Устройство для определения направления и скорости движения подземных вод

 

Союз Советскнн

СО4иелистичеснин

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (51) М. Кл.

G01 V 9/02

Е21 В 47/00 (22) Заявлено 14.03.77 (21) 2461939/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Государственный квмнтет

СССР нв делам нзвбретеннй н втнрытнй

Орубликовано 05.05.79. Бюллетень № 17 (53) УДК 550 839:

:622.241 (088.8) Дата опубликования описания 15.05.79 (72) Автор изобретения

B. Т. Дубинчук

Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии «ВСЕГИНГЕО» (71) Заявитель (54) УСТРО1"1СТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ

И СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Изобретение относится к гидрогеологии, гидрологии, гидротехнике и мелиорации и предназначено для определения направления и скорости движения подземных вод.

Известны устройства аналогичного наз- 5 начения, в которых при измерениях применяются радиоактивные, электролитические и другие индикаторы.

Индикаторные устройства — аналоги для определения направления и скорости движения подземных вод в одиночной скважине можно по принципу действия и конструкции подразделить на три группы:

1) устройства для определения только направления движения, в которых инжектируют индикатор по оси скважины и затем фик- 15 сируют снос индикатора фильтрационным потоком;

2) устройства для определения скорости и фильтрационного расхода, в которых вводят в фиксированный измерительный объем прибора (или скважины) порцию индикатора и наблюдают за его разбавлением в ходе перемешивания и фильтрации;

3) устройства комбинированного действия и конструкции.

В устройствах первого типа снос индикатора в скважине в направлении потока определяется вращающимся коллимированным детектором излучения (I) или несколькими счетчиками, расположенными в скважине по кругу на некотором удалении от ее оси (2).

Известные устройства имеют существенные недостатки. Зонды Майерхофера, Абдуллаева и др. основаны на использовании только радиоактивных индикаторов, угловая точность их невелика (+300/o), они достаточно сложны, поскольку в зонде должны использоваться инжектор, детекторы с электроникой (согласующими каскадами, блоками предварительного усиления, преобразователями напряжения), а для привода зонда— механизм его вращения.

Прототипом изобретения является устройство для измерения скорости и фильтрационного расхода (3), содержащее механизм спуска ориентации и фиксации, инжектор индикатора и измерительную камеру. В качестве измерительного объема используется участок скважины, изолированный сверху и снизу уплотнениями, или измерительные камеры цилиндрической формы, внешний

661481 диаметр которых равен внутреннему диаметру скважины и т. п. Индикатор вводится в измерительный объем мгновенно, однократно или постоянно, перемешивается и фильтрационным потоком выносится из объема. По убыванию концентрации (активности) индикатора судят о скорости фильтрации.

В устройстве может быть применен индикатор любого типа, концентрация которого может быть зарегистрирована малогабаритным детектором, вводимым внутрь измерительной камеры или расположенным вне ее.

Основными недостатками устройства— прототипа являются невозможность одновременного определения направления и скорости движения, необходимость пакерования применения значительных порций индикатора, перемешивания. Кроме того, так как вынос индикатора из измерительного объема происходит по экспоненциальному закону, шкала устройств принципиально нелинейна, качество работы таких зондов в значительной мере зависит от режима перемешивания. Так как на практике йриходится иметь дело со скважинами различного диаметра, то требуется разрабатывать сложные системы пакерования или снабжать зонд несколькими пакерами, рассчитанными на различную конструкцию скважин.

К принципиальным недостаткам устройства-прототипа относятся: искажение (иногда существенное) фильтрационного потока из-за введения в него различных конструктивных элементов (детекторов, мешалки, инжектора, коллиматора, механизмов привода и т. д.), габариты которых сравнимы с диаметром скважины; необходимость соблюдения строгих и технологических сложных мер безопасности (расфасовка индикатора, зарядка инжектора, дезактивация зонда, устранение загрязнения скважин) вследствие использования радиоактивных индикаторов; возможность использования только в скважинных условиях.

