СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СКВАЖИННОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2023 года по МПК E21B47/06 E21B47/12 

Изобретение относится к способам выявления и опережающего прогноза опасных геокриологических и фильтрационных процессов в теле плотин и береговых примыканиях гидротехнических сооружений в криолитозоне с помощью скважинного контроля параметров температурного режима и пьезометрического уровня, регистрируемых в скважине и ее окрестностях в режиме онлайн. Для реализации способа используется устройство контроля цифровых данных, работающего в составе измерительной сети, позволяющее изменять частоту опроса и набор контролируемых параметров в зависимости от прогноза возможных негативных изменений изучаемой среды, в том числе на основе самообучения по ранее накопленным данным.

Известны способы скважинного контроля температурного режима и пьезометрического уровня воды в наблюдательных и пьезометрических скважинах, применяемые для контроля состояния гидротехнических сооружений (см. СТО 70238424.27.140.021-2008 Контрольно-измерительные системы и аппаратура гидротехнических сооружений ГЭС. Организация эксплуатации и технического обслуживания. Нормы и требования. Дата актуализации: 01.01.2019 п.76), и различные модификации аппаратуры для их реализации. Например, регистрационно-передающая система МП-РПС-01 (www.merapribor.ru), предназначенная для измерения температуры, уровня и других параметров для режимных гидрологических и гидрохимических наблюдений, PTM/N датчик уровня воды https://poltraf.ru/uroven/datchiki_zhidkosti/ptmn/ целый ряд термогирлянд с логгеррами например МЦДТ 0922 многозонный цифровой датчик температуры фирмы эталон, косы термометрические ТК-СГТ фирмы ООО «Современные ГеоТехнологии»), системы измерительные контроля температуры криолитозоны ««СКТК-02» ИМЗ СО РАН и др., которые можно применять для раздельного и для совмещенного автономного цифрового измерения температуры и пьезометрического уровня.

Известна «Система раннего предупреждения об опасном состоянии плотины» CN 111795676 [1], включающая измеритель смещения грунта, осмометр, радарный уровнемер, приемник ГНСС, камеру, интеллектуальную систему управления и базу данных мониторинга безопасности плотин, для анализа и обработки данных в режиме реального времени, а также для интеллектуальной диагностики параметров мониторинга, определения, достигают ли различные параметры мониторинга порога раннего предупреждения, приемный терминал для отображения информации раннего предупреждения.

Недостатком известного способа является низкая энергоэффективность и недостаточная достоверность и оперативность отслеживания обусловленные неизменной скоростью передачи данных.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «Система и способ мониторинга температур протяженных объектов» RU 2459954 [2], включающий температурные датчики, средство сбора данных, поступающих от объекта, средство передачи данных, компьютер оценки и сбора информации, расположенный дистанционно относительно объекта, с использованием бесконтактных способов связи,.

Известное устройство обладает повышенной по сравнению с [1] эффективностью благодаря изменению скорости сбора данных при приближении к опасным значениям параметров.

Недостатком известного способа является недостаточно высокая энергоэффективность и недостаточная достоверность и оперативность отслеживания обусловленная неизменной скоростью передачи данных в режиме, приближающимся к опасному.

Технический результат повышение энергоэффективности и повышение достоверности отслеживания при достаточно быстром изменении измеряемой величины в режиме опасности.

Технический результат достигается тем, что: способ и устройство скважинного контроля, включающее температурные датчики (измерительную температурную косу) и, или пьезометрический датчик, средство сбора данных, поступающих от объекта, средство передачи данных, компьютер оценки и сбора информации, расположенный дистанционно относительно объекта, с использованием бесконтактных способов связи характеризуется тем, что при наличии сверхнормативных (незапланированных регламентом или декларациями безопасности) изменениях контролируемых параметров объектов формируется сигнал оповещения на наблюдательный пункт и система переключается в аварийный режим наблюдений с уменьшенной периодичностью (позволяющей отслеживать тренды и скорости изменения наблюдаемых параметров).

Устройство действует следующим образом:

Устройство подключается к серверу через один из каналов связи и авторизуется на сервере. После авторизации устройство передает по каналу связи свое техническое состояние, например, оставшийся заряд аккумулятора, количество подключенных датчиков, типы подключенных датчиков и их показания, качество канала связи и уровень параметров окружающей среды и т.д. Сервер в свою очередь подключается к локальной Базе Данных и выгружает из БД все необходимые параметры для работы данного устройства, такие как частота опроса датчиков, критический процент отклонения от нормы показаний определенных датчиков, даты и время съема их показаний, режим работы и т.д.

