ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2003 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к скважинной геофизике, а именно к устройствам для исследования параметров буровых скважин и физических свойств среды околоскважинного пространства, и может найти применение при инклинометрии буровых скважин и разведке месторождений полезных ископаемых методом вертикального сейсмического профилирования.

В настоящее время при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых широко применяются различные геофизические измерительные системы. Получаемая с их помощью информация позволяет определить мощность и элементы залегания пласта полезного ископаемого, структуру залежи, оценить запасы полезного ископаемого и др. Работа таких систем построена на использовании различных физических принципов: существуют системы электрического, акустического, магнитного и других видов каротажа, системы сейсмозондирования и вертикального сейсмопрофилирования и т.д. Совместный анализ результатов исследований конкретного района месторождения различными измерительными системами существенно повышает достоверность сведений о геологическом строении этого района.

Производительность геофизических работ значительно возрастает в случае применения комплексных геофизических измерительных систем, так называемых геофизических комплексов [Разработка инклинометрического модуля комплексного скважинного прибора. Отчет о НИР /Томский политехн. университет (ТПУ); ГР 01.92.0019191; Инв. 02930001968. - М., 1993 г., с. 35]. В данном случае при одном спуске скважинного прибора геофизического комплекса можно получить информацию одновременно с различных измерительных систем, чувствительные элементы которых размещены в скважинном приборе. Иногда одно исследование должно обязательно предшествовать (или сопровождать) исследованию другого вида, так как получаемые при проведении первого исследования параметры являются исходными данными для последующего. В качестве примера можно привести способ вертикального сейсмопрофилирования, при котором необходимо знать расположение блока сейсмоприемников относительно пункта сейсмовозбуждения, что возможно только при знании текущего положения в пространстве скважинного прибора. Последнее осуществимо, если известны траектория ствола оси буровой скважины, которая рассчитывается на основе инклинометрических параметров, и длина сматываемого каротажного кабеля. Другими словами, процесс вертикального сейсмопрофилирования должен сопровождаться инклинометрией буровой скважины, т. е. в данном случае геофизический комплекс должен состоять из двух систем - сейсмоизмерительной и инклинометрической.

В большинстве случаев инклинометр представляет совокупность наземной аппаратуры и связанного с ней каротажным кабелем скважинного прибора. Тип инклинометра в основном определяется видом чувствительных элементов, содержащихся в скважинном приборе.

Наиболее перспективным является точечный инклинометр, который выбран нами в качестве прототипа. Такие инклинометры используются как самостоятельные приборы [патент Великобритании 2009418, НКИ G 1 N, МКИ G 01 C 23/00, бюл. "Изобретения стран мира" 2, 1980 г.; Уттект Г.У., де-Вард Дж.П. Новый гироскоп для геофизических исследований. //Нефть, газ и нефтехимия за рубежом 1983, 3, с. 14-19] и как составные части более сложных геофизических комплексов [патент РФ 2004786. Инклинометр. МКИ Е 21 В 47/02, бюл. "Изобретения" 45-46, 1993 г.].

Чувствительными элементами такого инклинометра, расположенными в корпусе скважинного прибора, являются измерители абсолютной угловой скорости, замеряющие проекции вектора угловой скорости вращения Земли на их оси чувствительности, а также акселерометры, замеряющие проекции вектора ускорения силы тяжести. Выходы этих чувствительных элементов кабельным каналом связи соединены с информационным входом вычислителя, входящего в состав наземной аппаратуры. С вычислителем также связан блок ввода констант, предназначенный для введения в алгоритм расчета параметров, характеризующих конкретные условия проведения исследований. Сигналы, снимаемые с чувствительных элементов, обрабатываются в вычислителе по соответствующим алгоритмам. В итоге потребитель получает информацию об угловом пространственном положении скважинного прибора, а следовательно, и того участка буровой скважины, стенки которого в данный момент времени касается корпус скважинного прибора. Эта информация в конечном итоге позволит рассчитать пространственное положение центра блока сейсмоприемников относительно устья скважины и пункта возбуждения сейсмических волн. Показания с чувствительных элементов должны сниматься в тот момент, когда скважинный прибор неподвижен относительно скважины. Наличие такого режима благоприятно для сочетания работы инклинометра с работой сейсмоизмерительной системы, когда корпус скважинного прибора специальным устройством должен прижиматься к стенке скважины.

