Инструмент для оценки in-situ качества грунтового водоносного пласта и расхода

Изобретение относится к оценке водоносных пластов, предназначенной для использования в сельском хозяйстве, в частности к устройствам и способам, используемым для измерения in-situ качественных и количественных значений, требуемых для определения того, является ли пласт подходящим для сельского хозяйства. Инструмент содержит корпус для электронных и электрических устройств управления, корпус для гидравлического средства, управляемого электрическими и электронными устройствами инструмента, испытательное тело, состоящее из разнообразных гидравлических схем для управления различными рабочими клапанами инструмента, причем упомянутое испытательное тело дополнительно содержит задний башмак на продольной оси инструмента, причем упомянутый задний башмак одновременно управляется двумя телескопическими поршнями, появляющимися изнутри инструмента при сигнализации наземным оборудованием, функционально имеющим возможность это выполнить, и передний башмак, управляемый несколькими поршнями. При этом поршни, размещенные ниже переднего башмака, перемещаются одним или несколькими электропневматическими устройствами, действующими совместно и создающими поступательное прямое или обратное перемещение переднего башмака, и причем тело переднего башмака имеет цилиндрическое отверстие, которое, в свою очередь, содержит зондовый стакан или цилиндр и зондовый поршень, причем цилиндрическое отверстие в теле переднего башмака образует камеру, выпуск которой является началом трубопроводной линии, которая проходит вдоль инструмента, причем трубопроводная линия имеет один или несколько ветвей, соединяющих ее с различными измерительными устройствами и резервуарами хранения проб, камерой предварительных испытаний, откачивающим насосом или гидростатическим столбом скважины, при этом трубопроводная линия предоставляется, по меньшей мере, в одной или нескольких ветвях, с датчиками давления, температуры, проводимости, pH фактора, содержания кальция, содержания натрия, содержания магния и датчиками содержания калия. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к оценке водоносных пластов, предназначенной для использования в сельском хозяйстве, в частности к устройствам и способам, используемым для измерения in-situ качественных и количественных значений, требуемых для определения того, является ли пласт подходящим для сельского хозяйства.

Уровень техники

Охота, рыболовство, сельское хозяйство и различные формы приручения природы были значимы для развития человеческого сообщества.

Древние технологии сельского хозяйства существенно влияли на все цивилизации в их стремлении обеспечить пищей растущее население.

Сельскохозяйственные культуры и продукция на их основе претерпели в течение двадцатого столетия такие качественные и количественные скачкообразные изменения, каких никогда прежде не было, главным образом, в результате развития трех технологических областей:

1-биотехнологии

2-сельскохозяйственные методики

3-фитосанитарный контроль и удобрения

Первый этап относится к 1920-м, когда первые гибридные материалы были получены в зерновых культурах кукурузы путем скрещивания сортов чистых линий, что привело к экспоненциальному росту урожая.

Это стало началом глобального исследования и производства гибридных зерновых культур. За культивированием кукурузы последовало культивирование других сельскохозяйственных культур, к которым применялись новые технологии.

Второй этап наступил только после более чем полувековых научных исследований и развития, после обширных испытаний и ошибок в экспериментах. В 1980-х стало возможным идентифицировать с генами растений определенные признаки растений, которые оказывают влияние не только на урожай, но также на их качество

Однако в этой сфере имеется определенный фактор, который не изменяется в процессе технического развития, поскольку он относится к одному из существенных элементов цепочки этого производства - "вода".

С самого своего начала индустрия идиоплазмы инвестировала миллионы долларов в продукции гибридных зерен и сортов, которые стали основой для будущих зерновых. Изготовленная из них продукция стала продаваться небольшим сообществом международных компаний, исторически известных как пять сестер (Cargil, Dreyfus, Bunge, Continental, и швейцарская группа Andre), и именно они контролируют бизнес, связанный с сельскохозяйственными культурами в 20-м столетии.

Великие державы мира стали осознавать свое могущество только во время советского вторжения в Афганистан.

В решающий момент процесса сельскохозяйственного производства, о котором идет речь, для достижения установленных объемов продаж производители должны просить "Мать-Природу" не подвести - "должен идти дождь".

Это - "одна" из причин, почему только пять регионов на планете обеспечивают 99% мировой пищевой продукции.

В 1970-ых, в технологическом оснащении производства продуктов питания для преодоления непредвиденных обстоятельств, стали использовать механические системы ирригации, цель которых была и есть в том, чтобы избежать угрозы нехватки воды в критический момент развития растения.

За прошедшие 40 лет технологические усовершенствования в значительной степени устранили этот риск. Сегодня нет производства зерна в индустрии идиоплазмы, которое бы не имело высоко механизированную ирригационную систему как часть технологического процесса, чтобы дать конечному продукту необходимый для роста растения объем воды.

Однако, несмотря на такое развитие, системы идентификации водоносного пласта, которые оценивают качество и количество воды, так же как привлекаемые механизмы сбора, не подвергались значительным изменениям.

В настоящей ситуации необходимо найти поливную воду, характеристики которой определяют ее как подходящую для намеченного ее использования, и это не только занимает время но также предполагает иногда и чрезмерные затраты, которые влияют на маркетинговую ценность продуктов. Возможность оценки априорного качества водоносных слоев и расхода и, таким образом, сокращения затрат на бурение, рассматривается как альтернатива.

Несмотря на технологические усовершенствования, сегодня все еще используется старый способ проб и ошибок. Упомянутый способ состоит в бурении скважин, пока соответствующий потребностям пласт грунтовой воды не будет найден, и в случае, если качество найденной воды оказывается не соответствующим, необходимо решить, рисковать ли и продолжать бурение (увеличение затрат), пока более глубокий пласт грунтовой воды не будет найден, или начинать бурить новую скважину в другом месте.

Относительно рисков в связи с самой скважиной, также очевидно, что стоимость бурения прямо связана с глубиной скважины, поскольку это предполагает аренду оборудования бурения и различные выполняемые маневры для гарантии успешного достижения желаемой глубины и, в случае преодоления всех этих проблем, все же остается потребность исследовать, имеет ли вода, найденная в слое грунтовой воды, соответствующие признаки для ирригации сельскохозяйственных культур, есть ли это фонтанирующая скважина, должна ли она быть откачана для извлечения, и стоит ли вложений введение трубопроводного канала в скважину.