Данные настройки выгружаются с сервера в устройство и записываются в память устройства. Устройство программируется и перенастраивается на данные параметры. При отклонении от нормы показаний какого нибудь из части набора датчиков (или всех), сохраняемых в БД, сработает программный триггер, и частота работы с датчиками будет изменена, исходя из всего массива ранее накопленных данных об объекте, частота опроса датчиков и выгрузка данных показаний датчиков будет самонастраиваться на основании обработки полученных данных и проводиться с периодичностью позволяющей отслеживать тренды и скорости изменения наблюдаемых параметров что позволит спрогнозировать дальнейшее изменение состояния контролируемого объекта (среды)..

Теперь устройство будет опрашивать датчики по вновь определенной частоте что даст более детализированную прогнозную информацию о изменении состояния объекта, а также отправит уведомление о данной ситуации на пульт управления, либо уполномоченному лицу.

Устройство содержит блок оповещения и блок генерации отчета, генерирующий сигнал на электронную почту и смс уполномоченному лицу, а также формирующий отчет.

Шаг дискретизации в зависимости от изменения отслеживаемой величины можно определять по специальным расчетам для каждого измеряемого параметра и зашитых в контроллер измерителя в зависимости от решаемой задачи и условий измерения.

Т.е. может быть множество вариантов для изменения периода наблюдений. Сейчас существует возможность программно зашить разные способы управления ходом измерений, а также их изменять удаленно в онлайн режиме с помощью удаленного сервера.

Таким образом система работает в интеллектуальном режиме отслеживания и прогноза возникновения нерегламентированных изменений состояния контролируемых сред и объектов.

Например:

Если Т измеренное > Т регламентное, то первоначальный период измерения Δ уменьшится в 2 раза, или будет = Δ-N, где N заданный коэффициент.

Или например в зависимости от изменения отслеживаемой величины по формуле:

, где: Δt - новый временной шаг дискретизации, T - прежний шаг дискретизации, k - заранее заданный коэффициент, Θnow - новое значение измеряеемой величины, Θ - прежнее значение измеряемой величины.

Например, при неизменной температуре, т.е. при отсутствии градиентов, частота логгерных измерений равна 1 час, т.е. T = 60 [min]. Другими словами, если температура постоянна, то измерения идут каждый час.

1) Пусть эмпирически k = 6.

При изменении температуры на 5°C, т.е. при Θnow - Θ = 5, частота измерений станет равной

Δt = 60 / (6 * 5 + 1) = 60/31 ≅ 2мин,

т.е. если температура увеличилась на 5°C, то частота измерений станет каждые 2 минуты.

При k = 2, получим

Δt = 60 / (2 * 5 + 1) = 60 / 11 ≅ 6 мин

При k = 1,

Δt = 60 / (1 * 5 + 1) = 60\6 ≅ 10 мин

При изменении температуры на 0°C, т.е. при неизменной температуре, как выше, имеем Θnow - Θ = 0, частота измерений станет равной

Δt = 60 / (k * 0 + 1) = 60 / 1 = 60 мин.,

т.е. частота измерений не изменится.

Устройство может содержать датчики давления (пьезометрические), а также датчики засоленности, что позволит дополнительно повысить достоверность отслеживания состояния плотины.

Устройство действует следующим образом:

Устройство подключается к серверу через интернет по мобильной сети и авторизуется на сервере. После авторизации устройство передает по каналу связи свое техническое состояние, это заряд аккумулятора, количество подключенных датчиков, типы подключенных датчиков, напряжение аккумулятора, качество канала связи, и уровень сигнала передающей сети, параметров окружающей среды и т.д. Сервер в свою очередь подключается к локальной Базе Данных и выгружает из БД все необходимые параметры для работы данного устройства, такие как частота опроса датчиков, критический процент отклонения от нормы показаний определенных датчиков, даты и время съема их показаний, режим работы и т.д.

Данные настройки выгружаются с сервера в устройство и записываются в память устройства. Устройство программируется и перенастраивается на данные параметры. При отклонении от нормы показаний какого нибудь из части набора датчиков (или всех), сохраняемых в БД, сработает программный триггер, и частота работы с датчиками будет изменена, исходя из всего массива ранее накопленных данных об объекте, частота опроса датчиков и выгрузка данных показаний датчиков будет выше.

