и уточнение границы стратиграфических подразделений литологических разновидностей пород и маркирующих горизонтов. Это в свою очередь затрудняет точное определение направления максимального градиента процесса минералообразования в реальном масштабе времени, что в итоге затрудняет управление процессом бурения, особенно направлением бурения.

Цель данного технического решения возможность оперативного управления буровым инструментом в направлении максимального градиента минералообразования или полезных ископаемых.

Поставленная цель достигается тем, что в способе исследования буровых скважин при поиске полезных ископаемых и минералов, включающем снятие спектров люминесценции интересующих минералов и полезных ископаемых, формирование на их основе банка данных, получение спектров люминесценции пробуренных пород в процессе бурения, идентификацию их со спектрами в банке данных, дополнительно устанавливают спектральный прибор в скважине непосредственно за буровым инструментом, направляют излучение Δλ₁ от источника излучения на стенку пробуренной скважины, регистрируют излучение Δλ₂ от стенки скважины, а направлением бурения управляют по изменению интенсивности сигнала идентифицированного спектра.

На фиг. 1 дана конструкция каротажного прибора в скважине, в разрезе; фиг. 2 блок схема этого устройства; фиг. 3 спектр люминесценции природного светло-желтого сфалерита.

Устройство для каротажного исследования буровых скважин (фиг. 1) состоит из источника излучения 1, излучение от которого направляется через цель 2 на оптический сканер 3, осуществляющий круговое сканирование стенки пробуриваемой скважины 6 через иллюминатор 5 и работающий от двигателя 4. Падающее на стенку скважины излучение Δλ₁ инициирует люминесценцию минералов (полезных ископаемых) стенки скважины. Люминесцентное излучение Δλ₂ стенки скважины проходит в обратном направлении круговой иллюминатор 5, отражается от зеркала 7, также вращающегося от двигателя 4, и через объектив диспергирующее устройство 8 попадает на фотоприемник 9. Сигналы с фотоприемника 9 поступают на последовательно включенные усилитель напряжения 10, аналого-цифровой преобразователь 11, блок идентификации 12, один из входов которого связан с выходом банка данных 13, где хранится атлас спектров люминесценции известных минералов и полезных ископаемых в виде цифровых электрических сигналов. Выход блока идентификации 12 через усилитель мощности 14 связан с входом отклонителя 15 бурильного инструмента 16. Инклинометр 17 механически связан с буровым инструментом 16 и ведет непрерывные измерения азимутального и зенитного углов в функции глубины пробуриваемой скважины. Датчик глубины 18 также механически связан с буровым инструментом. Датчик угол код 19 связан со сканером 3. Все блоки и узлы установлены в герметичном отсеке 23. Герметичность отсека обеспечивается стенкой трубы 24, крышками 25, 26, прокладками 27. В стенке трубы 25 выполнен иллюминатор 5 из оптически прозрачного и прочного стекла для прохождения оптического излучения. Иллюминатор 5 со стороны стенки скважины 6 очищается стеклоочистителем 28, вращение которого синхронно и синфазно с поворотом сканера 3. Электрическая связь с другими блоками и узлами устройства осуществляется через герметичные электрические разъемы, устанавливаемые в крышке 26 отсека 23. По линии связи 21 (фиг. 2) информация с датчика угол код 19, инклинометра 17, блока идентификации 12, датчика глубины 18 поступает на поверхность земли в трехмерную систему отображения 22 геофизической разведывательной информации.

Способ каротажного исследования буровых скважин при поиске полезных ископаемых и минералов осуществляется следующим образом.

Из ранее снятых спектров люминесценции интересующих минералов и полезных ископаемых формируют банк данных. Устанавливают спектральный прибор в скважине непосредственно за буровым инструментом. Оптическое излучение Δλ₁ от источника излучения 1 направляют на щель 2, на зеркальную поверхность сканера 3. Двигатель 4 осуществляет вращение сканера 3. Затем оптическое излучение Δλ₁ направляется сканером 3 через иллюминатор 5 на стенку 6 скважины. Излучение Δλ₁ инициирует люминесцентное излучение стенки скважины Δλ₂, которое несет информацию о спектральных характеристиках минералов и полезных ископаемых стенок скважины в процессе непрерывного бурения. Инициированное люминесцентное излучение в спектральном диапазоне Δλ₂ попадает через иллюминатор 5, сканирующее зеркало 7, объектив диспергирующий элемент 8, на фотоприемник 9, где осуществляется его регистрация. Зарегистрированный сигнал усиливается в усилителе напряжения 10, преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 11 и подается на один из входов блока идентификации 12, на другой вход которого последовательно подаются сигналы снятых ранее спектров люминесценции из банка данных 13. В случае совпадения сигнала спектра люминесценции от стенки скважины с одним из сигналов спектров люминесценции из банка данных, соответствующего ожидаемому полезному ископаемому или минералу, на выходе блока идентификации появляется управляющий сигнал с амплитудой, пропорциональной концентрации минерала и сопровождающей его информацией с датчика 19 угол код (угловое положение зондирующего оптического излучения сканера 3), датчика глубины 18 (датчик пройденного пути буровым инструментом 16) и с инклинометра 17, определяющего текущее угловое положение бурового инструмента в трехмерной системе координат. Управляющий сигнал усиливается по мощности в блоке 14 до величины, необходимой для управления приводом отклонителя 15 бурового инструмента 16 до тех пор, пока буровой инструмент не выйдет на направление максимума минералообразования, т.е. на максимальную интенсивность сигнала от стенки скважины. Одновременно сопровождающая информация с датчика 19 угол код, датчика глубины 18, инклинометра 17 через линию связи 21 подается на поверхность в трехмерную систему отображения геофизической разведывательной информации 22.