Для определения качества воды, необходим инструмент для сбора проб на глубине скважины и, таким образом, сбора данных о присутствующей в формации воде.

История этого типа инструментальных средств началась в середине двадцатого столетия как альтернативный вариант измерения давления формации, оценивая проницаемость производительного слоя, его температуру и возможность подъема на поверхность пробы флюида формации. Инструмент вводится в скважину посредством стального троса и электрических проводников; в нефтяном производстве этот способ обозначается как проводная каротажная линия.

Первыми инструментальными средствами управляли, устанавливая их на определенной глубине внутри скважины и после нажима испытательного башмака или затвора в формации, в формации подрывался взрывчатый заряд для открытия каналов потока в упомянутой формации залежи и заполнения инструментальных камер хранения проб. Эти камеры сообщались с формацией посредством внутреннего трубопроводного канала инструмента, известного как трубопроводная линия, и этот трубопроводный канал и камера хранения находились при атмосферном давлении при начале испытания.

Новый инструмент появился в 1975г. и использовался способ, подобный предыдущему, но был технологически улучшенным, имея конструкцию, позволяющую собирать пробы повторяющимся образом в одном слое, или в различных слоях, вдоль скважины. Помимо этого, инструмент мог забрать только один пробу, и она должна была быть поднята на поверхность для восстановления перед забором другой пробы. В свою очередь, этот новый инструмент создал концепцию камеры предварительных испытаний, которая позволила собирать из формации малое количество флюида, регистрируя значения давления с момента времени, когда камера предварительных испытаний была открыта, и форма кривой, как показано на Фиг.6A и B, 7A и B, и 8A и B, где можно видеть первое падение давления и последующее увеличение, пока не достигается устойчивое значение, таким образом, позволяет измерить фактическое давление формации. Это значение, анализ спада давления, когда камера предварительных испытаний открыта, и время подъема давления, пока давление в камере предварительного испытания не стабилизируется, позволяет предполагать и вычислять давление для флюида формации и также проницаемость выбранного слоя.

Первоначально этот инструмент имел единственную камеру предварительного испытания, и позже он состоял из двух камер, одна с измерением 2 см³ и другая - 5 см³, где та, что с большей емкостью, была открыта в соответствии с результатами первого испытания.

Впоследствии, к инструменту была добавлена камера предварительных испытаний с переменной емкостью, которая увеличивалась смещением поршня, расположенного в камере.

В настоящее время имеется различные инструментальные средства для того, чтобы собрать пробы для флюида формации, хотя упомянутые выше инструментальные средства также могут использоваться. Имеющиеся инструментальные средства могут не только быть введены в скважины посредством кабеля, но также и посредством бурильной колонки, когда речь идет о горизонтальных скважинах.

Кроме того, теперь значительно улучшилось качество датчиков давления и температуры. В прошлом, промышленность использовала тензометрические датчики, так же как и кварцевые датчики и, позже, использовались кристаллические кварцевые датчики. Тензометрические датчики имеют лучший динамический отклик, поскольку они достигают устойчивого значения измерения быстрее, чем кварцевые датчики, но они не столь точны при измерении, как последние, которые превосходят их по разрешающей способности и точности, но требуют длительного периода стабилизации, когда возникают внезапные скачки давления и температуры в скважине.

Они теперь заменяются кристаллическими кварцевыми датчиками, которые обеспечивают такой же динамический отклик, как и тензометрические датчики, и точность, подобную таковой для кварцевых датчиков.

Последние поколения инструментальных средств предоставляют существенные усовершенствования возможностей отбора проб, поскольку они собраны в соответствии с требованиями измерения и могут состоять из различных модулей, таких как:

- два передних башмака с уплотнением, располагаемые диаметрально противоположно для диаметральной оценки различия проницаемостей в пластах;

- передние башмаки в различных сечениях инструмента для вертикальной оценки подвижности флюидов в пределах пласта;

- секция с двумя заглушками, установленными для изоляции большого пласта и производства всасывания бурового раствора в этом пространстве скважины для измерения эволюции флюида формации;

- предоставления насоса, позволяющего откачивать флюид формации в скважине для очистки и подготовки его для отбора проб; и

- идентификации флюида, проходящего через него посредством измерения удельного сопротивления и анализа поглощения света в видимой и ближней инфракрасной области.

Для установления того, является ли вода из подземного пласта подходящей для использования в ирригации сельскохозяйственной культуры, предлагается инструмент, названный инструментом отбора грунтовых проб (HTMS), а также способ, который использует HTMS для измерения in situ свойств флюида формации и для оценки не только проницаемости песка водоносного пласта, и его потенциального расхода, но также и его давления, которое будет индикацией относительно типа используемого оборудования забора проб, его удельного сопротивления или его эквивалентной солености при данной температуре, его значения pH фактора, его содержания натрия и других катионов и анионов, его температуры, и т.д., предоставляя неоценимую информацию для принятия решений относительно следующих этапов работы, с дорогостоящим обсаживанием скважины и цементированием обсадной трубы для изолирования пластов грунтовой воды друг от друга и для избегания загрязнения хороших пластов грунтовой воды водой нежелательных пластов грунтовой воды.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение имеет своей целью инструмент для предоставления on-line информации относительно качества и расхода грунтовых водоносных слоев для получения незагрязненной воды для ирригации сельскохозяйственных культур, упомянутый инструмент, содержащий:

- корпус для электронных и электрических устройств управления HTMS,

- корпус для гидравлического средства, управляемого электрическими и электронными устройствами управления HTMS,

- испытательное тело, состоящее из разнообразных гидравлических схем для управления различными рабочими клапанами HTMS, причем упомянутое испытательное тело дополнительно содержит:

Задний башмак на продольной оси HTMS, причем упомянутый задний башмак одновременно управляется двумя телескопическими поршнями, появляющимися из HTMS, и

- передний башмак, управляемый несколькими поршнями, также телескопическими, размещенными ниже переднего башмака, не показанными на чертежах, перемещаемыми одним или несколькими электропневматическими устройствами, действующими совместно и создающими поступательное прямое или обратное перемещение переднего башмака.

Предпочтительно, к заднему башмаку могут быть добавлены два элемента для увеличения его диаметра фиксации в скважинах большого диаметра.

