Способ определения расстояния между выработкой и скважиной Советский патент 1992 года по МПК G01B7/14 G01V3/08 

Изобретение относится к измерениям, характеризующимся использованием электрических или магнитных средств, и предназначено для точного определения расстояния между необсаженными частями ствола скважины и точкой горной выработки (может быть тоже скважины), преимущественно при бурении двух параллельных скважин с целью контроля мощности подземного взрыва при испытании взрывных устройств.

Расстояние между стволами скважин на глубине обычно определяется с помощью известного способа скважинной инклино- метрии.

Он заключается в измерении пространственной ориентировки сравнительно коротких отрезков стволов скважин с

последующим вычислением пространственных координат точек стволов скважин путем интегрирования отрезков. Расстояние между стволами скважин на заданной глубине вычисляют по разности координат точек стволов скважин.

Недостатком этого способа является большая величина погрешности .рпределе- ния расстояния. Основным источником погрешности является неизбежная систематическая погрешность измерения ориентировки отрезков стволов скважин. При интегрировании эта погрешность накапливается и приводит к погрешности определения расстояния между скважинами, делающей инклинометрию неприемлемой для решения поставленной технической задачи. С помощью инклинометрии можно

V4 4

«N

СП СО

лишь предварительно оценить расстояние между скважинами, в частности, оценить максимальное расстояние между точками стволов скважин на задаваемых глубинах.

Наиболее близким техническим решением является способ и устройство для определения направления и расстояния до обсаженной скважины-мишени. Способ основан на изучении аномального магнитного поля, возникающего в стальных трубах скважины-мишени (объекте с повышенной магнитной проницаемостью) в присутствии источника переменного магнитного поля. Источником поля служит соленоид, намотанный на ферромагнитный сердечник; ори- ентированный вдоль оси скважины. Через соленоид пропускается переменный электрический ток. Ниже соленоида в той же скважине располагается трехкомпонент- ный датчик магнитного поля. Для измерений используется фазочувствительная схема.

К недостаткам способа следует отнести невозможность определения расстояния до необсаженных скважин и низкая, не более первых метров дальность способа, что не позволяет использовать его для решения вышеуказанных задач.

Целью изобретения является повышение точности способа определения расстояния между точкой выработки и сквах иной,

Суть технического решения может быть пояснена следующим образом. Известно, что в немагнитной среде магнитная проницаемость fi ц о (с удельной электропроводностью о комплексная векторная величина переменного магнитного поля В магнитного диполя, вектор М магнитного момента которого направлен по оси сферической системы координат, измеренная в точке с координатами R (радиус - вектор) и (полярный угол), определяется выражением

§ B0 + Re A B + lm А В, (1)

где I - мнимая единица;

Во - магнитное поле источника в непроводящей среде;

Re А 15 и Im Д В - соответственно активная и реактивная величина магнитного поля вихревых токов в проводящей среде.

Разложение величины магнитного поля в ряд по степеням R/ д « 1 дает следую- щие выражения активной и реактивной частей магнитного поля вихревых токов;

cr ()-1 2(2) .

и1 М , R

ReAB(-)3-f(0)+ ... (2)

lmABVIM

((.. ГО

где f (в ) - векторная функция, зависящая только от полярного угла 0 . При « 1 модуль активной величины I A ReBl суммарного поля намного больше модуля I Re§J активной величины поля вихревых токов, т.е.

(ReB I - J. Во + Re ДВ I l B0f (1 +

I Re А В I is- I + а-ГБ51-„jBoj,

(4)

15

20 где величина а определяется углом между векторами Но и Re В, причем очевидно

а 1.

(5)

25 Модуль I ReB | магнитного поля ди- польного источника определяется выражением

IReBl Дг I F(0)l . 30FT

(6)

F (0) - функция только полярного угла . Расстояние Между точкой измерения и источником (т.е. искомое расстояние между двумя точками исследуемых соседних скважин) получается из (6)

М

ReB I

F(0).

. (7)

Подставим (4) в (6) и, применив формулу бинома Ньютона, получим

Г

М IF(0)1

L,B0|(1+E1

5

1/3

RO + AR,

(8)

где RO - расстояние, соответствующее непроводящей среде ( о 0),

I Л R I - абсолютная величина погрешности определения расстояния за счет влияния электропроводности среды

Re А В

(9)

По условию поставленной задачи величина относительной погрешности определения расстояния за счет влияния электропроводности не должно превышать заранее заданную величину ет.е,

Измеренное суммарное поле от обоих источников равно

1

4я

(

2 М2

)-(1б)

Использование: для точного определения расстояния между необсаженными частями ствола скважины и заданной точкой горной выработки. Сущность изобретения: в точку выработки помещают первый магнитный диполь и дипольный приемник, перемещаемый по стволу скважины, определяют точку, в которой наблюдается максимум вектора магнитной индукции. Затем в эту точку помещают дипольный приемник, а на расстоянии L от него - второй магнитный диполь, питаемый переменным током от того же генераторного устройства, что и первый магнитный диполь, изменяют соотношение токов И и г в магнитных диполях и расстояние L до тех пор, пока осевая компонента вектора магнитной индукции не станет равной нулю, и определяют искомое расстояние г по формуле г ЦН/212) . с/ с

AR

R

е

С учетом (9) условие (10) означает

Re А В I ReҐT

3 е

(11)

Согласно (3) и (4)

BI

R

Т

|tm А в|.

(12)

Подставив (12) в (11), видим, что условие (10) эквивалентно условию:

ЦгпДВ I ReAB Jt R

Согласно предлагаемому способу снижают частоту поля (т.е. увеличивают величину д } до тех пор, пока условие (13) будет удовлетворено. Этим автоматически удовлетворяется и поставленное в задаче условие (10), ограничивающее максимально приемлемую погрешность измерений расстояния, вызванную электропроводностью пород.

