Способ определения по одиночной скважине вектора скорости движения подземных вод и устройство для его осуществления

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистические

Республик

890348 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 03.01 .80 (21) 2863284/! 8-25 (5! )М. Кл.

G 01 V 9/02 с присоединением заявки РЙ

Ркударстввииый комитет

СССР (23) Приоритет по делан изооретеиий и открытий

Опубликовано!5. 12.81. Бюллетень .% 46

Дата опубликования описания 15 . 12 .8! (53) УД К 550. 839:

: 622.249 (088.8) (72) Авторы изобретения

J0.Ñ.Ïîãîðåëîâ, П.П.Засыпко, Г.Л.Куперман и А.П.Шафоростов

Всесоюзный научно-исследовательский и пр конструкторский институт по осушению мес полезных ископаемых, специальным горным геологии и маркшейдерскому делу (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПО ОДИНОЧНОЙ СКВАЖИНЕ

ВЕКТОРА СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ

ВОД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к геофизическим методам разведки и может быть использовано при гидрогеологических, гидротехнических и мелиоративных работах для определения направления и действительной скорости движения подземных вод, вскрытых одной скважиной.

Известен способ определения по одиночной скважине направления и ско10 рости движения подземных вод при помощи индикаторов. В этом способе скорость движения находится через скорость фильтрации, определяемую посредством введения в скважину пор35 ции индикатора и наблюдения за его разбавлением в ходе перемешивания и фильтрации (1) .

Известно также устройство для определения направления и скорости движения подземных вод при помощи электролитического индикатора в одиночной скважине, включающее механизм спуска, ориентации и фиксации в скважине, инжектор индикатора и измерительную камеру, снабженную цилиндрической токонепроводящей трубкой с затворами на торцах, сориентированной перпендикулярно оси скважины, и двумя последовательно расположенными датчиками электропроводности Г2) .

Недостатком укаэанных способов и реализующего его устройства является невозможность непосредственного определения действительной скорости движения подземных вод. Для ее вычисления должна быть дополнителвно независимым способом определена эффективная пористость водоносньпс пород.

Наиболее близким техническим реш нием к изобретению является способ определения по одиночной скважине sets. тора скорости движения подземных вод методом заряженного тела, включающий создание в водоносном интервале скважины зоны электролита, подведение к зоне электролита перемен890348 ного электрического тока, измерение характеристик электромагнитного поля, определение элементов вектора скорости движения подземных вод по изменению во времени характеристик электромагнитного поля. Изучение характеристик электромагнитного поля сводится к периодической съемке на поверхности земли замкнутых вокруг устья скважины изолиний электрического потенциала или компонентов магнитного поля.

По направлению и скорости смещения изолиний определяют соответственно направление и действительную скорости движения подземных вод.

Для реализации известного способа используют устройство, содержащее датчик магнитной индукции с системой его ориентации, измерительный прибор, наземный электрод, скважинный снаряд, подвешенный на кабеле, с электродом и емкостью с индикаторным веществом, спуско-подъемный механизм скважинного снаряда и генератор переменного электрического тока, соединен. ный с наземным электродом и скважинным снарядом 1.3) .

Однако точность определения известным способом элеметров движения подземных вод существенно зависит от глубины залегания водоносного горизонта, в силу чего практическое использование способа ограничивается глубинами до 100 м. Применение его осложняется в условиях застроенной территории и интенсивно расчлененного рельефа дневной поверхности.

Кроме того, способ весьма трудоемок, поскольку на поверхности земли изолинии снимают поточечно и при 2-3 положениях неподвижного электрода.

При этом, для каждого положения неподвижного электрода фиксируют не менее трех изолиний с ясно наметившимся смещением в сторону движения потока подземных вод, что составляет при обычной восьмилучевой системе наблюдений, как минимум, 120180 точек измерений.

Целью изобретения является повышение точности измерений путем исключения ограничений от глубинности исследований и характера дневной поверхности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения по одиночной скважине вектора скорости движения подземных вод, включающему создание в водоносном интервале скважины зоны электролита, подведение переменного электрического тока к зоне электролита, измерение характеристик электромагнитного поля и определение элементов вектора скорости подземных вод по изменению во времени характеристик электромагнитного поля, при создании зоны электролита фиксируют ее

1@ высоту, в качестве характеристики электромагнитного поля используют характеристики вектора магнитной индукции, которую измеряют в скважине вблизи зоны электролита, и по изменению во времени величины век-тора магнитной индукции с учетом высоты зоны электролита определяют величину скорости движения подземных вод, а направление движения опу11 ределяют по направлению этого вектора при фиксированном направлении питающего тока.