Кроме того, передний башмак содержит:

- сменную уплотнительную прокладку, которая прикреплена к структуре переднего башмака, причем упомянутая уплотнительная прокладка выбирается из разнообразных резиновых прокладок различной твердости, в соответствии с испытуемой формацией скважины, и причем упомянутые уплотнительные прокладки имеют тороидальную форму с вырезом в центральной окружности тороида.

В другом варианте реализации, тело переднего башмака содержит:

- зондовый стакан или цилиндр, расположенный в центре тороидальной уплотнительной прокладки, которая его защищает, причем упомянутый полый зондовый цилиндр внутренне сформирован рядом проточек в зондовом цилиндре, действующем как фильтр в зондовом цилиндре, причем в пределах упомянутого проточенного цилиндра перемещается зондовый поршень, находясь в расширенном положении всякий раз, когда уплотнительная прокладка входит в контакт с формацией, служа стопорной пробкой между формацией и внутренним участком HTMS.

Предпочтительно, тело переднего башмака имеет цилиндрическое отверстие, которое, в свою очередь, содержит зондовый стакан или цилиндр и зондовый поршень, причем это цилиндрическое отверстие в теле переднего башмака формирует камеру, выпуск которой есть начало трубопроводной линии, которая проходит вдоль HTMS.

Также предпочтительно, трубопроводная линия имеет одну или несколько ветвей, связанных с различными измерительными устройствами и с резервуарами хранения проб, с камерой предварительных испытаний или с откачивающим насосом или гидростатическим столбом скважины.

Также предпочтительно, трубопроводная линия, по меньшей мере, в одной или несколькими ветвях содержит датчики давления, температуры, проводимости, pH фактора, содержания Кальция, содержания Натрия, содержания Магния, и содержания Калия.

В частности, в одной из ее множественных ветвей, трубопроводная линия связана с впуском уравнивающего давление клапана, причем выпуск упомянутого уравнивающего клапана сообщается с гидростатическим столбом скважины.

Также, в частности в одной из нескольких ветвей, трубопроводная линия связана с впуском предкамерного клапана, выпуск которого соединен с камерой предварительных испытаний переменной емкости посредством поршня предварительного испытания в камере предварительного испытания.

Предпочтительно, камера предварительных испытаний содержит поршень предварительного испытания, функция которого заключается в регулировке объема камеры предварительных испытаний от 0 до 20 см³ на основании положения при ходе поршня, причем значением испытательного объема управляют от поверхности.

Также предпочтительно, по меньшей мере, одна или более из нескольких ветвей трубопроводной линии связана с впуском одного или нескольких клапанов резервуара, выпуски которых сообщаются с впусками резервуаров хранения проб.

HTMS дополнительно содержит откачивающий насос для откачки части пласта, заполняемого буровым раствором до выполнения измерения в пробе флюида формации.

Кроме того, в одной из его множественных ветвей, трубопроводная линия связана с впуском всасывающего клапана, выпуск которого соединен с впуском откачивающего насоса.

Аналогично, выпуск откачивающего насоса соединен с впуском уравнивающего клапана, связывая, когда уравнивающий клапан и всасывающий клапан открыты, испытуемую формацию с гидростатическим столбом скважины.

Другая цель настоящего изобретения заключается в предоставлении способа сбора и анализа in situ проб из ствола скважины для получения информации относительно незагрязненных водоносных слоев для ирригации сельскохозяйственных культур, используя описанный инструмент отбора грунтовых проб, причем упомянутый способ, состоит из следующих этапов:

A) присоединения инструмента отбора грунтовых проб (HTMS) к одному или нескольким устройствам сбора и оценки данных на поверхности, пригодным для приема и обработки значений нескольких грунтовых измерений и посылки команд от поверхности на HTMS посредством электрического кабеля или оптоволоконного кабеля, упомянутого кабеля, предоставляющего, в свою очередь механическую поддержку веса инструмента и самого кабеля в скважине;

B) введения HTMS в скважину при скорости от 9 до 15 метров в минуту, контролируя измерения давления и температуры гидростатического столба, когда инструмент перемещается вниз в отверстие в скважине, и контролируя, чтобы, когда упомянутое перемещение в глубину скважины прекращается, и температура, и давление гидростатического столба быстро стабилизировались;

C) позиционирования HTMS на уровне производящего флюид пласта, глубина которого была вычислена испытанием проб, собранных от формации во время бурения ствола скважины и/или измерена или получена другим средством;

D) механической установки HTMS на боковые стенки скважины; и

E) выпуска от одного до двух метров кабеля для контроля надлежащего закрепления HTMS, учитывая значение механического натяжения кабеля; и

F) определения характеристик исследуемого флюида формации.

Кроме того, технологический этап F) способа содержит:

a) механическую установку HTMS на боковую стенку скважины на расчетной глубине для прекращения флюидной связи между гидростатическим столбом и буровым раствором скважины систем измерения HTMS и анализируемого пласта формации;

b) электрическое и электронное управление гидравлическим механизмом предварительного испытания от наземного оборудования, которое приводит к следующим последовательным и автоматическим этапам:

i. введения зондового стакана или цилиндра и зондового фильтра в формацию,

ii. закрытия уравнивающего клапана,

iii. втягивания поршня в зондовый стакан или цилиндр, позволяя флюидную связь между жидкостью формации через проточенный цилиндр или фильтр с трубопроводной линией, и

iv. открытия предкамерного клапана камеры предварительных испытаний, позволяющего заполнить камеру предварительного испытания объемом жидкого эквивалента до объема, предварительно выбранного наземными устройствами управления;

c) контроль с поверхности времени спада давления в камере предварительного испытания посредством контроля времени подъема давления;

d) на основании результатов по проницаемости формации, вычисленных из значений спада и подъема уровня давления, или сбор флюида формации в один из резервуаров хранения проб, или откачка заполняемой области в измеряемом исследуемом слое.

Кроме того, на этапе d), если решено забрать пробу из формации в один из нескольких резервуаров проб, то это выполняется после команды от наземного оборудования в следующей последовательности:

i. открытие клапана резервуара, который приводит трубопроводную линию во флюидную связь, по меньшей мере, с одним из резервуаров хранения проб;

ii. контроль времени спада давления в трубопроводной линии и регистрация на поверхности подъема давления в трубопроводной линии и времени упомянутого роста; и

iii. после заполнения резервуара хранения проб, выполняющегося от наземного оборудования, процесс закрытия, по меньшей мере, одного резервуара хранения проб.

