УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯСКВАЖИН Советский патент 1971 года по МПК E21B47/00 E21B47/12 G01V7/04 

Изобретение относится к геолого-разведочной скважинной аппаратуре, применяющейся для исследования недр Земли, и может быть использовано при поисковых работах с твердыми и жидкими полезными ископаемыми, при инженерно-геологических и гидрогеологических изысканиях и нефтепромысловых работах в условиях эксплуатации нефтяных скважин, а также при аварийно-ликвидационных и ремонтных скважинных работах. В настоящее время для визуального исследования скважины применяются скважинные фотоаппараты типа ФАС-1, ФАС-2, представляющие собой герметичный снаряд, на боковой стороне которого помещается смотровое окно диаметром 6 см. В корпусе снаряда установлены импульсный осветитель, фотообъектив и лентопротяжный механизм. Более сложными по конструкции и уелоВИЯМ эксплуатации являются фототелевизионная (ФТСУ) и кинотелевизионная (КТСУ) скважинные установки. Подземная часть установок также помещена в герметичный снаряд. Построена она на транзисторах и содержит приемную и передающую телевизионные трубки, систему освещения и систему проекции изображения на мишень передающей трубки, а также на фото- и кинопленку. Фотоаппараты типа ФАС имеют следующие недостатки: а) они могут работать только в чистой, прозрачной среде, что исключает их повсеместное применение, так как скважины заполнены обычно глинистым раствором; б) степень изученности ствола скважины ограничена малым диаметром смотрового окна (6 см) и односторонним фотографированием; в) невозможность определять экспозицию и наводку на резкость во время фотографирования в зависимости от особенностей объекта и, как следствие, больщой процент брака негативов; после обнаружения брака в работе повторные снимки одного и того же объекта исключены; дJ полученные фотографии пород, обнаженных в стволе сквал :ины, с трудом поддаются достоверному дешифрированию для определения емкостных и фильтрационных свойств пород, так как каверны, трещины и другие полости, заполненные различными по составу веществами, на черно-белой фотографии выглядят одинаково; е) микроэлементы объектов не могут быть диагностированы, так как фотосъемка производится при одном и том же оптимальном увеличении. Кино- и фототелевизионные скважинные установки сложны, что удорожает стоимость прибора. Применение телевизионных трубок, с которыми нужно бережно обращаться, ча3СТО является причиной выхода из строя аппаратуры во время спуска прибора в скважину или в процессе работы, так как лри этом неизбежны удары по корпусу обломков, кусков обвалившихся пород (валунов). Отсутствие термоизоляции корпуса скважинного прибора и работа его в условиях высоких температур (на больших глубинах) сказывается на качестве изображения, снимаемого на пленку. Необходимость использования мощных источ- 1 НИКОВ электроэнергии и специальных средств транспорта осложняет передвижение по гористой или заболоченной местности и ограничивает применение установок в условиях полевых геологических экспедиций. Отсутствие 1 масштаба изображения создает ложное представление о действительных размерах объекта исследования. Цель изобретения состоит в упрощении конструкции и условий ее эксплуатации, дости- 2 жении ее портативности, повышении эффективности поисково-разведочных работ с твердыми и жидкими полезными ископаемыми, снижении себестоимости прибора и эксплуатационных расходов; исследовании и фото- 2 графировании объектов не только в прозрачных, но и в мутных средах при различных увеличениях при известном масштабе изображения; фиксации объектов на поверхности, без спуска с фотокамерой в скважину; полу- 3 чении естественного цветного, непрерывного и панорамного изображения не только от обычного электрического, но и от ультрафиолетового источника света. Это позволит сделать качественную оценку полезных ископаемых и 3 вещественного состава горных пород. Предложенное устройство отличается тем, что каротажный кабель выполнен в виде световода, которого состоят из нескольких сотен нитей оптического стекловолокна с высоким показателем преломления и светоизолирующей оболочки с низким показателем преломления. Световые лучи, несущие изображение и спроецированные на входной торец