Кроме того, в устройство для определения по одиночной скважине вектора скорости подземных вод, содержащее датчик магнитной индукции с системой его ориентации, измерительный прибор, наземный электрод, скважинный снаряд, подвешенный на кабеле, с электродом и емкостью с индикаторным веществом, спуско-подъемный механизм скважинного снаряда и генератор переменного электрического тока, соединенный с наземным электродом и скважинным снарядом, ввеИ ден фазочувствительный детектор, скважинный снаряд снабжен приспособлением для ввода электролита, а емкость с индикаторным веществом снаб40 жена клапаном подачи, причем фазочувствительный детектор соединен измерительным входом с выходом датчика магнитной индукции, опорным входом— с выходом генератора и выходом — с входом измерительного прибора, а

45 датчик магнитной индукции — с системой его ориентации размещен в скважинном снаряде.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего способ определения по одиночной скважине вектора действительной скорости движения подземных вод; на фиг, 2 — схема скважинного снаряда, на фиг, 3 — электрическая схема устройства, на фиг. 4 схема настройки устройства в плане; на фиг. 5 — палеточные кривые зависимости величины вектора магнитной индукции от времени измерения.

90348 б

S 8

Устройство для осуществления способа определения по одиночной скважине вектора действительной скорости движения подземных вод (фиг. 1 ) включает скважинный снаряд 1, спуско-подъемный механизм 2, пульт 3, генератор 4, наземный электрод 5 и кабель 6. В скважинном снаряде 1 (фиг. 2) размещены емкость 7 с индикаторным веществом 8, электрод 9, приспособление 10 для ввода электролита, электронный блок 11, датчик магнитной индукции 12 с системой

его ориентации 13. Корпус скважинного снаряда 1 изготовлен из жесткого диэлектрического материала, например стеклопластика. Емкость 7 может быть выполнена в виде герметичного верхнего отсека скважинного снаряда 1, в котором размещен заполненный растворимым в воде индикаторным веществом 8, (например поваренной солью) контейнер 14 с водопроницаемыми стенками и клапан подачи 15, регулирующий связь емкости 7 с приспособлениями 10 для ввода электролита и приводимый в движение электродвигателем 16. Скважинный электрод 9 выполнен в виде цилиндра из коррозионностойкого металла.

Приспособление 10 для ввода электролита может быть выполнено в виде среднего отсека скважинного снаряда

1 с водопроницаемой, например перфорированной, боковой поверхностью 17 и пакета 18, например электрогидравлического типа, включающего полую .

1 кольцевую уплотнительную камеру 19, оболочка которой изготовлена из эластичного материала (например, резины), и реверсивный электрический гидронасос 20. тора 4, и фазочувствительный детектор 24. Система ориентации 13 включает датчик азимута 25 и реверсивний электродвигатель 26 с редуктором

27 (см. фиг. 2), выходной вал 28 которого расположен соосно корпусу скважинного снаряда I. Спуско-подьемный механизм 2 (см. фиг. 1) включает каротажную лебедку 29 и блок1аланс 30.

В пульпе 3 (см. фиг. 3) находит.я измерительный прибор 31, блок управления пакером 32, блок управления клапаном подачи 33 и блок управления системой ориентации 34.

При помощи кабеля 6 осуществляется механическое соединение скважинного снаряда 1 со спуско-подъемным механизмом 2, электрическая связь генератора 4 с электронным блоком

11 и пульта 3 с элементами скважинного снаряда 1.

Выход датчика магнитной индукции

12 соединен через предварительный усилитель 23 с измерительным входом фазочувствительного детектора 24. 1со входу опорного сигнала фазочувствительного детектора 24 подключен скважинный электрод 9 и через ка— бель 6 — генератор 4 переменного тока. Выход фазочувствительного детектора 24 посредством кабеля 6 связан со входом измерительного прибора 31.

Выходной вал 28 редуктора 27 механически связан с датчиком магнитной индукции 12 и кинематически (например при помощи зубчатой передачи

35 ) — с датчиком азимута 25.