Пример конкретного выполнения. Для этого используем спектр люминесценции природного светло-желтого сфалерита (Таращан А.Н.Люминесценция минералов. Киев: Изд-во "Наукова думка", 1978, с. 32, см. график "б" с индексом 300 к). Проквантируем (оцифруем) максимум амплитуды относительной спектральной характеристики светло-желтого сфалерита, например, на 256 уровней, что соответствует восьми разрядам в двоичной системе кодирования десятичных чисел. Ось длин волн λ проквантируем от 0 через каждые, например, 20 нм и каждой точке присвоим номер. Принципиально важно, чтобы было известно абсолютное значение интенсивности излучения спектра люминесценции минерала хотя бы на одной длине волны, чтобы можно было путем нормировки перейти от относительного спектра люминесценции минерала. Совпадение регистрируемого текущего относительного спектра люминесценции с относительным спектром люминесценции сфалерита из банка данных в блоке интеграла от абсолютных значений интенсивности спектра люминесценции минерала свидетельствует о его концентрации.

При известной зависимости между интегралом от абсолютных значений интенсивности спектра люминесценции минерала (или известной зависимости между значением интенсивности спектра люминесценции минерала хотя бы на одной длине волны) и концентрацией минерала в породе, а эти данные могут быть получены только экспериментально в ходе предшествующего опыта и входят в состав банка данных, легко определить текущую концентрацию минерала, а значит градиент направленности минералообразования в породе, через которую проходит бур.