такой жилы, за счет многократного полного внутреннего отражения на границе раздела стекловолокно-оболочка, передаются к противоположному, выходному торцу. Несколько сотен стеклянных волокон, собранных в плотный пучок, жилу, воспринимают и передают не один луч, а целое изображение. Четкость этого изображения зависит от числа волокон (чем больше волокон, тем выше качество получаемого изображения). Оптимальный диаметр световедущего пучка стекловолоконных нитей не превышает 8- 10 мм. Другим, не менее важным, свойством световодов из стекловолокна является их чрезвычайная гибкость: их можно изгибать под любым углом, наматывать на барабан лебедки, завязывать в узлы. Несмотря на это по309122 ,«,.. : 4 ,ц «, ,:...Д,, Способность гибкого оптического волокна передавать изображение из одного конца в другой без искажения (фоконы и анаморфоты в этом случае не используются) позволяет 5применять на входном торце объектив, а на выходном - сменные окуляры с различным увеличением и масштабной сеткой, Определение положения объектов наблюдения относительно стран света достигается с 0помощью вложенных одно в другое колец, кругового реохорда, гироскопа и ползунка к.урсоуказателя. Применение источника ультрафиолетового света, так называемой «холодной ртутно5кварцевой лампы, наряду с обычной электрической обеспечивает наблюдение за люминесценцией объектов, что позволяет диагностировать минеральные скопления. Для получения изображения объектов в 0мутной среде используется система промывки и насадка искусственной видимости, наполненная дистиллированной водой или сжатым воздухом и вытесняющая мутную среду между обектом и смотровым окном, 5На фиг. 1 схематически изображен скважинный прибор; на фиг. 2 - датчик азимута, узел А; на фиг. 3 - скважинный прибор с насадкой искусственной видимости; на фиг. 4 - наземный блок с концевым соединением све0товода; на фиг. 5 - поворотный диск с окулярами, вид по стрелке Б. Устройство состоит из наземного блока и скважинного прибора. Скважинный прибор представляет собой герметический снаряд 5диаметром от 0,08 до 0,10 лг и длиною 1 м. Для кругового обзора в нилсней части прибора вставлено и герметично соединено с корпусом круговое смотровое окно / из небьющегося оргстекла высотой 0,10 м. Шесть 40объективов 2, соединенных с основным пучком световода и установленных через 60° вдоль смотрового окна, обеспечивают круговое обозрение. Освещает объекты электричеекая лампочка 5, установленная на панели 4. 45С лампочкой 3 параллельно соединена лампочка 5, служащая для освещения торцовой части прибора через смотровое окно 6, в которое вставлен объектив 7. Таким образом, в нижней части прибора размещено семь объ50ективов, от которых изображения передаются по семи пучкам оптического стекловолокна, Пучки соединены в жгут и являются жилами каротажного кабеля 8, который выполняет роль световода. В приборе пучки расходятся 55к объективам через распределительную панель 9. Для наблюдений в ультрафиолетовом свете над круговым окном / в корпус прибора герметически вмонтированы защищенные не60люминесцирующим оргстеклом шесть светофильтров Вуда 10 размером 2,5X4X0,3 см. Светофильтры установлены через 60° по окружности корпуса. Против каждого свето5ективами 2 общей линией световода, что позволяет вести наблюдения за люминесценцией объектов, при этом исключается одновременная передача изображения от обычного источника света по этому же каналу, так как5 люминесцентное свечение можно наблюдать только в темноте. Источником ульхрафиолетового излучения служит так называемая «холодная ртутно-кварцевая лампа 12, установленная на панели 13.10 Устройство, показанное на фиг. 1, предказначено для работы в прозрачной среде, однако во избежание загрязнения смотровых окон или для очищения среды и объектов из корпуса прибора с четырех сторон выведено15 по три штуцера, через которые подается промывочная жидкость, например чистая вода. На щтуцерах 14, расположенных по обеим сторонам смотровых окон, имеются отражатели, направляющие промывочную жидкость20 вдоль стекла, в то время как штуцер 15 обеспечивает концентрированное поступление струи жидкости на объект наблюдения. Жидкость может подаваться через сальник (установленный на валу лебедки) во время спуска25 снаряда в скважину. Шланг