Уплотнительная камера 19 пакера

18 через рабочую полость гидронасоса 20 и наружное отверстие 36 в.корпусе скважинного снаряда 1 поДатчик магнитной индукции 12 ориентирован преимущественно перпендикулярно оси скважинного снаряда

1 и может быть выполнен в виде намотанной изолированным проводом катушки индуктивности 21 со стержневым ферритовым сердечником 22, настроенной на рабочую частоту генератора 4 переменного тока (см. фиг.1) и установленной перпендикулярно оси скважинного снаряда 1 с возможностью вращения вокруг этой оси так, чтобы центр ее при этом находился на оси скважинного снаряда 1. Скважинный электронный блок 1) (фиг. 3) содержит предварительный усилитель

23, настроенный на частоту генерасредством трубопроводов 37 и 38 гидравлически связана с внешним пространством.

Устройство работает следующим образом.

Настройку устройства проводят на поверхности земли 39 по схеме, показанной на фиг. 4 и включающей кроме названных элементов и блоков 1, 4, 5, 6, 29 и 31 прямолинейный отрезок провода 40, заземленный вспомогательным электродом 41, подключенным к электроду 9 скважинного снаряда 1. При настройке добиваются, чтобы при рабочей величине выходного тока 3 генератора

4 обеспечивался уверенный прием, 890348

16

1$

26

3$

ЯО

4$

$6

$$ необходимое усиление, фазочувствительное выпрямление и измерение сигнала, возбуждаемого на выходе датчика 12 током, протекающем в прямолинейном отрезке провода 40. В вертикальном положении оси максимальной чувствительности датчика 12(совпадающей с продольной осью сердечника 22 катушки индуктивности 21) определяют положительное направление этой оси, соответствующее направлению снизу вверх при положительном сигнале на входе измерительного прибора 31, и фиксируют это направление в датчике азимута 25. Этим обеспечивается определение направления вектора магнитной индукции при фиксированном направлении тока во внешней цепи генератора 4 (от электрода 9 скважинного снаряда 1 — к наземному электроду 5).

При определениях вектора скорости движения подземных вод устройство располагают на поверхности земли 39 вблизи устья скважины 42 вскрываю- щей исследуемый водоносный пласт

43, и собирают схему согласно фиг. 1.

Наземный электрод 5, выполненный, например в виде металлического стержня, заземляют вблизи устья скважины

42, В качестве наземного электрода

5 можно использовать также кондуктор скважины 42 (не показан).

Контейнер 14 скважинного снаряда

1 загружают поваренной солью, заливают емкость 7 водой и закрывают клапан подачи 15.

Скважинный снаряд 1 с помощью лебедки 29 и блок-баланса 30 опускают на кабеле 6 в скважину 42 на требуемую глубину. По сигналу с блока управления пакером 32 пульта 3 включают гидронасос 20 на перекачивание воды из ствола скважины 42 в сложенную уплотнительную камеру 19. Расширяясь под давлением поступающей в нее воды, камера 19 перекрывает ствол скважины 42. Включают генератор 4 переменного тока. Электрический ток с выхода генератора 4 по кабелю 6 через вход опорного сигнала фазочувствительного детектора 24 посредством скваямнного и наземного электродов 9 и 5 подается в землю.

Измеряют вектор фоновой магнитной индукции „ на оси скважины 42, для чего по сигналу с блока управления системой ориентации 34 включают электродвигатель 26 и осуществляют поворот датчика магнитной индукции 12 вокруг оси скважинного снаряда I, поддерживая постоянной величину выходного тока 7 генератора

4 и измеряя при помощи измерительного прибора 31 напряжение д0 на выходе фазочувствительного детектора

24, устанавливают датчик магнитной индукции 12 в положение, соответствующее максимальному положительному значению измеряемого напряженияд0 " снимают показания измерительного прибора 31, при помощи системы ориентации 13 определяют азимут 4,> переданного в датчик азимута 25 (посредством зубчатой передачи 35) положительного направления оси максимальной чувствительности датчика магнитной индукции 12. Величину измеренного вектора магнитной индукции Вд определяют по формуле

Во=Кд0 ", а направление вектора Ьд определяют как азимут А

По сигналу с блока управления клапаном подачи 33 открывают клапан 15 и фиксируют момент времени открытия ta