Теперь устройство будет опрашивать датчики с частотой, которая даст более детализированную информацию об изменении состояния объекта, а также отправит уведомление о данной ситуации на пульт управления, либо уполномоченному лицу.

Технический результат повышение эффективности достигается тем, что предлагаемые способ и устройство, позволяют выявлять на ранних стадиях начало деградации мерзлых оснований и начала фильтрационных процессов, что в свою очередь позволяет своевременно организовать превентивные меры для своевременной ликвидации негативных процессов.

Достоинством предлагаемого способа и устройства также является:

- при наличии скважин расположенных вдоль фильтрационного потока определять его скорость по способу температурной волны, либо по скорости появления пьезометрического скачка между наблюдательными скважинами и получать прогнозные тренды позволяющие рассчитать время до начала необратимых изменений устойчивости и принять соответствующие меры;

- при наличии скважинного наблюдательного полигона из нескольких профилей наблюдательных скважин на пути вероятных фильтрационных потоков, отслеживать направления и скорости фильтрационных потоков, а также скорости продвижения границ ареала оттаивания;

- возможность использования предлагаемого способа и устройства для обучения быстро развивающихся в последнее время распределенных оптоволоконных систем термо и виброконтроля, которые могут создавать многокилометровые наблюдательные периметры за состоянием различных гидротехнических объектов в том числе водохранилищ, хранилищ жидких техногенных отходов, различных дамб, плотин и грунтовых сооружений. Использование предлагаемого способа и устройства позволит выявлять критерии отличия опасных природно-техногенных процессов, от естественных и искусственных помех связанных жизнедеятельностью и обслуживанием этих объектов и сезонно-климатических помех, что можно использовать для исключения ложных сигналов.

Повышение энергоэффективности достигается низкой скоростью передачи данных и соответственно низким энергопотреблением в основном ждущем режиме, когда измеряемые параметры изменяются мало. Повышение достоверности достигается повышением скорости передачи данных от датчиков при увеличении скорости измерения параметров при достаточно быстром изменении измеряемой величины в режиме опасность.

Промышленная применимость. Предлагаемый способ и устройство скважинного контроля может быть выполнен с помощью известных технологий и применяться для контроля гидротехнических сооружений в криолитозоне.

Заявлена группа изобретений, включающая способ и устройство скважинного контроля. Техническим результатом является повышение энергоэффективности и повышение достоверности отслеживания при достаточно быстром изменении измеряемой величины в режиме опасности. Способ скважинного контроля состояния оснований сооружений и вмещающих их горных пород и грунтов включает цифровые датчики температуры и пьезометрического уровня. Также включает устройство сбора и передачи данных по каналу связи на сервер сбора, хранения и оценки информации, расположенный дистанционно относительно объекта. Также способ включает использование бесконтактных способов связи. Способ включает этап, на котором при наличии сверхнормативных изменений контролируемых параметров объектов формируется сигнал оповещения на сервер сбора, хранения и оценки информации. При таком оповещении система переключается в аварийный режим наблюдений с периодичностью, позволяющей спрогнозировать дальнейшее изменение состояния контролируемого объекта или среды. 2 н. и 1 з.п. ф-лы.

1. Способ скважинного контроля состояния оснований сооружений и вмещающих их горных пород и грунтов, включающий цифровые датчики температуры и пьезометрического уровня, устройство сбора и передачи данных по каналу связи на сервер сбора, хранения и оценки информации, расположенный дистанционно относительно объекта, с использованием бесконтактных способов связи, отличающийся тем, что при наличии сверхнормативных изменений контролируемых параметров объектов формируется сигнал оповещения на сервер сбора, хранения и оценки информации и система переключается в аварийный режим наблюдений с периодичностью, позволяющей спрогнозировать дальнейшее изменение состояния контролируемого объекта или среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частота сбора и обработки данных с датчиков может самонастраиваться на основании цифровой обработки полученных данных с периодичностью, позволяющей отслеживать тренды и скорости изменения наблюдаемых параметров.

3. Устройство скважинного контроля по п.1, включающее цифровые датчики состояния оснований, устройство сбора и передачи данных по каналу связи, сервер сбора, хранения и оценки информации, расположенный дистанционно относительно объекта, с использованием бесконтактных способов связи, отличающееся тем, что дополнительно содержит устройство вычисления оптимального временного шага и управления режимами измерения по алгоритмам для каждого измеряемого параметра.