из вакуумной резины проложен внутри кабеля 8. Система определения азимутальной ориептировки объектов наблюдения (датчик азимута) расположена в верхней части корпуса и рассчитана на проведение измерений при остановках прибора. Система построения по принципу гироскопа. Основными узлами ее являются гироскоп 16, круговой реохорд /7 и два вложенных одно в другое кольца 18, 19.35 Ротор гироскопа вращается со скоростью 20000 об/мин вокруг оси 20. Корпус гироскопа жестко укреплен на оси 21, которая жестко соединена с реохордом. Таким образом, вращение корпуса гироскопа вокруг оси 2140 возможно только при вращении реохорда. На кольце 18 перпендикулярно его плоскости жестко закреплена прямоугольная рамка 22. Полуоси колец 18, 19 установлены на шарикоподшипниках. По реохорду перемещается45 скользящий контакт - ползунок курсоуказателя 23, соединенный при помощи телескопического шарнира 24 с точкой па стенке корпуса прибора. Эта точка лежит в плоскости, проходяшей через одно из смотровых окон50 на боковой стороне прибора и его большую ось, Азимутальное изменение положения окна будет синхронно соответствовать изменению положения выбранной точки закрепления кон-55 ца курсоуказателя. Угол поворота ползуна кypcoVкaзaтeля фиксируется разностью потенциалов, снятой на скользящем контакте и соответствующей конкретному азимуту. На верхнем конце оси 21 прикреплен кол-60 лектор с двумя щетками 25, через которые подается питание ротору гироскопа, а ось 21 установлена на шарикоподшипниках 26. На нижнем конце оси 21 имеется коллектор 27 с тремя контактными кольцами, с двумя из ко-65 6 торых соединены выводы кругового реохорда, через которые подается напряжение питания, а третье является токосъемным и соединено с ползунком курсоуказателя. Для центрированкого расположения прибора в скважине с четырех сторон его корпуса установлены рессоры 28. Скважинный прибор, предназначенный для проведения наблюдений в мутной среде (см. фиг. 2), снабжен насадкой искусственной видимости и тремя смотровыми окнами, два из которых, 29 и 30, установлены сбоку, а третье 31 - на торцовой стороне корпуса. Окно 29 оборудовано светофильтром Вуда для пропускания ультрафиолетовых лучей. Все остальные детали и принцип работы такие же, как в скважинном приборе, показанном на фиг. 1. Насадка искусственной видимости представляет собой цилиндрический сосуд 32 из небьющегося оргстекла высотой 25-30 см. Диаметр насадки может быть различным в зависимости от диаметра скважины, но не менее 85 мм. Наполнение насадки дистиллированной воДой и герметичное соединение ее с корпусом с помощью хомута 33 производится на поверхностн. Поскольку хранить и транспортировать дистиллированную воду неудобно, насадку можно наполнять воздухом под давлением для компенсации внешнего гидростатического давления при работе на больших глубинах. С целью придания корпусу прибора нейтральной плавучести в этом случае снаряд утяжеляют свинцовыми балластом. Для более полного вытеснения мутной среды в пределах объекта исследования сторона насадки, на которую выходят смотровые окна 29, 30, прижимается к стенке скважины при помощи рессоры 34. Во избежание перекоса прибора в одной плоскости с окнами установлена пружина 35. укрепленная на корпусе 36 прибора. Наземный блок устройства состоит из ручной лебедки, источников электроэнергии, пульта управления и видеоэкрана. На центральпом валу лебедки установлена сальниковая система для подачи промывочной жидкости во время спуска и при остановках сквал инного прибора. Кроме того, здесь же располагаются контактные кольца, через которые передается питание электродвигателю гироскопа, реохорду и источникам обычного и ультрафиолетового света, а также принимаются снимаемые с реохорда разности потенциалов. На пульте смонтированы система дистанционного управления и потенциометр, Видеоэкран представляет собой жесткую конструкцию из пластмассы и металла, содержащую камеру 37, смотровой экран 35 и поворотный диск 39 с окулярами. Для получения резкого изображения на матовом стекле экрана в камере имеется фокусировочное кольцо 40. Ось поворотного диска 39 смещена относительно оси тубуса 41 камеры, бла7годаря чему каждый из окуляров, расположенных определенным образом на диске, при повороте последнего