RU139323U1 - DEVICE FOR DETERMINING THE DIRECTION OF UNDERGROUND WATER FLOW IN A WELL - Google Patents

Abstract

Устройство для определения направления потока подземных вод в скважине, содержащее корпус, разделенный на две цилиндрические герметичные камеры, жестко соединенные между собой стержнями, с образованием открытого пространства для перемещения потока подземных вод между камерами, в котором установлен датчик направления потока, в нижней камере расположен датчик направления магнитного севера со светодиодным источником света, в верхней камере закреплено регистрирующее устройство, в торцах камер установлены прозрачные окошки для наблюдения за положением датчиков, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено резиновыми центраторами, закрепленными на верхней и нижней цилиндрических герметичных камерах устройства, в качестве датчика направления магнитного севера использован компас, закрепленный на карданном подвесе, в качестве датчика направления потока использован флюгер, закрепленный на подвижной оси между цилиндрическими герметичными камерами, в качестве регистрирующего устройства использована видеокамера.A device for determining the direction of groundwater flow in a well, comprising a housing divided into two cylindrical sealed chambers, rigidly interconnected by rods, with the formation of an open space for moving groundwater flow between chambers in which the flow direction sensor is installed, in the lower chamber there is a sensor directions of the magnetic north with an LED light source, a recording device is fixed in the upper chamber, transparent windows are installed at the ends of the cameras for observation according to the position of the sensors, characterized in that it is additionally equipped with rubber centralizers mounted on the upper and lower cylindrical sealed chambers of the device, a compass mounted on a gimbal is used as a direction sensor for the magnetic north, a weather vane mounted on a movable one is used as a direction sensor axis between cylindrical hermetic chambers, a video camera was used as a recording device.

Description

Полезная модель относится к области геофизических исследований скважин и гидрогеологических исследований, может быть использована для определения направления потока подземных вод по пластам, горизонтам, вскрытым скважиной.The utility model relates to the field of geophysical exploration of wells and hydrogeological exploration, can be used to determine the direction of groundwater flow in the layers, horizons, opened by the well.

Известен прибор измерения направления потока подземных вод [И.А. Гаркаленко, В.Ю. Зайченко, А.Ф. Михедько, Н.П. Развалов. Методика геофизических исследований скважин Донбасса. Киев: «Наукова Думка», 1971, с. 137-139], разработанный В.Д. Коваленко, В.Ю. Зайченко и Ю.Б. Лысогорским и опробованный в Донецком бассейне.A known device for measuring the direction of groundwater flow [I.A. Garkalenko, V.Yu. Zaichenko, A.F. Mikhedko, N.P. Razvalov. Methodology of geophysical research of wells of Donbass. Kiev: Naukova Dumka, 1971, p. 137-139], developed by V.D. Kovalenko, V.Yu. Zaichenko and Yu.B. Lysogorsky and tested in the Donetsk basin.

Общим признаком заявляемой полезной модели с данным аналогом является наличие корпуса, состоящего из герметичной камеры, где установлена регистрирующая аппаратура и магнитная стрелка, используемая в качестве привязки к магнитному северу.A common feature of the claimed utility model with this analogue is the presence of a housing consisting of a sealed chamber, where recording equipment and a magnetic needle are installed, used as a reference to magnetic north.

Данный прибор имеет камеру с крашеной жидкостью (чернилами), которая выпускается из отверстия по команде с поверхности. Чернила подхватывает поток подземной воды, и на фоне магнитной стрелки производится фотографирование красящего вещества. Чернила, при перемещении, образуют конус выноса, по форме которого судят о направлении потока. Фотоаппаратура в данном приборе делает снимки на пленку.This device has a chamber with colored liquid (ink), which is released from the hole on command from the surface. Ink picks up a stream of underground water, and against the background of a magnetic arrow, a photograph of the coloring matter is made. Ink, when moving, form a discharge cone, by the shape of which they judge the direction of flow. The camera equipment in this device takes pictures on film.

Недостатками данного прибора являются: применение чернил, которые необходимо заправлять перед каждым спуском и которых может не хватить на длительные исследования, пленочный фотоаппарат необходимо так же заряжать фотопленкой, таким образом, количество точечных замеров ограничивается; информацию о направлении потока получаем не сразу, а только после проявки пленки на поверхности; важно отметить тот факт, что происходит загрязнение подземных вод красящими веществами, нарушая экологическую обстановку.The disadvantages of this device are: the use of ink, which must be refilled before each descent and which may not be enough for long studies, the film camera must also be charged with film, so the number of spot measurements is limited; information on the direction of flow is not obtained immediately, but only after the development of the film on the surface; It is important to note the fact that groundwater is contaminated with coloring materials, violating the ecological situation.