Электролит 44 из емкости 7 через клапан подачи 15 под действием силы тяжести поступает в средний отсек скважинного снаряда 1 и в скважинное пространство в интервал ввода электролита 11, ограниченный верхней частью оболочки уплотнительной камеры

19 и верхней кромкой водопроницаемой боковой поверхности 17, и вытесняет оттуда, как менее плотную пресную воду 45, посредством него фиксируется высота сечения Ь зоны электролита

46 при входе в пласт 43, При этом пресная вода 45 (вытесненная электролитом, а также фильтрующая из водоносного .пласта 43 и свободно проникающая через боковую поверхность

17 среднего отсека) поступает через клапан подачи 15 в емкость 7 и растворяет индикаторное вещество 8 в контейнере 14, превращаясь в электролит 44. Электролит 44 из ствола скважины 42 сносится фильтрационным потоком в водоносный пласт 43, образуя подвижную зону электролита 46 (сечение которой определяется высотой интервала ввода электролита ь 1 и конструкциями скважинного снаряда

1 и фильтра скважины 42), вытянутую по напряжению движения подземных вод. Задний фронт этой зоны 46 ос890 3

2$

30 тается неподвижным около скважинного электрода 9, при помощи которого от генератора 4 к зоне электролита 46 подводят переменный ток

Э, а передний фронт движется со скоростью движения подземных вод.

Повышенная электропроводность подвижной зоны электролита 46 вызывает увеличение плотности электрического тока в пределах этой зоны 10 и возникновение аномального магнитного поля, направление линий индукции 8 которого определяется по правилу буравчика.

В фиксированные моменты времени

t<, t,..., t при помощи датчика 12 и системы ориентации 13 производят измерения вектора магнитной индукции B(t) на оси скважины

42 в одной точке вблизи зоны элек— тролита 46 в той же последовательности, что и при измерении вектора о. Моменты t1, t, t,..., t времени измерения при этом выбирают такими, чтобы соответствующие интервалы времени д t<, дй, д t,... д t z, от— считываемые от момента В открытия клапана 15, составляли геометричную прогрессию со знаменателем, равным

1,5-1,6. При этом первое измерение вектора магнитной индукции 73(t„) производят сразу после открытия клапана

15. Измерения вектора магнитной индукции S(t) прекращают при отсутствии заметных изменений величины измеряемого напряжения дЦ датчика 12 за период от предыдущего (n-1)-го до последующего 1 -ного измерения.

По полученным данным для каждого момента д t„.(1-1- n) определяют аномаль40 ный вектор магнитной индукции В,1 (й „) путем векторного вычитания из вектора магнитной индукции В (д С „) вектора фона магнитной индукции измеренного до открытия клапана 15.

По значениям аномального вектора магнитной индукции 8 (д ;), приведенным к единичному питающему току (l=lA), на билогарифмическом бланке строят график практической зави— симости изменения во времени приведенной величины аномального вектора магнитной индукции Я „(д „)

B (;)

3(дь1)

Величину скорости ц движения под— земных вод определяют по изменению во времени приведенной величины S5 аномального вектора магнитной индукции путем сравнения практического графика Bn(bt;) с палеточной кри4ß 10 вой В (д t) (фиг. 5), построенной в том же масштабе по эмпирическим данным (при тарировке данного устройства в сходных условиях и известной скорости движения подземных вод) или рассчитанной для этих же условий теоретически приведенной к единичной силе тока и единичной действительной скорости. Приведенные на фиг. 5 палеточные кривые Вт(д+) рассчитаны для параметра относительного сопротивления зоны электролита 46

9 =0;- 0,01 и 0 05 при фиксированных значениях эффективного радиуса поперечного сечения зоны электролита

46 и расстояния Н между центрами датчика 12 и электрода 9, равных 0,06 и 0,68 м соответственно, и диаметра

q скважины 42, равном 0,11 м. Эффективный радиус 1 зоны электролита

46 рассчитан по формуле г = ф М1

Совмещение кривых производят, сохЛ раняя взаимную параллельность соответствующих координатных линий. При этом, вследствие различия формы палеточных кривых 8т(дЦ для различных значений относительного сопротивления ,й,зоны электролита 46, совмещение практического графика 9л(дЦ достигается только с одной из палеточных кривых т(д ), параметр которой,М„ соответствует величине относительного сопротивления зоны электролита 46 при выбранном эффективном сечении.