Таким образом, при выполнении условия (13) обеспечивается в пределах заданной точности квазистатический характер поля, когда величина поля практически не зависит от электропроводности поля и определяется лишь взаимным просгранствен- ным расположением источника и приемника поля.

При выполнении условия (13) значение осевой компоненты в точке скважины, где наблюдается максимум вектора магнитной индукции поля, созданной первым магнитным дипольным источником, может быть записано

4 Я Г1

(14)

где М1 - магнитный момент первого диполь- ного магнитного источника. Второй диполь- ный источник с магнитным моментом М2, расположенным на расстоянии L, создает в точке приема поле Вг величиной

В2

М2

2c7rLJ

(15)

10

Отношение модулей магнитным моментом Mi/M2 при одинаковой конструкции ди- польных источников равно отношению сил токов d и ч, их возбуждающих

М2 12

(17)

15

Изменяя силу тока в одном из источников, можно подобрать такое отношение H/lj, при котором В 0. Тогда из (6) и (7) получим

20

г-1 I 1 Ч1/3

г-И27) .«

(18)

25

30

35

40

45

50

55

Вместо изменения тока в одном из источников можно подобрать расстояние L и также добиться компенсации (В 0) однако этот вариант технически менее удобен

Предлагаемый компенсационный способ измерения позволяет не предъявлять жестких требований к измерителю комплексной амплитуды вектора магнитного поля, являющемуся наиболее сложной частью аппаратуры, и отводит ему роль индикатора качественного изменения измеряемой величины - перехода через нуль величины осевой компоненты активной части поля. Само же расстояние между скважинами определяется средствами измерения тока (h, (2) и расстояния (L).

Изложенный способ применим не только для определения расстояния между скважинами при контроле мощности подземных взрывов, но также для решения широкого класса других, в частности, геологоразведочных задач. Например, определение расстояния между скважиной и штольней

Предложенный способ реализуется практически с помощью серийно выпускаемых аппаратур АСМИ-40 и Синус, имеющими в своем составе набор магнитных источников и приемников поля, работающих на дискретных частотах от 125 Гц до 22000 Гц. Перед началом измерении оценивают по данным электрокаротажа максимальную проводимость горных пород о в районе измерений и по данным инклино- метрии максимально вс можное расстояние между скважинами,

В одном из районов удельное сопротивление горных пород колеблется от 25 до 10 Ом.м. По данным инклинометрии скважин

расстояние между первой и второй скважи- ными не превышает 15 м, При требуемой двухпроцентной точности измерений расстояния для частоты f 125 Гц величина

ЕЕГ-,.,,™

15ll2M2S-«40-7 lV

При практических измерениях на частоте

125 Гц отношение L™ Q 0,02 и т.о. I ке в I

условие (13) оказывается выполненным.

Для определения точного расстояния между точками скважин на глубине 600 м первый источник опускается на глубину 600 м в одну из скважин, а в другую скважину опускается зонд ДЭМПС (дипольного электромагнитного профилирования скважин- ного), имеющий в своем составе осевую приемную антенну и второй магнитный ди- польный источник, расположенный на расстоянии 25 м выше приемной антенны.

Через первый источник пропускается переменный ток, а в стволе второй скважины приемник перемещают и проводят измерения активной компоненты индукций магнитного поля, находят точку, где наблюдается максимум этой компоненты и устанавливают в этой точке приемник поля, После того, как приемник установлен, ток пропускают через первый и второй источники, причем первый источник подсоединяется к генератору низкой частоты через переменное сопротивление, а второй непосредственно. Изменяя ток в первом источнике добиваются нулевых значений активной компоненты индукции магнитного поля, фиксируя токи с помощью амперметра в первом и втором источниках. Точное расстояние находят по формуле (18)

1/3.

r-Lf - )1/3 25(л 25 ) г Ц 2 ,2 ) 100

Формула изобретения

12,5(м).

Способ определения расстояния между выработкой и скважиной, в которой помещают в точку выработки первый дипольный источник, питаемый переменным током с частотой со от генераторного устройства, магнитным моментом, параллельным оси

скважины, измеряют дипольным приемником компоненты комплексной амплитуды вектора магнитной индукции относительно фазы тока в дипольном источнике и по результатам измерений судят о расстоянии между выработкой и скважиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, дополнительно проводят инклинометрию и каротаж скважины, по результатам которых определяют соответственно максимальное расстояние R между точкой выработки и скважиной в интервале выполняемых в ней измерений и максимальное значение электропроводности а пород между выработкой и скважиной, дипольный приемник располагают в точке скважины, где наблюдают максимум вектора магнитной индукции от первого дипольного источника, дополнительно

располагают второй дипольный источник, идентичный первому с магнитным моментом, параллельным оси скважины, и питаемый переменным током от того же генераторного устройства, что и первый дипольный источник, в одной скважине с дипольным приемником на расстоянии L от него, изменяют соотношение токов h и 2 соответственно в первом и втором диполь- ных источниках и расстояние L до равенства

нулю осевой компоненты вектора магнитной индукции и определяют искомое расстояние г по формуле

35

при этом измерение проводят по частоте (О , выбираемой из соотношения

40 И § I ЧР РеВГ 3е

)172

R

где I ImB I - модуль реактивной компоненты комплексной амплитуды вектора магнитной индукции;

I ReB I - модуль активной компоненты комплексной амплитуды вектора магнитной индукции;

ju - магнитная проницаемость горных пород;

Б - заданная относительная погрешность определения расстояния.