Однако простое объединение в скважинном приборе чувствительных элементов инклинометра и сейсмоизмерительной системы имеет ряд недостатков: усложняется конструкция и стоимость оборудования скважинного прибора, увеличивается число каналов обработки и передачи информации, появляется дополнительная технологическая проблема, связанная с необходимостью согласования направления осей чувствительности сейсмоприемников, измерителей угловой скорости и акселерометров.

В этой связи желательно иметь геофизический комплекс, предназначенный для одновременного измерения инклинометрических параметров скважины и проведения исследований околоскважинного пространства, например методом вертикального сейсмопрофилирования. Скважинный прибор комплекса должен содержать минимальное количество чувствительных элементов и число каналов передачи информации, конструкция прибора должна быть компактной и технологичной.

Поставленная задача решается следующим образом. Геофизический комплекс содержит наземную аппаратуру и связанный с ней каротажным кабелем скважинный прибор. Комплекс дополнен рядом устройств, которые обеспечивают его работу в двух режимах - инклинометрической и сейсмоизмерительной систем. При этом количество чувствительных элементов и каналов передачи информации не увеличивается. Состав наземной аппаратуры, включающей вычислитель и блок ввода констант, дополнен блоком изменения режимов работы комплекса, который связан с управляющим входом вычислителя и посредством кабельного канала связи, имеющегося в комплексе, соединен с блоком изменения режимов работы скважинного прибора, который внесен в состав последнего. Кроме того, скважинный прибор содержит переключатель акселерометра и прижимное устройство, управляемые наряду с чувствительными элементами (многокомпонентным измерителем абсолютной угловой скорости и трехкомпонентным акселерометром) блоком изменения режимов работы скважинного прибора.

Функциональные особенности изобретения заключаются в том, что чувствительный элемент скважинного прибора - акселерометр - работает в двух режимах: измерения составляющей вектора ускорения силы тяжести и измерения составляющей сейсмоволны. Первый режим работы акселерометра соответствует режиму работы геофизического комплекса "инклинометр", второй - режиму "сейсмозонд". Изменение режимов работы акселерометра производится за счет переключения электрических цепей обратной связи этого чувствительного элемента по командам блока изменения режимов работы скважинного прибора. Так как один и тот же чувствительный элемент совмещает функции акселерометра и сейсмоприемника, то исключается технологическая задача согласования осей чувствительности последних.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема геофизического комплекса. Наземная аппаратура 1 соединена со скважинным прибором 2 каротажным кабелем 3, обеспечивающим двухсторонний кабельный канал связи. В состав наземной аппаратуры входят вычислитель 4, предназначенный для решения задачи ориентации и обработки сейсмической информации, блок ввода констант 5, который осуществляет ввод в память вычислителя параметров, характеризующих конкретные условия проведения исследований, и блок изменения режимов работы комплекса 6, задающий необходимые условия работы оборудования скважинного прибора и запуск соответствующего алгоритма работы вычислителя.

Скважинный прибор 2 содержит чувствительные элементы: многокомпонентный измеритель абсолютной угловой скорости 7, предназначенный для измерения составляющих вектора угловой скорости вращения Земли, и трехкомпонентный акселерометр 8, который работает в двух режимах: замеряет как компоненты вектора ускорения силы тяжести, так и составляющие сейсмоволны. Для изменения режимов работы акселерометра предназначен переключатель 9, который функционально объединен с трехкомпонентным акселерометром 8 в двухрежимный акселерометр 10, для чего выход переключателя соединен с управляющим входом трехкомпонентного акселерометра. Для управления переключателем 9 предназначен блок изменения режимов работы скважинного прибора 11, который в свою очередь соединен кабельным каналом связи с блоком изменения режимов работы комплекса 6. Блок изменения режимов работы скважинного прибора 11 служит также для приведения многокомпонентного измерителя абсолютной угловой скорости 7 в рабочий режим на время определения ориентации осей трехкомпонентного акселерометра 8 и, кроме того, для управления прижимным устройством 12, которое включается на период проведения измерений и прижимает скважинный прибор к стенке скважины. Упомянутые операции обеспечены связями соответствующих выходов блока изменения режимов работы скважинного прибора 11 с управляющим входом многокомпонентного измерителя абсолютной угловой скорости 7 и входом прижимного устройства 12.