Определение азимута направления потока подземных вод достигается в аналоге только после подъема прибора и проявки пленки, при чем определение угла направления по конусу выноса неточное, невозможно определить интегральное направление потока подземных вод.The determination of the azimuth of the direction of groundwater flow is achieved in the analogue only after lifting the device and developing the film, and the determination of the direction angle by the removal cone is inaccurate, it is impossible to determine the integral direction of groundwater flow.

Известно устройство [Патент РФ на изобретение №2084931, МПК G01V 5/04, E21B 47/10, опубликовано 20.07.1997], позволяющее измерять направление потока подземных вод в скважине.A device is known [RF Patent for the invention No. 2084931, IPC G01V 5/04, E21B 47/10, published July 20, 1997], which makes it possible to measure the direction of groundwater flow in the well.

Общими признаками заявляемой полезной модели с данным аналогом является наличие корпуса, состоящего из герметичной камеры, где установлена магнитная стрелка, используемая в качестве привязки к магнитному северу, и открытого пространства с флюгером.Common signs of the claimed utility model with this analogue is the presence of a housing consisting of a sealed chamber, where a magnetic needle is installed, used as a reference to magnetic north, and open space with a weather vane.

Отличием устройства от заявляемой полезной модели является способ регистрации, который осуществляется с помощью датчика интенсивности светового луча, проходящего через прорезь специального диска. Ширина прорези равномерно изменяется по ширине в зависимости от угла поворота. Диск с прорезью приводится в движение благодаря магнитной стрелке, поворачивающейся на северный магнитный полюс. Через прорезь попадает свет на светочувствительный элемент, показания которого зависят от интенсивности светового луча. Луч проходит через щель переменной ширины. Изменяя ширину щели, меняется интенсивность потока света, проходящего через щель.The difference between the device and the claimed utility model is the registration method, which is carried out using a light beam intensity sensor passing through the slot of a special disk. The width of the slot evenly varies in width depending on the angle of rotation. The slotted disk is driven by a magnetic needle that rotates to the north magnetic pole. Through the slot, light enters the photosensitive element, the readings of which depend on the intensity of the light beam. The beam passes through a slit of variable width. By changing the width of the slit, the intensity of the flow of light passing through the slit changes.

Недостатками устройства является: жесткое соединение магнитной стрелки с диском, которое увеличивает их массу и, соответственно, увеличивает инерционность стрелки к магнитному полю; жесткое скрепление флюгера с камерой, что так же снижает чувствительность к потоку подземной воды за счет общей массы камеры и флюгера. Таким образом, требуется больше времени для установки равновесного состояния флюгера с потоком подземной воды, и магнитной стрелки с магнитным полем Земли.The disadvantages of the device are: a rigid connection of the magnetic needle with the disk, which increases their mass and, accordingly, increases the inertia of the arrow to the magnetic field; rigid fastening of the weather vane with the chamber, which also reduces the sensitivity to the flow of groundwater due to the total mass of the chamber and the weather vane. Thus, more time is required to establish the equilibrium state of the weather vane with the flow of underground water, and the magnetic needle with the Earth's magnetic field.

Получение информации о направлении потока подземных вод достигается с большими погрешностями за счет повышенной инерционности датчиков направления потока и положения магнитного севера, чувствительность измерения соответственно снижена.Obtaining information about the direction of groundwater flow is achieved with large errors due to the increased inertia of the sensors of the direction of flow and the position of the magnetic north, the measurement sensitivity is accordingly reduced.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип является устройство [Патент РФ №2488834 на изобретение, МПК G01P 5/00, опубликовано 27.07.2013], содержащее датчик направления и скорости потока, выполненный в виде грузика, подвешенного в потоке на гибкой нити, свободную магнитную стрелку в прозрачном цилиндрическом контейнере и блок регистрации положения грузика и магнитной стрелки, выполненный в виде скважинного фотоаппарата и осветителя. Контейнер с магнитной стрелкой размещен между осветителем и датчиком направления и скорости потока, а на верхней поверхности контейнера нанесены концентрические окружности равномерно увеличивающегося радиуса. Устройство позволяет одновременно измерять направление и скорости потока подземных вод по водоносным горизонтам, вскрытым одиночной скважиной.The closest in technical essence and adopted for the prototype is the device [RF Patent No. 2488834 for the invention, IPC G01P 5/00, published July 27, 2013], containing a direction and flow velocity sensor made in the form of a weight suspended in a thread on a flexible thread, a free magnetic arrow in a transparent cylindrical container and a unit for recording the position of a weight and a magnetic arrow, made in the form of a downhole camera and illuminator. A container with a magnetic arrow is placed between the illuminator and the flow direction and velocity sensor, and concentric circles of uniformly increasing radius are plotted on the upper surface of the container. The device allows you to simultaneously measure the direction and flow rate of groundwater in the aquifers uncovered by a single well.