Аналогично, откачка заполняемой области в измеряемом исследуемом слое выполняется после команды от наземного оборудования в следующей последовательности:

i. открытие уравнивающего клапана в трубопроводной линии для приведения флюида формации во флюидную связь с гидростатическим столбом скважины и камерой предварительных испытаний;

ii. действие откачивающего насоса для откачки заполняемой посредством бурового раствора области в формации, извлечение упомянутого продукта из пласта формации до гидростатического столба скважины, вычисление на поверхности количества литров, откаченных через трубопроводную линию к гидростатическому столбу скважины;

iii. дезактивация откачивающего насоса и закрытие уравнивающего клапана и всасывающего клапана трубопроводной линии, оставляя оборудование в тех же самых начальных условиях перед откачкой; и

iv. ожидание до стабилизации давления в камере предварительного испытания.

Кроме того, если испытание, оказывается успешным, или если оно не удачно вследствие какой-либо технической причины или проблемы в способе (из-за закупоривания фильтра испытания пробы, утери герметичности в тороидальной герметизирующей прокладке переднего башмака HTMS, или низкой проницаемости в формации), HTMS должен быть отделен, выполняя наземную команду на втягивание, которая будет следовать за следующими последовательными и автоматическими этапами:

i. закрытие впускных клапанов резервуара для резервуаров хранения проб;

ii. открытие уравнивающего клапана;

iii. удаление флюида из камеры предварительных испытаний смещением поршня предварительного испытания;

iv. закрытие предкамерного клапана камеры предварительных испытаний;

v. перемещение зондового поршня из зондового стакана или цилиндра для закрытия сообщения трубопроводной линии с формацией;

vi. втягивание зондового стакана или цилиндра;

vii. вытягивание от одного до двух метров кабеля, освобождаемого когда HTMS уже установлен в скважине до измерения;

viii. отделение HTMS, втягиванием телескопических поршней заднего башмака и переднего башмака;

ix. снижение на несколько метров для проверки того, что HTMS не остается зафиксированным в скважине; и

x. поиск другого представляющего интерес пласта.

Предпочтительно, в любой из ситуаций заполнения камеры предварительных испытаний или любого из резервуаров хранения проб или резервуара откачки формации, значения измерений регистрируются на поверхности в трубопроводной линии для датчиков:

- температуры,

- давления,

- электрической проводимости (EC),

- pH фактора,

- Содержания кальция,

- Содержания натрия,

- Содержания магния и

- Содержания калия.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает участок инструмента отбора грунтовых проб (HTMS), характерного для отбора формации.

Фиг.2 - представление предпочтительного варианта реализации HTMS для оценки характеристик грунтовых водоносных слоев.

Фиг.3 - более подробное представление момента, когда HTMS поместил передний башмак и тороидальную уплотняющую прокладку напротив формации, без введения зондового стакана или цилиндра в формацию для оценки характеристик грунтовых водоносных слоев.

Фиг.4 - другое более подробное представление момента, когда HTMS поместил передний башмак и тороидальную уплотняющую прокладку напротив формации, и зондовый стакан или цилиндр введен в формацию и зондовый поршень вытянут, освобождая фильтр, так, что флюид формации входит в HTMS для оценки характеристик грунтовых водоносных слоев.

Фиг.5 - блок-схема последовательности операций способа использования HTMS для оценки характеристик грунтовых водоносных слоев.

Для упрощения объяснения графиков зависимости P/V от безразмерного времени T, приведенные на Фиг.6A и 6B обозначения должны рассматриваться как опорные и для остальных графиков.

Фиг.6А - измерение в пласте с очень хорошей проницаемостью с окончательным давлением пласта 7000 МПа. Испытание проводилось с двойным открытием камеры предварительных испытаний: вначале камера предварительных испытаний открыта на 9 см³ при X скорости открытия, и затем, когда считывание и объем стабилизировались, камера открывалась еще на 9 см³ при скорости открытия 2X (удвоенной относительно первой), образуя общий объем 18 см³.

Фиг.6B - то же самое измерение, что и на Фиг.6А, причем схема заполнения камеры предварительных испытаний показана после первого открытия с емкостью 9 см³ и второго открытия при удвоенной скорости, столь же высокой как первое, до 18 см³.

Фиг.7А - измерение в слое с достаточно хорошей проницаемостью с окончательным давлением пласта 7000 МПа.

Фиг.7B - то же самое измерение, что и на Фиг.7А, причем схема заполнения камеры предварительных испытаний показана после первого открытия с емкостью 9 см³, причем видно, что хотя и достигается объем 9 см³, это происходит за более длительное время, чем в предыдущем случае. Оба графика на Фиг.7A и B показывают, что этот слой имеет более низкую проницаемость для движения флюида, чем таковое для вышеприведенного Фиг.6.

Фиг.8А - измерение в слое с очень низкой проницаемостью и неопределенным конечным давлением. Измерение было приостановлено из-за нарастания времени высокого давления. Это означает, что слой не представляет интереса.

Фиг.8B - то же самое измерение, что и на Фиг.8А, показывающий график заполнения камеры предварительных испытаний с очень низким объемом получаемого продукта после 9 см³ открытия объема камеры.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, первичная цель настоящего изобретения заключается в предоставлении инструмента отбора грунтовых проб (HTMS) (1) для получения on-line информации относительно качества и расхода грунтовых водоносных слоев при поиске незагрязненной воды для ирригации сельскохозяйственной культуры, который спроектирована для извлечения жидкостей, пропитывающих подземные формации, которые достигаются бурением, и для их анализа in situ.

HTMS (1) на Фиг.1 в соответствии с настоящим изобретением включает в себя, для его основной работы, все элементы современного инструмента, что касается средства для его прикрепления к стенкам ствола буровой скважины.

Задний башмак (6) на продольной оси инструмента, которая может быть обозначена как 180° ось для его отличия от заднего башмака (6), прикрепленный к двум телескопическим поршням (5) одновременно изнутри и снаружи, управляемым сигналом наземного оборудования, функционально приспособленного для этой цели (как показано на Фиг.1).