устанавливается против соответствующего пучка световода, передаюЩего изображение от смотрового окна (тор-5 цового или одного из боковых). Поворотные диски имеют окуляры различных увеличений, благодаря которым на экране можно получить различную детальность изображения. Для фиксации изображения на фото- иЮ кинопленку видеоэкран снабжен кареткой 42, к которой крепится фото- или кинокамера. Соединение видеоэкрана с кабелем, который является световодом и состоит из нитей оптического стекловолокна, обеспечивается соеди-15 нительной муфтой 43. Концы нитей плотно стыкуются за счет прищлифованных поверхностей торцов, при этом важно соблюдать необходимое соответствие при стыковке, чтобы нить, несущая изо-20 бражение со стороны торцового окна скважинного прибора, соответствовала каналу, подающему изображение на экран. Для определения масштаба объекта наблюдения все окуляры снабжены щкалой в виде сетки 44.25 Скважинный прибор и видеоэкран соединяют с кабелем, установленным на ручной лебедке. Против одного из окон скважинного прибора помещают объект-щкалу с известной ценой делений, например линейку длиною30 1 см, на которой нанесено 100 делений через 0,1 мм. Затем настраивают экран на резкость фокусировочным кольцом 40, поворотным диском 39 устанавливают соответствующий окуляр с сеткой против нити световода, переда-35 ющей изображение, и совмещают начала объект-щкалы и щкалы окуляра, соблюдая параллельность штрихов. Далее смотрят, сколько делений объект-шкалы укладывается в выбранном количестве делений сетки окуляра.40 Цену деления сетки окуляра вычисляют по формуле: 2. f где Z-число делений объект-шкалы, Т - цена делений объект-шкалы, С - число делений сетки окуляра. На этом заканчивается подготовительная работа с целью определения истинных разме- 50 ров объектов, наблюдаемых в скважине. Затем производят запуск системы азимутальной ориентировки. Для этого конец оси ротора гироскопа, совмещенный с направлением 0-180° лимба реохорда, ориентируют по ое- 55 верному концу стрелки компаса, и после этоГО сообщают вращение ротору (по извлече45и нии прибора из скважины производят контрольную проверку ориентировки), После подготовки включают освещение, промывку и спускают прибор в скважину. Во время спуска прибора соединительная муфта 43 находится в ослабленном состоянии. Необходимую глубину спуска прибора фиксируют по отметкам на кабеле. При остановке прибора и проведения наблюдений проверяют соответствие нитей световода в месте соединительной муфты 33, которую после этого затягивают. Фокусировочным кольцом 40 объект наводят на резкость и производят необходимые измерения, наблюдения, а также фиксацию на фото- или кинопленку, -, ,. Предмет изобретения 1. Устройство для визуального исследования скважин, содержащее скважинный прибор с блоком освещения, смотровым окном, системой объективов и датчиком азимута ч наземный блок с фото-киноприставкой, связанные каротажным кабелем, отличающееся тем, что, с целью увеличения разрещающей способности и повыщения эффективности исследования, каротажный кабель выполнен в виде световода, жилы которого состоят из нитей оптического стекловолокна с высоким показателем преломления и светоизолирующей оболочки с низким показателем преломления и связаны с объективами скважинного прибора, а наземный блок имеет камеру, поворотный диск со сменными окулярами и масштабной щкалой, фокусировочное кольцо и смотровой экран. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью панорамного обозрения стенок скважины, а также объектов, расположенных ниже места положения скважинного прибора, скважинный прибор имеет круговое смотрозое окно, вдоль которого размещены объективы, и дополнительное смотровое окно с объективом в нижней торцовой части прибора. 3. Устройство по пп. 1, 2, отличающееся тем, что, с целью наблюдения люминисценции, в скважинном приборе установлены источннк ультрафиолетового излучения и светофильтры, пропускающие только ультрафиолетовые лучи. 4. Устройство по пп. 1, 2, 3, отличающееся тем, что, с целью исследования объектов в мутных средах, скважинный прибор заключен в насадку искусственной видимости и снабжен распределительной панелью, обеспечивающей промывку каждого участка смотрового окна скважинного прибора.

13

J6

Узел А

.0 с