Величину вектора скорости движения подземных вод 7 определяют в положении совмещения кривых, как значение абсциссы палеточной кривой

В (Dt), совпадающей с абсциссой

5t =1 практической кривой Ц„(дЦ, а направление движения подземных вод определяют, в соответствии с проведенной настройкой схемы устройства, как азимут, на 90 больший азимута

А< аномального вектора с,(„) для последнего 1 -ного измерения.

Пример. Предлагаемый способ испытан в полевых условиях, при этом выбраны следующие значения основных параметров, высота интервала ввода электролита dQ =0,028 м, расстояние от зоны электролита до точ— ки измерения вектора магнитной индукции Н=0,038 м, диаметр скважины

8 =0,025 м, частота и величина питающего тока Я =5,8 кГц и 3 =0,04 А.

Чувствительность датчика магнитной индукции К=О 67-10

1 м & 1

890348

При этом величина аномального вектора магнитной индукции 9, измеренная в конце следующих интервалов времени д, отсчитываемых с момента начала ввода электролита, сути: д6 =0,021, 0,042, 0,067, 0,15 и 0,22 сбставляет соответственно, 9g =50,0, 59,6, 68,2, 73,4, и 74,7-!О у, а

-78 d" определенная при сравнении с теорев"

10, тическими кривыми, рассчитанными для укаэанных условий и ряда значений относительного сопротивления зоны электролита р, =О, 0,01 и 0,05, величина действительной скорости подземных вод составляет It =-1,9 м/сут.

Направление движения подземных вод определяют, в соответствии с проведенной настройкой устройства, как азимут, на 90 больший азимута вектора магнитной индукции при условно- положительном направлении питающего тока.

Расхождения между фактическим вектором действительной скорости подземных вод и определенным по предло25 женному техническому решению составляют по направлению — 3,0 град, по величине — 5,07.

Использование предложенного способа и реализующего его устройства обеспечивает независимость точности определения вектора действительной скорости движения подземных вод от глубины залегания водоносного горизонта и характера рельефа дневной поверхности, поинтервальные определения вектора скорости, снижение трудоемкости работ, сокращение длительности периода наблюдений, что

1 повышает экономичность работ и расширит масштабы производственного применения предложенного технического решения.

Формула изобретения

1. Способ определения по одиночной скважине вектора скорости движения подземных вод, включающий создание в водоносном интервале скважины зоны электролита, подведение переменного электрического тока к зоне электролита, измерение характеристик электромагнитного поля и определение элементов вектора скорости движения подземных вод по изменению во времени характеристик электромагнитного поля, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения точности измерения путем исключения ограничения от глубинности исследования скважины и характера дневной поверхности, при создании зоны электролита фиксируют ее высоту, в качестве характеристики электромагнитного поля используют характеристики вектора магнитной индукции, которую измеряют в скважине вблизи зоны электролита, и по изменению во времени величины вектора магнитной индукции с учетом высоты эоны электролита определяют величину скорости движения подземных вод, а направление движения определяют по направлению этого вектора при фиксированном направлении питающего тока.

2. Устройство для определения по одиночной скважине вектора скорости подземных вод, содержащее датчик магнитной индукции с системой его ориентации, измерительный прибор, наземный электрод, подвешенный на кабеле скважинный снаряд с электродом и емкостью с индикаторным веществом, спуско-подъемный механизм скважинного снаряда и генератор переменного электрического тока, соединенный с наземным электродом и скважинным снарядом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, в него введен фазочувствительный де-, тектор, скважинный снаряд снабжен приспособлением для ввода электролита, а емкость с индикаторным веществом снабжена клапаном подачи, причем фазочувствительный детектор соединен измерительным входом с выходом датчика магнитной индукции, опорным входом — с выходом генератора и выходом — с входом измерительного прибора а датчик магнитной индукции.с системой его ориентации размещен в скважинном снаряде.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Матвеев Б.К. Геофизические методы изучения движения подземных вод.

М., Госгеолтехиздат, 1963, с. 33.

2. Авторское свидетельство СССР

9 661481, кл, G 01 V 9/02, 1972.

3. Справочное руководство гидрогеолога. Под ред. В.M,Ìàêñèìîíà, Л., "Недра", 1967, т, 2, с. 131, (прототип).

890348

22

N д

Фи.д

М»

ВНИИПИ Заказ 10986/76 Тираж 735 Подписное илиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4