Передний башмак (2), на 0° продольной оси напротив заднего башмака (6), на 180° продольной оси инструмента, прикреплен к нескольким поршням, размещенным ниже переднего башмака (2), не показанным на чертежах, и которые управляется одним или несколькими механизмами, действующими совместно, но в свою очередь раздельно по времени, создавая поступательное перемещение переднего башмака (2), имеющего твердую резиновую тороидальную уплотнительную прокладку (3) с вырезом (как показано на Фиг.1).

Оба (передний (2) и задний (6)) башмака, гидравлически правляются, когда они вытягиваются к диаметрально противоположным стенкам скважины, заканчиваются на них сужаясь, и насосы, действующие на гидравлический флюид, поднимают его давление в каналах всех поршней до предварительно установленного значения, называемого фиксирующим давлением, достаточно сильным, чтобы инструмент HTMS (1) оставался буквально подвешенным к стенкам скважины посредством башмаков (переднего (2) и заднего (6)), которые создают диаметрально противоположную силу, приложенную к стенкам скважины. Передний башмак (2), как и уплотнительная прокладка (3), простирается и упирается в стенку скважины, изолирует центр тороидальной уплотнительной прокладки (3), так же как и обращенную к ней часть формации, от остальной части скважины и от столба бурового флюида, как показано на Фиг.3 и 4.

Передний башмак (2), в свою очередь, имеет внутри зондовый стакан или цилиндр (4), который расположен в центре тороида уплотнительной прокладки (3), упомянутый зондовый стакан или цилиндр (4) сформирован гофрированным цилиндром, действующим как фильтр, в пределах которого имеется цилиндрический поршень, который находится в расширенном положении во время позиционирования уплотнительной прокладки (3) напротив формации, тогда как в то же самое время служит стопорной пробкой между формацией и внутренней областью инструмента, как показано на Фиг.3 и 4.

В свою очередь, зондовый стакан или цилиндр (4), фильтр и поршень находятся в цилиндре, формируя камеру, выпуск которой соединяется с началом трубопроводной линии (7), она содержит различные датчики, и несколько ветвей трубопроводной линии (7), в котором расположен уравнивающий клапан (11), выпуск которого сообщается с гидростатическим столбом скважины, как показано на Фиг.2.

Предкамерный клапан (12) присоединен к трубопроводной линии (7), выпуск которого соединен с камерой (16) предварительных испытаний с поршнем (15) предварительного испытания, чья функция заключается в регулировке объема камеры (16) предварительных испытаний от 0 до 20 см³ на основании положения при ходе поршня, причем значением испытательного объема управляют от поверхности так же как его скоростью перемещения.

Упомянутая вариация объема камеры (16) предварительных испытаний выполнена на основании требований к оценке и определяется от поверхности посредством измерительного оборудования и в соответствии с развитием предыдущих измерений в том же самом слое.

В канале трубопроводной линии (7) имеются различные датчики (8), которые оценивают на входе флюида от подземного пласта, из которого берется проба, значения, определяющие качество воды, и упомянутые датчики это:

- датчик температуры;

- датчик давления;

- датчик электрической проводимости (EC); желательное значение которого составляет от 0 до 6 дСм/м;

- датчик pH фактора; желательное значение которого составляет от 6,2 до 7,8;

- датчик измерения SAR индекса, желательное значение которого составляет от 0 до 20;

- датчик содержания Кальция;

- датчик содержания Натрия;

- датчик содержания Магния;

- датчик содержания Калия;

По трубопроводной линии (7) и после ветвей измерительных датчиков (8) имеется ветвь, которая сообщается через клапан (9) всасывания с откачивающим насосом (10); этот насос, когда уравнивающий (11) и всасывающий (9) клапаны находятся в нормальном состоянии, непосредственно связывает формацию с гидростатическим столбом (19) скважины для возможности всасывания из нее бурового флюида, заполняющего упомянутый слой, и откачку его в гидростатический столб скважины.

В конце трубопроводной линии (7) возможно предоставить еще один резервуар (14) хранения проб для хранения воды из производственной области, которая транспортируется к поверхности для выполнения, если требуется, лабораторного испытания.

Другая цель настоящего изобретения - это способ сбора и анализа in situ проб из ствола скважины для получения информации относительно незагрязненных водоносных слоев для ирригации сельскохозяйственной культуры, используя HTMS (1), причем упомянутый способ, состоит из следующих этапов:

A) присоединение инструмента для сбора проб грунтовой формации (HTMS (1)) к одному или нескольким устройствам оценки и сбора данных на поверхности, пригодным для приема и обработки значений нескольких грунтовых измерений, и для посылки команд от поверхности на HTMS (1) посредством или электрического кабеля или оптоволоконного кабеля, и, в свою очередь, этот упомянутый кабель, предоставляет механическую поддержку весу инструмента и самого кабеля в буровой скважине;

B) введение HTMS (1) в скважину на скорости от 9 до 15 метров в минуту, контролируя измерения давления и температуры гидростатического столба, когда перемещение в глубину скважины прогрессирует, и контролируя, когда упомянутое перемещение в глубину скважины прекращается, чтобы и температура и давление гидростатического столба быстро стабилизировались, иначе скорость движения в глубину скважины должна быть уменьшена;

C) позиционирование HTMS (1) на уровне производящего флюид пласта, глубина которого была вычислена из исследования проб, собранных из формации во время бурения ствола скважины и/или измерена, или получена другим средством;

D) механическая установка HTMS (1) на боковые стенки формации скважины; и

E) выпуск от одного до двух метров кабеля для контроля закрепления HTMS с учетом значения механического натяжения кабеля; и

F) возможность установления характеристик флюида для исследуемого флюида формации.

