Устройство для определения фильтрационных свойств горных пород Советский патент 1992 года по МПК E21B47/04 

сл

С

Использование: область гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий и гидротехнического строительства. Сущность изобретения: устройство содержит спускаемые в скважину на тросе снаряд в виде полого цилиндра с прикрепленным к его нижней части с возможностью вращения тарельчатым клапаном, датчик уровня, утяжелитель, установленный на тарельчатом клапане, и дополнительный трос, прикрепленный к последнему. 1 ил.

Изобретение относится к области гидрогеологических и инженерно-геологических изысканий и гидротехнического строительства, в частности к устройствам для определения фильтрационных свойств горных пород.

Известны устройства для определения фильтрационных свойств горных пород при пробных откачках, опережающем опробовании, использовании испытателей пластов, включающие спускаемые в скважину снаряды для изменения уровня воды в ней путем изъятия воды или ее подачи, и датчик уровня.

Недостатком этих устройств является невысокая точность определения фильтрационных свойств при больших расходах времени на исследования.

Известно также устройство для определения фильтрационных свойств горных пород, включающее емкость с водой, приспособления для доставки воды в скважину и приборы для наблюдения за уровнем воды в скважине.

Недостатком данного устройства является то, что для его выполнения требуется вода и специальные емкости дня ее доставки, а также приспособления для налива ее в скважину. Кроме того, условия налива оказывают влияние на точность исследований и воспроизводимость результатов, поскольку изменение уровня воды в стволе скважины зависит от глубины залегания уровня, диаметра скважины, скорости залива, характеристик процесса стекания жидкости по стенкам скважины и т.п.

2

го

4

Ох

00

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для определения фильтрационных свойств горных пород, содержащее спускаемые в скважину снаряд и датчик уровня, причем погружаемый под уровень воды в скважине или извлекаемый из-под него снаряд представляет собой тело фиксированного объема.

Недостатком известного устройства является невысокая точность определения фильтрационных свойств горных пород, что связано с трудностью в установлении (нахождении) начального момента восстановления уровня, так как погружение снаряда (тела фиксированного обьема) происходит постепенно, поэтому одновременно с процессом погружения снаряда (тела) под уровень воды в скважине или его подъема из-под уровня и вызванного этим изменением уровня воды протекает процесс его восстановления, зафиксировать который нет возможности. В то же время, расчетные зависимости получены для условия мгновенного изменения первоначального уровня. По воспроизведенным для прототипа данным ошибка в регистрации начального момента восстановления уровня может достигать 3-10 с, что при расчетах величины фильтрационных свойств горных пород дает ошибку от 10 до 50% и более в зависимости от фильтрационных свойств горных пород опробуемого водоносного горизонта (пласта). Для суглинистых пород с коэффициентом фильтрации менее 0,1 м/сут ошибка эта незначительна (менее 1%). При опробовании хорошо промытых однородных крупнозернистых песков с коэффициентом фильтрации 30 м/сут ошибка может достигать 50% и более. Сравнение значения фильтрационных свойств, полученных с помощью предлагаемого устройства и воспроизведенных для прототипа, производилось с данными по ранее произведенным в этих скважинах кустовым откачкам на Егорьевском месторождении фосфоритов (Московская обл.).

Целью изобретения является повышение точности определения фильтрационных свойств горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения фильтрационных свойств горных пород, содержащее спускаемые в скважину снаряд и датчик уровня, снабжено тарельчатым клапаном, утяжелителем и дополнительным тросом, причем снаряд выполнен в виде полого цилиндра, тарельчатый клапан прикреплен с возможностью вращения к нижней части полого

цилиндра, утяжелитель установлен на тарельчатом клапане диаметрально противоположно по отношению к оси его вращения, а дополнительный трос прикреплен к тарельчатому клапану.

Предложенное устройство позволяет практически мгновенно установить новое положение уровня воды в скважине путем резкого изъятия определенного объема во0 ды либо последующего быстрого возвращения ранее изъятой воды в скважину, что невозможно в методе налива, пробных откачек и способа погружения (извлечения) под уровень тела фиксированного объема. В то

5 же время расчетные зависимости получены как раз для условия, когда изменение уровня воды в скважине происходит мгновенно. Измерение уровня воды в скважине после возмущения осуществляется непрерыв0 но или дискретно с помощью датчика уровня или давления. Запись производится на ленту самописца или шлейфового осциллографа.

На чертеже представлен общий вид

5 предлагаемого устройства для определения фильтрационных свойств горных пород.