Цель изобретения — обеспечение одновременного определения направления и скорости движения подземных вод.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, состоящем из механизма спуска, подъема, ориентации и фиксации в скважине скважинного зонда, измерительной каме ры; йнжектора индикатора, йзмерительная камера зонда выполнена в виде токонепроводящей цилиндрической трубки с затворами на торцах, длина которой меньше диамет ра скважины и котдрая ориентируется перпендикулярно оси скважины. Камера содержит два последовательно установленных датчика электропроводности. Датчики представляют собой электропроводящие парные полосы, нанесенные на внутреннюю сторону трубки, равные по длине половине трубки и имеющие независимые выводы к измерительному прибору. По скорости убывания индикатора в каждой половине трубки или во всем ее объеме судят о скорости, а по характеру убывания — о направлении движения. Производя последовательно измерения под разными азимутами, получают распределение скбростей и направления движения подземных вод.

На фиг. 1 показано предложенное устройство, находящееся в скважине.

Устройство состоит из штанги 1 для спуска, ориентации и фиксации скважинного зонда, трубки 2 с торцовыми затворами 3 и датчиками 4, 5 электропроводности, каждый из которых по длине равен половйне трубки

2 и выполнен в виде электропроводящих полос, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки, уплотнителя 6, через который вводится шланг 7 от инжектора 8 индикатора, и кабеля 9, соединяющего датчики с пультом 10.

20 В качестве механизма спуска, ориентации и фиксации устройства в скважине может быть использовано любое из известных устройств. Для неглубоких скважин применяется (фиг. 1) жесткая штанга, для глубо25 ких скважин — лебедки с гироскопической системой ориентации скважинного снаряда.

Инжектор может иметь любую известную конструкцию и может быть как наземным, так и скважинным. В качестве пульта используют приборы для измерения электро30 проводности растворов — электролитов (резистивиметры) .

Затвор также может быть типа «жалюзи», «ириса», «защелки» и др. Принципиальное требование к конструкции затворов отсутствие сужения действующего сечения

З на торцах трубки. Трубка выполняется из токонепроводящих материалов (пластика, эбонита, керамики и т. п.). Электроды датчиков 4, 5 электропроводности должны обеспечивать изме1 ие сопротивления, а следовательно, и количества индикатора в каждой половине трубки, а будучи включенными последовательно с источником питания и измерительным прибором — суммарного сопротивления и соответственно количества индикатора — электролита в трубке.

Устройство действует следующим, образом.

Устройство опускают в скважину на требуемую глубину и фиксируют по азимуту при помощи жесткой штанги 1, как показано на фиг. 1. Трубку 2 заполняют индикатором на поверхности или в скважине при помощи инжектора 8 через шланг 7. По коман де с пульта открываются затворы 4 на торцах трубки 3. С этого момента фильтрационный поток поступает в трубку и вытесняет индикатор. По мере его вытеснения пресной подземной водой (фиг. 2) уменьшается электропроводность) или повышается сопротивление датчиков), что непрерывно регистрируется измерительным пультом. По ско661481

1О рости убывания электросопротивления датчиков, т. е. по скорости убывания количества индикатора в трубке, определяют скорость движения воды, а по характеру изменения электросопротивления во времени-направление движения.

Рассмотрим зависимость регистрируемого устройством сигнала от величины и направления движения воды.

Пусть расход воды через трубку равен:

Q = VS, где V — скорость движения воды в трубке;

S — площадь ее поперечного сечения. Пусть

1! = 1д = 1/2 — длина рабочих объемов трубки, заполненных в начале измерения индикатором с полным начальным количеством

Мр и концентрацией Сд и учитывая, что количество индикатора, остающееся в трубке к произвольному моменту равно: (индекс 1 и 2 для(левой и правой половин трубки соответственноо)

Я б — Сд 51(1 — ф) при 0 < t < )2ч (2)

1, о при t > E/2v

Å пр" t p — = t. мд= С.S(.р.0

Так как Mo = — „ Сд Я, (y) формулы (2) и (3) можно записать проще: (® М (1 — +t прп0«Ф< t () (,0 при t >ti

1 при0

1 1ф()"- No 1 — " (t-t ) при tg < t < ts (6)

0 при t ptq

Соответствующие диаграммы изменения количества индикатора во времени, регистрируемые датчиками 4, 5, представлены на фиг. 3.

На фиг. 4 представлена также суммарная эпюра, аналитическое выражение для которой имеет вид:

2 (1 ь)

M(t) = м,)ц + мд(1) = м 1 — (t — t<) о при 0 <

npv ti t3

Электропроводность, регистрируемая датчиками по величине тока, будет описываться теми же уровнями, а регистрируемые диаграммы будут иметь вид, представленный на фиг. 3 и 4. Направление движения воды в трубке легко определяется по характеру диаграммы. В нашем случае при движении слева направо сигнал от левого датчика не имеет плато, а сигнал от правого имеет, Если движение противоположное, то, наоборот, плато имеет сигнал от левого датчика. Скорость движения воды равна:

V = ; tga, (8) где e — угол наклона кривой записи на нисходящем ее участке.