Этап F) содержит следующие этапы:

a) механическая фиксация HTMS (1) к стенке скважины на глубине, вычисленной для прекращения флюидной связи гидростатического столба от бурового раствора скважины системы измерения HTMS (1) и анализируемого слоя формации;

b) электрическое и электронное управление механизмом гидравлического предварительного испытания от наземного оборудования, которое приводит к следующим последовательным и автоматическим этапам:

i. введение зондового стакана или цилиндра (4) и зондового фильтра в формацию,

ii. закрытие уравнивающего клапана (11),

iii. втягивание зондового поршня (17) в зондовый стакан или цилиндр, позволяя флюидную связь между жидкостью формации через проточенный зондовый стакан или цилиндр (4) и трубопроводной линией (7), и

iv. открытие предкамерного клапана (12) камеры (16) предварительных испытаний, позволяя заполнение камеры (16) предварительных испытаний объемом жидкого эквивалента до объема, предварительно выбранного на поверхности;

c) контроль с поверхности времени спада давления в камере (16) предварительного испытания и управление временем подъема давления;

d) на основании результатов по проницаемости формации, вычисленных из значений уровня снижения и подъема давления, получение пробы в одном из резервуаров (14) хранения проб или откачка заполненной области в измеряемом исследуемом слое.

На выше обозначенном этапе d), забор пробы формации в одном из нескольких резервуарах проб выполняется после команды от наземного оборудования в следующей последовательности:

i. открытие клапана (13) резервуара, который приводит трубопроводную линию (7) во флюидную связь, по меньшей мере, с одним из резервуаров (14) хранения проб;

ii. контроль времени спада давления в трубопроводной линии (7) и регистрация на поверхности времени постепенного подъема давления в трубопроводной линии (7); и

iii. после заполнения резервуара (14) хранения проб, запуск от наземного оборудования процесса закрытия, по меньшей мере, одного резервуара хранения проб.

Альтернативно, в упомянутом этапе d), откачка заполняемой области в измеряемом исследуемом слое выполняется после команды от наземного оборудования в следующей последовательности:

i. открытие уравнивающего клапана (11) в трубопроводной линии (7) для приведения флюида формации во флюидную связь с гидростатическим столбом (19) скважины и камерой (16) предварительных испытаний;

ii. активизация работы откачивающего насоса (10) для откачки заполненной буровым раствором области в формации, извлечение упомянутого продукта из пласта формации до гидростатического столба скважины, вычисление на поверхности количества литров, откаченных через трубопроводную линию (7) к столбу скважины;

iii. дезактивация откачивающего насоса (10) и закрытие уравнивающего клапана (11) трубопроводной линии (7), оставляя оборудование в тех же самых начальных условиях, что и перед откачкой; и

iv. ожидание до стабилизации давления в камере (16) предварительного испытания.

В случае, если испытание оказывается успешным или если оно терпит неудачу вследствие какой-либо технической причины или проблемы в способе, например, из-за закупоривания испытательного фильтра пробы, потери герметичности в тороидальной уплотняющей прокладке затвора HTMS (1), или низкой проницаемости формации, инструмент HTMS (1) должен быть отделен, выполняя команду от поверхности на втягивание, которая будет следовать за следующими последовательными и автоматическими этапами:

i. закрытие клапанов (13) резервуара;

ii. открытие уравнивающего клапана (11);

iii. удаление флюида из камеры (16) предварительных испытаний смещением поршня (15) предварительного испытания;

iv. закрытие предкамерного клапана (12) камеры (16) предварительных испытаний;

v. перемещение зондового поршня (17) для закрытия сообщения трубопроводной линии (7) с формацией;

vi. втягивание зондового стакана или цилиндра (4);

vii. поднятие от одного до двух метров освобожденного кабеля, когда HTMS (1) был зафиксирован в скважине до измерения;

viii. отделение HTMS (1) втягиванием телескопических поршней (5) его заднего башмака (6) и переднего башмака (2);

ix. снижение на несколько метров для проверки того, что инструмент не остается установленным в скважине; и

x. поиск другого представляющего интерес пласта.

В любой из ситуаций заполнения камеры (16) предварительных испытаний или резервуара (14) хранения проб или резервуара откачки формации, значения измерений регистрируются на поверхности посредством датчиков, имеющихся в трубопроводной линии (7), где упомянутые датчики (8) оценивают: температуру, давление, электрическую проводимость (EC), pH фактор, содержание Кальция, содержание Натрия, содержание Магния, и содержание Калия.

Зная EC, возможно приблизительно оценить другие параметры воды, например: содержание соли в растворе (в граммах/литр)=EC (дСм/м) при 25°C x 0,64; осмотическое давление раствора (в атмосферах)=EC (дСм/м) x 0,36; и содержание соли в воде (в мг-экв./л)=EC (дСм/м) x 10.

Кроме того, относительно EC, US Riverside Salinity Laboratory классифицирует воду в следующих шести группах:

Группа C1 с EC от 0,10 до 0,25 дСм/м: вода "Низкой Солености", которая может использоваться для ирригации большинства сельскохозяйственных культур на большинстве почв с небольшой вероятностью, что проблема солености скажется в почве.

Группа C2 с EC от 0,25 до 0,75 дСм/м: вода "Средней Солености", которая может использоваться для ирригации сельскохозяйственной культуры при условии, что имеется, по меньшей мере, умеренный уровень выщелачивания почвы. Вообще, большинство сельскохозяйственных культур сопротивляется этой воде, без специальных действий для контроля солености.

Группа C3 с EC от 0,75 до 2,25 дСм/м: вода "Высокой Солености" должна использоваться только в хорошо дренированных почвах и для устойчивых к соли сельскохозяйственных культур.

Группа C4 с EC от 2,25 до 4,00 дСм/м: вода "Очень Высокой Солености", не подходящая для ирригации, но может быть использована иногда при очень специальных обстоятельствах. Почвы должны быть водопроницаемыми, дренаж должен быть адекватным, поливная вода должна быть применена в избытке и должны быть выбраны очень устойчивые к соли сельскохозяйственные культуры.

Группа C5 с EC от 4,00 до 6,00 дСм/м: вода "Чрезмерной Солености" должна использоваться только в очень специальных случаях, с крайней предосторожностью.

Наконец, группа C6 с EC от 6,00 до 10,00 содержит воду, не подходящую для ирригации в любом случае или при любых обстоятельствах.

Из этой классификации Riverside Salinity Laboratory только C1 и C2 являются подходящими для ирригации.

Риск ощелачивания почвы поливной водой может быть определен с помощью отношения адсорбции натрия (SAR), которое вычисляется на основании уравнения:

[Na⁺]/(([Ca²⁺]+[Mg²⁺])/2)^1/2

где, все концентрации выражены в миллиэквивалентах/литр. Важность измерения SAR заключается в том, что ион натрия имеет сильную тенденцию дестабилизировать структуру почвы, вызывая анорексию растений.