Таким образом, совпадение по форме относительного спектра люминесценции минерала в породе (стенке скважины) со спектром люминесценции в банке данных свидетельствует о присутствии минерала в породе, величина (значение) интеграла от абсолютных значений интенсивности спектра люминесценции минерала является информацией о концентрации минерала в породе. Излучение Dl₁ от источника излучения 1 через щель 2 направляется на сканер 3, осуществляющий круговое сканирование стенки скважины 6 и работающий от двигателя 4. Затем оптическое излучение проходит круговой иллюминатор 5, попадает на стенку пробуриваемой скважины 6. Падающее на стенку скважины излучение достаточно широкого спектрального диапазона Δλ₁ инициирует люминесценцию минералов (минерала) в спектральном диапазоне, например, указанном на фиг. 3. Инициированное люминесцентное излучение суммарно несет в себе информацию о спектральных характеристиках всех минералов и полезных ископаемых стенки скважины в процессе непрерывного бурения. Люминесцентное излучение Δλ₂ стенки скважины (минерала) проходит круговой иллюминатор 5 в обратном направлении, отражается от вращающегося синхронно-синфазно со сканером 3 и оптически связанного с ним зеркала 7 и через объектив диспергирующий элемент 8 попадает на линейку фотоприемников 9. Далее электрический сигнал усиливается в многоканальном усилителе напряжения 10 и подается на многовходовый аналого-цифровой преобразователь 11. Следует отметить, что число каналов в усилителе напряжения 10 равно числу элементов в линейке фотоприемника 9, причем каждый элемент фотоприемника преобразует в электрический сигнал определенную длину волны (свой порядковый номер по оси длин волн на фиг. 3) диспергированного оптического излучения. Таким образом, с линейки фотоприемников 9 через усилитель 10 получают дискретизированную относительную спектральную характеристику люминесцентного излучения минерала. Зная интегральную (В/Вт) чувствительность сквозного тракта объектив диспергирующий элемент 8, линейка фотоприемников 9, многоканальный усилитель напряжения 10, аналого-цифровой преобразователь 11, можно от относительной спектральной характеристики люминесцентного излучения минерала перейти к абсолютной спектральной характеристике излучения минерала. Определение интегральной (В/Вт) чувствительности или абсолютной спектральной чувствительности сквозного тракта производится на этапе юстировки и метрологической аттестации устройства. Далее значение абсолютной спектральной характеристики люминесцентного излучения минерала позволяет установить однозначную связь между интегралом от абсолютной спектральной характеристики люминесцентного излучения минерала и его концентрацией в породе. С аналого-цифрового преобразователя 11 сигналы, соответствующие относительной спектральной характеристике излучения минерала, и сигнал, соответствующий интегралу от абсолютной характеристики излучения минерала, подаются в блок идентификации 12. В банке данных 13 на основании прошлого опыта представлены (хранятся) в цифровом виде (в дискретных точках) сигналы, соответствующие спектральным характеристикам всех известных минералов, в том числе и светло-желтого сфалерита. Причем дискретизация (оцифровывание) по длинам волн λ и амплитуд относительных спектральных характеристик заранее выполнено с такими же требованиями (через 20 нм по оси длин волн l и 256 уровней), с какими происходит в процессе работы данного устройства. Поскольку величина сигнала, соответствующая интегралу от абсолютной спектральной характеристики излучения минерала, зависит от его концентрации в породе, то в банке данных 13 хранятся в цифровом виде несколько десятков значений сигнала, соответствующих различным концентрациям в породе. Сигналы из банка данных 13 подаются в блок идентификации 12, работа в котором происходит в два этапа. На первом этапе идет идентификация по относительным спектральным характеристикам, т.е. по форме спектральных характеристик. Амплитуда сигнала каждого номера по длинам волн пройдя фотоприемник 9, усилитель 10, АЦП 11 сравнивается в блоке идентификации 12 по амплитуде с сигналом своего номера по оси длин волн из банка данных 13. При равенстве амплитуд сигналов номеров с 19 по 35 выносится решение о совпадении спектральных характеристик, т.е. о наличии минерала. На втором этапе идентификации сигнал, соответствующий интегралу от абсолютной спектральной характеристики люминесценции минерала, поочередно сравнивается, начиная с i 1 и кончая i 100, по амплитуде с сигналом из банка данных 13. При равенстве амплитуды текущего сигнала с одним из сигналов из банка данных определяется его номер. Например, если номер сигнала 45, то текущая концентрация минерала в породе при наличии соседних номеров по 5 мг/м³ будет 225 мг/м³. Это измерение идет непрерывно в процессе бурения. Обновление информации можно проводить, например, через каждые 60 с. С выхода блока идентификации 12 сигнал увеличения (уменьшения) концентрации усиливается в блоке 14 и подается на отклонитель 15, который на основании текущей информации с датчика угол код 19, с датчика глубины 18, инклинометра 17 отклоняет буровой инструмент в направлении максимального градиента минерала. Следует отметить, что эти процессы имеют невысокую динамику. Отклонение бурового инструмента идет до тех пор с одновременным процессом бурения, пока турбобур не окажется в зоне максимальной концентрации минерала в породе, т.е. не попадет в пласт с большой концентрацией минерала. Одновременно с датчика угол код 19, датчика глубины 18, инклинометра 17, с блока идентификации 12 по линии связи 21 сигналы передаются на поверхность земли для трехмерного отображения текущей информации о наличии и концентрации минерала в разведываемой площади.

Использование предлагаемого способа обеспечивает по сравнению с прототипом и другими известными способами следующие преимущества:
значительное сокращение сроков и финансовых затрат при поисково-разведывательном бурении за счет бескернового бурения и отсутствия спуско-подъемных работ;
повышение точности определения направления процессов образования минералов и полезных ископаемых в реальном масштабе времени;
расширение информативности способа, позволяющего в принципе измерить абсолютные концентрации полезных ископаемых и минералов на глубине непосредственно за буровым инструментом в процессе бурения.

Использование: для оперативного управления буровым инструментом в направлении максимального градиента минералообразования или полезных ископаемых при исследовании буровых скважин. Сущность изобретения: способ каротажного исследования буровых скважин при поиске полезных ископаемых и минералов содержит снятие спектров люминесценции полезных ископаемых и минералов, формирование на их основе банка данных, получение спектров люминесценции пробуренных пород в процессе бурения, идентификацию их со спектрами в банке данных. Спектральный прибор устанавливают в скважине непосредственно за буровым инструментом. Направляют излучение Δλ₁ источника излучения на стенку пробуренной скважины, регистрируют излучение Δλ₂ от стенки скважины. Направлением бурения управляют по изменению интенсивности сигнала идентифицированного спектра. 3 ил.

Способ каротажного исследования буровых скважин при поиске полезных ископаемых и минералов, включающий снятие спектров люминесценции полезных ископаемых и минералов, формирование на их основе банка данных, получение спектров люминесценции пробуренных пород в процессе бурения, идентификацию их со спектрами в банке данных, отличающийся тем, что устанавливают спектральный прибор в скважине непосредственно за буровым инструментом, направляют излучение Δλ₁ источника излучения на стенку пробуренной скважины, регистрируют излучение Δλ₂ от стенки скважины, а направлением бурения управляют по изменению интенсивности сигнала идентифицированного спектра.