Комплекс работает следующим образом. Перед началом исследований посредством блока ввода констант 5 в вычислитель 4 вводятся необходимые параметры, характеризующие процесс проведения исследований. При перемещении скважинного прибора 2 по скважине прижимное устройство 12 не работает, а с отключенных чувствительных элементов - многокомпонентного измерителя абсолютной угловой скорости 7 и трехкомпонентного акселерометра 8 информация в вычислитель 4 не поступает (игнорируется). При остановке скважинного прибора 2 в заданной точке проведения измерений блок изменения режимов работы комплекса 6 подает сигнал на управляющий вход вычислителя 4, подготавливая последний для расчета параметров ориентации осей чувствительности трехкомпонентного акселерометра 8 (с одной из которых однозначно связана продольная ось скважинного прибора) относительно выбранной опорной системы координат. Кроме того, сигнал с блока изменения режимов работы комплекса 6 поступает по кабельному каналу связи (каротажному кабелю) 3 на вход блока изменения режимов работы скважинного прибора 11, который в свою очередь управляет прижимным устройством 12 и задает режимы работы чувствительных элементов. Прижимное устройство 12 прижимает корпус скважинного прибора 2 к стенке скважины, после чего подается электропитание на трехкомпонентный акселерометр 8 и на многокомпонентный измеритель абсолютной угловой скорости 7, при этом трехкомпонентный акселерометр 8 посредством переключателя 9 переводится в режим измерителя линейных ускорений.

Через некоторый промежуток времени, необходимый для выхода чувствительных элементов в штатный режим, вычислитель 4 производит расчет параметров ориентации осей чувствительности акселерометра по информации, поступающей с многокомпонентного измерителя абсолютной угловой скорости 7 и трехкомпонентного акселерометра 8. В частности, в зависимости от конкретной задачи параметры ориентации могут быть определены согласно следующим выражениям:




или



Выражения (1) соответствуют случаю, когда определение ориентации производится в координатах, традиционных для инклинометрических замеров скважин, выражения (2) используются в том случае, если для определения ориентации применяются углы конечных поворотов Эйлера-Крылова. В выражениях использованы следующие обозначения:
α-- азимут плоскости наклонения;
β - зенитный угол;
γ - апсидальный угол;
Φ, Ψ, Θ - углы конечных поворотов;
g - величина ускорения силы тяжести в точке проведения замеров;
а_x, а_y, а_z - составляющие кажущегося ускорения, измеряемые трехкомпонентным акселерометром по осям OX, OY, OZ приборной системы координат;
Ω_З - величина угловой скорости вращения Земли;
ω_x, ω_y, ω_z - составляющие абсолютной угловой скорости, замеряемые многокомпонентным измерителем абсолютной угловой скорости;
ϕ - широта места проведения исследований.

После того как проведено определение ориентации в пространстве осей чувствительности трехкомпонентного акселерометра, блок изменения режимов работы комплекса 6 переключает вычислитель 4 в режим обработки сейсмической информации, подтверждает необходимость работы прижимного устройства 12 и выдает команду блоку изменения режимов работы скважинного прибора 11. Последний отключает питание многокомпонентного измерителя абсолютной угловой скорости 7 и переводит трехкомпонентный акселерометр 8 посредством переключателя 9 в режим регистрации сейсмической информации. Затем в определенной точке на поверхности Земли производится вибровозбуждение (например, взрыв) и трехкомпонентный акселерометр 8 замеряет параметры пришедшей сейсмоволны. Получаемая при этом сейсмическая информация по кабельному каналу связи поступает в вычислитель 4, где обрабатывается по соответствующим алгоритмам.

После проведения исследований в данной точке скважины блок изменения режимов работы комплекса 6 выдает команду на вычислитель 4, отключающую режим работы последнего по обработке сейсмической информации. Кроме того, блок изменения режимов работы комплекса 6 управляет блоком изменения режимов работы скважинного прибора 11, который в свою очередь выдает команду на отключение прижимного устройства 12 и посредством переключателя 9 трехкомпонентного акселерометра 8. После отжатия от стенки скважины скважинный прибор перемещается на новую точку исследований и весь цикл рассмотренных выше операций повторяется.

Вариант технической реализации изобретения может быть пояснен следующим примером. Переключение трехкомпонентного акселерометра из режима измерения линейного ускорения в режим измерения сейсмоскорости можно осуществить изменением параметров канала обратной связи ("электрической пружины"), которая имеется во всех акселерометрах, построенных на использовании компенсационного принципа измерения. Параметры канала обратной связи можно изменять коммутацией элементов в его электрической цепи. Блок изменения режимов работы комплекса можно представить в виде источника напряжения, вырабатывающего напряжения 0, +U, -U, где 0 - соответствует режиму перемещения скважинного прибора; +U - режиму определения ориентации, -U - режиму определения параметров сейсмической волны. Блок изменения режимов работы скважинного прибора можно представить в виде электромагнитного поляризованного реле, на обмотку которого подаются напряжения 0, ±U, а контакты реле включены в соответствующие электрические цепи прижимного устройства, измерителя угловой скорости и переключателя акселерометра.