Относительно значения SAR (Отношение Адсорбции Натрия), US Riverside Salinity Laboratory классифицирует воду в следующих четырех группах:

Группа S1 имеет значение SAR в пределах диапазона 0-10, и соответствует воде с низким содержанием натрия, пригодной для ирригации большинства почв и сельскохозяйственных культур.

Группа S2 имеет значение SAR от 10 до 18, и соответствует воде среднего содержания натрия, пригодной для ирригации толстой текстуры или органических почв с хорошей проницаемостью.

Группа S3 имеет значение SAR от 18 до 26, и соответствует воде с высоким содержанием натрия, пригодной только для гипсовых почв или почв со специальным возделыванием. Они не являются подходящими для ирригации очень чувствительных к натрию почв, как большинство плодовых деревьев.

Группа S4 имеет значение SAR более чем 26, и соответствует воде с очень высоким содержанием натрия, не подходящим для ирригации большинства почв и сельскохозяйственных культур.

Кроме того, в соответствии с этой классификацией Riverside Salinity Laboratory, только S1 является подходящим для ирригации.

Поэтому, выполняя определения глубины, оказывается возможным узнать качество воды, имеющейся в формации, и оценить возможность ее использования для ирригации.

Цифровые обозначения, используемые в Спецификации и на чертежах:

1 Тело инструмента отбора грунтовых проб (HTMS) или просто HTMS

2 Передний башмак

3 Уплотнительная прокладка

4 Зондовый стакан или цилиндр

5 Телескопический поршень

6 Задний башмак

7 Трубопроводная линия

8 Датчики

9 Всасывающий клапан

10 Откачивающий насос

11 Уравнивающий клапан

12 Предкамерный клапан

13 Клапан резервуара

14 Резервуары хранения проб

15 Поршень предварительного испытания

16 Камера предварительных испытаний

17 Зондовый поршень

18 Проточки зондового цилиндра

19 Гидростатический столб

20 Флюид формации

1. Инструмент отбора грунтовых проб (HTMS) (1) для предоставления on-line информации относительно качества и расхода подземного водоносного пласта и идентификации незагрязненной воды для ирригации сельскохозяйственной культуры, причем упомянутый инструмент содержит:

- корпус для электронных и электрических устройств управления,

- корпус для гидравлического средства, управляемого электрическими и электронными устройствами инструмента,

- испытательное тело, состоящее из разнообразных гидравлических схем для управления различными рабочими клапанами инструмента, причем упомянутое испытательное тело дополнительно содержит:

- задний башмак (6) на продольной оси инструмента, причем упомянутый задний башмак (6) одновременно управляется двумя телескопическими поршнями (5), появляющимися изнутри инструмента при сигнализации наземным оборудованием, функционально имеющим возможность это выполнить, и

- передний башмак (2), управляемый несколькими поршнями, отличающийся тем, что поршни, размещенные ниже переднего башмака (2), перемещаются одним или несколькими электропневматическими устройствами, действующими совместно и создающими поступательное прямое или обратное перемещение переднего башмака (2), и причем тело переднего башмака (2) имеет цилиндрическое отверстие, которое, в свою очередь, содержит зондовый стакан или цилиндр (4) и зондовый поршень (17), причем цилиндрическое отверстие в теле переднего башмака (2) образует камеру, выпуск которой является началом трубопроводной линии (7), которая проходит вдоль инструмента, причем трубопроводная линия (7) имеет один или несколько ветвей, соединяющих ее с различными измерительными устройствами и резервуарами (14) хранения проб, камерой (16) предварительных испытаний, откачивающим насосом (10) или гидростатическим столбом скважины (19), при этом трубопроводная линия (7) предоставляется, по меньшей мере, в одной или нескольких ветвях, с датчиками давления, температуры, проводимости, pH фактора, содержания кальция, содержания натрия, содержания магния и датчиками содержания калия (8).

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что задний башмак (6) дополнительно оборудован дополнительными элементами для увеличения его диаметра фиксации в скважинах большого диаметра.

3. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что передний башмак (2) дополнительно содержит:

- сменную уплотнительную прокладку (3), которая установлена на структуре переднего башмака (2), причем упомянутая уплотнительная прокладка (3) выбирается из разнообразных резиновых уплотнительных прокладок (3) различной твердости, в соответствии с испытуемой формацией скважины, и причем упомянутые резиновые уплотнительные прокладки (3) имеют тороидальную форму с вырезом в центральной окружности тороида.

4. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что зондовый стакан или цилиндр (4) расположен в центре тороидальной резиновой уплотнительной прокладки (3), которая защищает его, причем упомянутый зондовый стакан или цилиндр содержит в нем ряд проточек, которые действуют как фильтр, причем в пределах упомянутого зондового стакана или цилиндра имеется цилиндрический поршень, который находится в расширенном положении, когда уплотнительная прокладка (3) остается на формации, служа стопорной пробкой между формацией и внутренним участком инструмента.

5. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что в одной из его множественных ветвей трубопроводная линия (7) связана с впуском уравнивающего давление клапана (11), причем выпуск упомянутого уравнивающего клапана (11) сообщается с гидростатическим столбом (19) скважины.

6. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что в одной из его множественных ветвей трубопроводная линия (7) связана с впуском предкамерного клапана (12), выпуск которого соединен с камерой (16) предварительных испытаний переменной емкости.

7. Инструмент по п.6, отличающийся тем, что, камера (16) предварительных испытаний содержит внутренний поршень, функция которого заключается в регулировке объема камеры (16) предварительных испытаний от 0 до 20 см³ на основании положения при ходе поршня, причем значение испытательного объема контролируется с поверхности.

8. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна или более из нескольких ветвей трубопроводной линии (7) связаны с впуском одного или нескольких клапанов (13) резервуара, выпуски которого соединены с впусками резервуаров (14) хранения проб.

9. Инструмент по п.1, отличающийся дополнительным содержанием откачивающего насоса (10) для откачки части пласта, заполняемого буровым раствором до выполнения измерения в пробе флюида формации.

10. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что в одной из его множественных ветвей, трубопроводная линия (7) связана с впуском клапана (9) всасывания, выпуск которого соединен с впуском (10) откачивающего насоса.