Таким образом, используя зависимость изменения концентрации индикатора (электропроводности) в трубке, определяют тангенс угла наклона линейного участка этого графика и по формуле (8) рассчитывают искомую скорость V. Она связана с фильтра15

55 ционным расходом через трубку и с фильтрационным расходом в породе соотношением:

Q = Pv nS = vS, (9) где P — известный коэффициент, учитывающий влияние скважины на изменение фильтрационного потока в прискважинной зоне; Vy — скорость фильтрации; п — эффективная пористость, которая должна быть определена независимым способом для окончательной оценки vg.

v<- „— „ (10)

Поворачивая последовательно трубку под разными азимутальными углами ср, при помощи устройства получают распределение скорости ч в функции этого угла. Точное направление движения подземных вод устанавливают по величине !р, который соответствует максимальная зарегистрированная скорость v.

На фиг. 5 приведены схемы расположения трубки 2 относительно линий тока воды в скважине и принципиальный вид распределения регистрируемой при этом скорости.

Она максимальна в случае ориентации оси трубки вдоль оси фильтрационного потока.

В этом случае регистрируемая скорость равна скорости фильтрационного потока, так как трубка параллельна линиям тока и находится в зоне неискаженных линий тока.

Если трубка перпендикулярна фильтрационному потоку, в самой трубке движения нет и фиксируется нулевая скорость.

Предлагаемое устройство может быть использовано и при исследовании соленых (обладающих большой электропроводностью) вод, трубки при этом заполняются пресной водой.

Трубки с датчиками можно закладывать з грунт (см. фиг. 6). В этом случае на торцах трубки уСтанавливают сетчатые фильтры 11. Устройство работает аналогично описанному.

Основное преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что оно обеспечивает определение направления и скорости движения подземных вод с применением безопасного электролитического индикатора, при этом не требуются мешалки, сложные инжекторы и детекторы; скважинная часть устройства упрощается и может быть изготовлена в механических мастерских; благодаря сменности трубок и зарядке их на поверхности исключается использование скважинных инжекторов. Измерения могут производиться в любой скважине: необсаженной, обсаженной, перфорированной трубой, сетчатым фильтром. Трубки могут быть постоянно заложенными в грунт, но при этом требуется вывод шланга для инжекции на поверхность. Простота и несложность скважинной части прибора обеспечивают невысокую стоимость, поэтому он может быть использован для массовых режимных наблюдений, причем несколько заложенных в грунт

661481

Формула изобретения

2 фиг.2

Рггг. 1 мЦ

Время ргмя юг. Ю фиг. гг трубок может обслуживаться одним переносным или стационарным пультом.

Устройство для определения направления и скорости движения подземных вод при помощи электролитического индикатора в одиночной скважине, включающее механизм спуска, ориентации и фиксации в скважине, измерительную камеру, инжектор индикатора, отличающееся тем, что, с целью обеспечения одновременности определения направления и скорости движения подземных вод, снижения трудоемкости и повышения точности измерений, измерительная камера снабжена цилиндрической токонепроводящей трубкой с затворами на торцах, сориентированной перпендикулярно оси скважины, двумя последовательно расположенными датчиками электропроводности, выполненными в виде продольных парных полос с независимыми выводами к измерительному прибору, установленных на внутренней стороне трубки и равных по длине ее половине.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. J. Naierhofer Bestinrpung der Srommungsrichtung des grundwasser in einem

einzigen. Bohrloch mit Hilfe radioaktiver

Elemente Atompraxis, 1963, № 9.

2. Авторское свидетельство СССР № 246706, кл. G 01 V 9/02, 1973.

3. М. Borowezic Ycmaierhofer, А. Zuber

«Laboratory investigation on the determination of filtration velocity by means of radioisotopes» Atomkemenergie, 10, ч9, Heft, 1/2, 51 — 56, 1965.

661481

Фиг. 5

V u

Фиг g

Редактор Т. Орловская

Заказ 2462/48

Составитель Э. Терехова

Техред О. Луговая Корректор М. Демчи к

Тираж 696 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий

1133035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал П П П «Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4