При подаче напряжения, равного 0, вычислитель информацию не обрабатывает, якорь реле находится в нейтральном положении, прижимное устройство и чувствительные элементы обесточены. При подаче напряжения +U вычислитель работает в режиме определения параметров ориентации, якорь реле находится в первом крайнем положении, замкнуты цепи питания прижимного устройства, чувствительных элементов, параметры канала обратной связи акселерометра посредством подключения необходимых элементов, входящих в состав устройства, ранее условно названным как "переключатель", соответствуют случаю измерения линейного ускорения. При подаче напряжения -U вычислитель рассчитывает сейсмические параметры, якорь реле находится во втором крайнем положении, цепь питания прижимного устройства продолжает оставаться замкнутой, цепь питания измерителя угловой скорости разомкнута, цепь питания акселерометра замкнута, но в цепь канала обратной связи акселерометра подключены элементы, обеспечивающие работу акселерометра в режиме измерения параметров сейсмоволны. И вновь, при подаче напряжения, равного 0, вычислитель прекращает расчеты, якорь реле возвращается в нейтральное положение, снимается питание с чувствительных элементов и прижимного устройства, скважинный прибор отжимается от стенки скважины и его можно перемещать на следующую точку проведения исследований.

Приведенный пример не ограничивает возможные варианты исполнения изобретения. Применение микропроцессорной техники позволит организовать более оптимальное управление составными элементами комплекса в рамках предлагаемой структуры.

Преимущества предложенного технического решения заключаются в повышении производительности геологоразведочных работ и информативности исследований в буровых скважинах.

Использование: в геофизических измерительных системах для проведения исследований в буровых скважинах. Сущность: геофизический комплекс содержит наземную аппаратуру, включающую вычислитель и блок ввода констант, и связанный с ней каротажным кабелем скважинный прибор. В состав скважинного прибора входят чувствительные элементы: многокомпонентный измеритель абсолютной угловой скорости и трехкомпонентный акселерометр, выходы которых кабельным каналом связи соединены с информационным входом вычислителя. В режиме точечного инклинометра с чувствительных элементов на вход вычислителя поступает информация в виде сигналов, соответствующих проекциям векторов ускорения силы тяжести и угловой скорости вращения Земли, что позволяет рассчитать параметры пространственной ориентации осей чувствительных элементов, а в конечном итоге - пространственное положение того участка скважины, где зафиксирован с помощью прижимного устройства скважинный прибор. В режиме сейсмозонда информация поступает в вычислитель только с акселерометра в виде сигналов, характеризующих сейсмоволну. Указанный режим обеспечивается изменением характеристик акселерометра и отключением измерителя абсолютной угловой скорости, что производится блоком изменения режимов работы скважинного прибора. Задание одного из режимов работы геофизического комплекса инклинометр - сейсмозонд - перемещение скважинного прибора производится при помощи блока изменения режимов работы комплекса, который расположен на поверхности и связан как с наземной аппаратурой, так и кабельным каналом связи с блоком изменения режимов работы скважинного прибора. Технический результат: повышение производительности геологоразведочных работ и информативности исследований в буровых скважинах. 1 ил.

Геофизический комплекс, содержащий наземную аппаратуру, включающую вычислитель и блок ввода констант, и связанный с ней каротажным кабелем скважинный прибор, в состав которого входят многокомпонентный измеритель абсолютной угловой скорости и трехкомпонентный акселерометр, выходы которых кабельным каналом связи соединены с информационным входом вычислителя, отличающийся тем, что блок изменения режимов работы комплекса, входящий в состав наземной аппаратуры, связан с управляющим входом вычислителя и кабельным каналом связи соединен с блоком изменения режимов работы скважинного прибора, входящим в состав последнего, причем с выходами блока изменения режимов работы скважинного прибора связаны прижимное устройство, управляющий вход многокомпонентного измерителя абсолютной угловой скорости и вход переключателя, а выход переключателя соединен с управляющим входом трехкомпонентного акселерометра.