11. Инструмент по п.10, отличающийся тем, что выпуск (10) откачивающего насоса соединен с впуском уравнивающего клапана (11), соединяя, когда уравнивающий клапан (11) и клапан (9) всасывания открыты, формацию с гидростатическим столбом скважины.

12. Способ сбора и анализа in situ проб из ствола скважины для получения информации относительно незагрязненных водоносных слоев для ирригации сельскохозяйственной культуры, используя инструмент отбора грунтовых проб (HTMS) (1) по любому из предшествующих пунктов, причем упомянутый способ отличается содержанием следующих этапов:

A) присоединение инструмента для сбора грунтовых проб формации (HTMS (1)) к одному или нескольким устройствам оценки и сбора данных на поверхности, пригодным для приема и обработки значений нескольких грунтовых измерений и посылки команд от поверхности на HTMS (1) или посредством электрического кабеля или оптоволоконного кабеля, упомянутого кабеля, в свою очередь обеспечивающего механическую поддержку весу инструмента и самого кабеля в стволе скважины;

B) введение HTMS (1) в скважину на скорости от 9 до 15 метров в минуту, контролируя измерения давления и температуры гидростатического столба, когда перемещение в глубину скважины прогрессирует, и контролируя, чтобы, когда упомянутое перемещение в глубину скважины прекращается, и температура, и давление гидростатического столба быстро стабилизировались;

C) позиционирование HTMS (1) на уровне производящего флюид пласта, глубина которого была вычислена из исследования проб, собранных из формации во время бурения ствола скважины, и/или измерена, или получена другим средством;

D) механической установки HTMS (1) на боковые стенки формации скважины; и

E) выпуск от одного до двух метров кабеля для контроля надлежащего закрепления HTMS с учетом значения механического натяжения кабеля; и

F) определение параметров флюида для исследуемого флюида формации.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что этап F) содержит:

a) механическую установку HTMS (1) на боковую стенку скважины в глубине, вычисленной для прекращения флюидной связи гидростатического столба от бурового раствора скважины системы HTMS (1) измерения и анализируемым слоем формации;

b) электрическое и электронное управление механизмом предварительного гидравлического испытания от наземного оборудования, которое приводит к следующим последовательным и автоматическим этапам:

i. введение зондового стакана или цилиндра (4) и зондового фильтра в формацию,

ii. закрытие уравнивающего клапана (11),

iii. втягивание зондового поршня в зондовый стакан или цилиндр (4), позволяя флюидную связь между жидкостью формации через проточенный цилиндр или фильтр с трубопроводной линией (7), и

iv. открытие предкамерного клапана (12) камеры (16) предварительных испытаний, позволяя заполнить камеру (16) предварительных испытаний объемом жидкого эквивалента до объема, предварительно выбранного от поверхности;

c) контроль времени спада давления в камере (16) предварительного испытания и регистрация поверхностным оборудованием времени постепенного подъема давления;

d) на основании результатов по проницаемости формации, вычисленных из значений снижения и подъема давления уровня, решение собирать ли пробу в одном из резервуаров (14) хранения проб или откачать заполненную область в измеряемом исследуемом слое.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что на этапе d) забор пробы формации в одном из нескольких резервуаров проб выполняется после команды от наземного оборудования, в следующей последовательности:

i. открытие клапана (13) резервуара, который приводит трубопроводную линию (7) во флюидную связь, по меньшей мере, с одним из резервуаров (14) хранения проб;

ii. контроль времени спада давления в трубопроводной линии (7) и регистрация на поверхности времени постепенного подъема давления в трубопроводной линии (7); и

iii. после заполнения резервуара (14) хранения проб запуск от наземного оборудования процесса закрытия, по меньшей мере, одного резервуара хранения проб.

15. Способ по п.13, отличающийся тем, что откачка заполняемой области в измеряемом исследуемом слое выполняется в следующей последовательности, после команды от наземного оборудования:

i. открытие уравнивающего клапана (11) в трубопроводной линии (7) для приведения флюида формации во флюидную связь с гидростатическим столбом (19) скважины и камерой (16) предварительных испытаний;

ii. включение откачивающего насоса (10) для откачки заполненной буровым раствором области в формации, извлечение упомянутого продукта из пласта формации до гидростатического столба скважины, вычисление на поверхности количества литров, откаченных через трубопроводную линию (7) к столбу скважины;

iii. выключение откачивающего насоса (10) и закрытие уравнивающего клапана (11) трубопроводной линии (7), оставляя оборудование в тех же самых начальных условиях, что и перед откачкой; и

iv. ожидание до стабилизации давления в камере (16) предварительного испытания.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что в случае, если испытание оказывается успешным или терпит неудачу вследствие какой-либо технической причины или проблемы в способе (из-за закупоривания зондового стакана или цилиндра (4), потери уплотнительной способности уплотняющего башмака HTMS (1) инструмента или низкой проницаемости формации), HTMS (1) инструмент должен быть отделен, запуская от поверхности команду на втягивание, которая будет следовать за следующими последовательными и автоматическими этапами:

i. закрытие клапанов (13) резервуара;

ii. открытие уравнивающего клапана (11);

iii. удаление флюида из камеры (16) предварительных испытаний смещением поршня (15) предварительного испытания;

iv. закрытие предкамерного клапана (12) камеры (16) предварительных испытаний;

v. перемещение зондового поршня (17) в зондовом стакане или цилиндре (4) для закрытия сообщения трубопроводной линии (7) с формацией;

vi. втягивание зондового стакана или поршня (4);

vii. вытягивание от одного до двух метров ослабленного кабеля, когда HTMS (1) был установлен в скважину до измерения;

viii. отделение HTMS (1) втягиванием телескопических поршней его (5) заднего башмака (6) и переднего башмака (2);

ix. снижение на несколько метров для проверки того, что инструмент не остается установленным в скважине; и

x. поиск другого представляющего интерес пласта.

17. Способ по п.13, отличающийся тем, что в любой из ситуаций заполнения камеры (16) предварительных испытаний или резервуара (14) хранения проб или резервуара откачки формации, значения измерений в трубопроводной линии (7) регистрируются на поверхностном оборудовании посредством датчиков температуры, давления, проводимости, pH фактора, содержания кальция, содержания натрия, содержания магния и датчиков содержания калия.