Устройство состоит из полого цилиндра 1, в нижней части оснащенного тарельчатым клапаном 2 со свинцовым утяжелителем 3

0 для обеспечения его надежного открытия, причем утяжелитель 3 расположен диаметрально по отношению к оси вращения клапана 2. Для лучшей герметизации нижней части цилиндра 1 при закрытом положении

5 клапана 2 последний снабжен уплотнитель- ной прокладкой (на чертеже не показана). Движение клапана 2 осуществляется с помощью прикрепленного к нему дополнительного троса 5, перекинутого на устье

0 скважины через блок 6. К верхней части цилиндра 1 с помощью рымболтов 7 и оттяжек 8 крепится трос 9, перекинутый на устье скважины через блок 10. На чертеже показаны также обсадная или фильтровая колон5 на труб 11 скважины, датчик уровня 12, связанные кабелем 13 с самопишущим прибором 14 для регистрации положения и изменения уровня воды в скважине, статический (первоначальный) уровень во0 ды 15 в скважине, положение уровня 16 после изъятия определенного объема воды и положение уровня 17 после налива ранее изъятого объема воды.

Устройство работает следующим обра5 зом.

В подготовленную для исследования скважину 11 спускают на кабеле 13 датчик 12 уровня воды. Датчик спускают в скважину 11 на каротажном кабеле через блок-баланс или вручную, причем кабель

закрепляют на устье скважины обычным прижимом. Диаметр снаряда должен обеспечивать свободный проход кабеля в зазор между снарядом и обсадной (фильтровой) колон ной труб. Глубина погружения датчика 12 должна быть на 1-2 м ниже возможного понижения уровня. При этом величина возмущения уровня Н зависит от соотношения диаметров скважины и снаряда, а также длины снаряда и ориентировочно может быть определена по зависимости

H(Ј)2-L,

где d - внутренний диаметр снаряда (цилиндра);

D - внутренний диаметр обсадной (фильтровой) колонны труб в интервале изменения уровня;

L- длина снаряда.

Датчик 12 уровня воды соединяют кабелем 13 с вторичным самопишущим прибором 14 для регистрации положения и изменения уровня воды в скважине 11. Затем в скважину 11 опускают на тросе 9 ци- линдр 1 ниже первоначального (статического) уровня 15 воды, при этом дополнительный трос 5 ослаблен, в результате чего под действием утяжелителя 3 клапан 2 открыт и цилиндр заполнен водой. После этого натягивают дополнительный трос 5, закрывают клапан 2 и резко за дополнительный трос 5 поднимают цилиндр вместе с наполнившей его водой на высоту не менее, чем в два раза превышающую величину возмущения уровня. Так как клапан 2 плотно прижат к уплотнительной прокладке нижней части цилиндра массой удерживаемой воды, вода не поступает назад в скважину 11, в уровень 15 ее в скважине 11 резко изменяется до положения 16. По данным датчика 12 уровня на вторичном приборе 14 регистрируется восстановление уровня 16 воды в скважине 11 до статического (первоначального) положения 15. Окончанием восстановления уровня считается момент, когда уровень воды в скважине не достиг статического 15 на величину, составляющую менее 5% величины возмущения.

Затем, удерживая цилиндр 1 за трос 9, резко ослабляют дополнительный трос 5, что позволяет клапану 2, имеющейся в цилиндре 1 воде мгновенно вылиться в скважину 11, поднимая уровень воды в ней до положения 17. Вновь по данным датчика 12 уровня на вторичном самопишущем приборе 14 регистрируется восстановление уровня 17 до статического (первоначального) положения 15.

После проведения исследований извлекаются из скважины 11, вначале цилиндр 1, а затем датчик 12 уровня воды.

Величина коэффициента фильтрации

или водопроводности определяется по существующим гидродинамическим зависимостям (формулам) для опытных наливов или откачек по данным кривых восстановления уровня воды в скважине, полученных

0 после его возмущения предлагаемым устройством. Для расчетов используется среднее арифметические значение, полученное, при повышении и понижении уровня.

Использование предлагаемрго устрой5 ства позволяет повысить точность определения фильтрационных свойств горных пород за счет более точного определения начального момента восстановления уровня, его четкий характер, что максимально

0 приближает условия природного процесса к имеющимся условиям математических решений.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. На Егорьевском месторож5 дении фосфоритов (Московская обл.) были проведены полевые испытания устройства. Опробованная толща сложена переслаивающимися флювиогляциальными песками различного гранулометрического состава. С

0 поверхности эти песчаные отложения перекрыты чехлом супеси (1-2 м)и почвы (0,25 м) Подстилаются пески верхнеюрскими глинами, которые встречаются на глубине 25-28 м. Вся толща песчаных флювиогляциальных

5 отложений представляет собой единый безнапорный горизонт грунтовых вод с уровнем воды на глубине 4,5-5,2 м. Водоупором для данного горизонта служат юрские глины Мощность безнапорного водоносного

0 горизонта 23,5-25,0 м. Воды пресные, преимущественно гидрокарбонатн-о-сульфат- ные кальциево-магниевые. Сухой остаток составляет 160-185 мг/л. Температура воды на глубине 23-24 м около 7°С.

5 Устройство испытано в центральной скважине 7 ц опытного куста. Скважина оборудована сетчатым фильтром на колонне труб диаметром 127 мм. Фильтр длиной 2 м с отстойником 0,5 м установлен на глубине

0 21,35-23,35 м. Статический уровень воды в скважине находился на глубине 5,13 м При проведении ранее откачки из центральной скважины велись наблюдения за уровнем воды в двух наблюдательных скважинах

5 Среднее значение коэффициента фильтрации (К) отложений, определенного по данным кустовой откачки, равно 31 м/сут, а водопроводимость (КМ) - 72,3 м/сут.

Работы проводились в такой последовательности Вначале в скважину 11 на глубину 8 м был спущен датчик 12 уровня (датчик давления сильфонного типа, изготовлен в мастерских партии новой техники гидрогеологического управления Геоминвод), который с помощью кабеля 13 был подключен к вторичному прибору 14 - самописцу РП- 160. Затем на устье скважины 11 установлено приспособление с двумя блоками 6 и 10 под тросы 5 и 9 и, спущен под уровень воды на глубину 1 м снаряд 1. Снаряд 1 представ- ляет собой отрезок трубы диаметром 108 мм и длиной 1,5 м, прикрепленный в верхней части к тросу 9 и оборудованный снизу тарельчатым клапаном 2 с утяжелителем 3. Дополнительный трос 5 был прикреплен к клапану 2.

В скважину снаряд спущен на тросе 9, прикрепленном к его верхней части, при полностью открытом клапане 2 и послабленном дополнительном тросе 5 прикреп- ленном к нему. После этого был натянут дополнительный трос 5, прикрепленный к клапану 2, последний прижался к седлу (трубе) 1, что позволило герметизировать нижний торец снаряда. Затем за этот же дополнительный трос 5 снаряд был быстро поднят на высоту 1,5 м над статическим уровнем 15 и закреплен. В результате быстрого подъема снаряда 1 и изъятия воды из ствола скважины уровень ее понизился 16 до глубины 6,19 м, т.е. на 1,06 м и начался процесс восстановления уровня, что было зафиксировано на диаграммной ленте самописца 14.

После того, как уровень воды в стволе скважины восстановился до глубины 5,18 м от устья скважины, т.е. недовосстановление до статического составило менее 5% от возмущения, снаряд был перезакреплен за трос 9, прикрепленный к его верхней части, а дополнительный к открытию клапана и мгновенному опорожнению снаряда, т.е. наливу воды в скважину и, естественно, к началу процесса восстановления уровня, что также зафиксировано на диаграммной ленте самописца 14. При этом, уровень воды в стволе скважины 17 после мгновенного налива находился на глубине 4,18 м.

По данным кривых восстановления уровня воды в скважине после его возмуще- ния предложенным устройством, используя

метод эталонных кривых (см. 1, с. 10-14), определены значения величины коэффициента водопроводимости равные 70,1 и 61,3 м2/сутки. При этом, среднее арифметическое значение коэффициента водцпроводи- мости пород исследуемого водоносного горизонта, полученное при понижении и повышении уровня равно 67,7 м2/сутки. Таким образом, величина коэффициента водопроводимости, определенная с помощью предлагаемого устройства сдвоенным опытом, равна 67,7 м2/сутки, в то время как по данным кустовой откачки, проведенной здесь ранее, с использованием в качестве центральной, скважины 7ц, эта величина составляет 72,3 м2/сутки.

Сопоставление результатов определения с помощью предлагаемого устройства и воспроизведенных данных для прототипа, с наиболее достоверными результатами, полученными по кустовой откачке, показывают, что ошибка в определении величины коэффициента водопроводимости составляет соответственно для предлагаемого устройства 5,6 м /сут или 8%, а для прототипа - 36,7 м2/сут или 51%.

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность определяемых параметров на 10-50% за счет наиболее точного соответствия условий проведения исследований с условиями постановки и решения математической задачи, описывающей данный процесс.

Формула изобретения

Устройство для определения фильтрационных свойств горных пород, содержащее спускаемые в скважину на тросе снаряд и датчик уровня, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения фильтрационных свойств, оно снабжено тарельчатым клапаном, утяжелителем и дополнительным тросом,причем снаряд выполнен в виде полого цилиндра, тарельчатый клапан прикреплен с возможностью вращения к нижней части полого цилиндра, утяжелитель установлен на тарельчатом клапане диаметрально противоположно по отношению к оси его вращения, а дополнительный трос прикреплен к тарельчатому клапану.

Ю 6

11