Существенными признаками, совпадающими с заявляемой полезной моделью являются: конструкция корпуса, включающая в себя две герметичные камеры; датчик направления потока, установленный в открытом пространстве между камерами; датчик положения магнитного севера, выполненный в виде магнитной стрелки и установленный в нижней герметичной камере; регистрирующее устройство, расположенное в верхней герметичной камере.The essential features that coincide with the claimed utility model are: housing design, including two sealed chambers; flow direction sensor installed in the open space between the cameras; a magnetic north position sensor made in the form of a magnetic arrow and mounted in a lower sealed chamber; a recording device located in the upper sealed chamber.

Недостатком устройства является: использование фотографического устройства, не позволяющее выявлять особенности потока подземных вод в малых интервалах времени (зависит от быстродействия фотоаппаратуры); Для более точной фиксации положения датчика необходимо повышение скорости фотосъемки; фотографическое устройство необходимо заряжать фотопленкой, соответственно, количество точечных замеров ограничивается; информацию о направлении потока подземных вод получаем не сразу, а только после проявки пленки на поверхности; применение маятникового устройства в качестве датчика скорости и направления потока, выполненного в виде грузика на гибкой нити, достаточно сложно с помощью фотокамеры точно определять направление в потоке подземных вод с неравномерным движением, так как за счет силы гравитации и переменного воздействия силы давления струй жидкости на шарик происходит раскачивание шарика, соответственно, в разные моменты времени шарик отклоняется по-разному; зависимость точности показаний от положение корпуса прибора, при увеличении угла возрастает погрешность измерения скорости и направления потока подземных вод, кроме того магнитная стрелка, закрепленная на неподвижной оси относительно корпуса, при отклонении корпуса от вертикали может заклинивать, поэтому измерение таким устройством можно проводить при условиях строго вертикального расположения корпуса прибора по нормали к горизонту, и при равномерных потоках подземных вод.The disadvantage of this device is: the use of a photographic device that does not allow to identify the features of the flow of groundwater in small time intervals (depends on the speed of the camera); For a more accurate fixation of the position of the sensor, an increase in the speed of photography is necessary; the photographic device must be charged with photographic film, respectively, the number of spot measurements is limited; information on the direction of groundwater flow is not obtained immediately, but only after the development of the film on the surface; the use of a pendulum device as a speed sensor and flow direction, made in the form of a weight on a flexible thread, it is quite difficult to accurately determine the direction in the groundwater flow with irregular motion using a camera, because due to the force of gravity and the variable action of the pressure force of the liquid jets on the ball the ball is swinging, respectively, at different points in time, the ball is deflected in different ways; the dependence of the accuracy of the readings on the position of the device’s case, with an increase in the angle, the error in measuring the speed and direction of groundwater flow increases, in addition, the magnetic arrow fixed on a fixed axis relative to the case can jam when the case deviates from the vertical, therefore, measurement with such a device can be carried out under strict conditions the vertical arrangement of the instrument housing normal to the horizon, and with uniform groundwater flows.

Техническим результатом заявляемого устройства является получение визуальной информации о направлении потока подземных вод по пласту, вскрытому скважиной, в режиме реального времени.The technical result of the claimed device is to obtain visual information about the direction of groundwater flow through the reservoir, opened by the well, in real time.

Технический результат достигается применением видеоаппаратуры, установленной в верхней герметичной камере над датчиком направления потока подземных вод (флюгером) и датчиком направления магнитного севера (магнитной стрелкой компаса), где в качестве датчика направления магнитного севера использован компас, закрепленный на карданном подвесе, в качестве датчика направления потока использован флюгер, закрепленный на подвижной оси между герметичными камерами, а в качестве регистрирующего устройства использована видеокамера.The technical result is achieved by the use of video equipment installed in the upper sealed chamber above the groundwater flow direction sensor (weather vane) and magnetic north direction sensor (magnetic compass needle), where a compass mounted on a gimbal is used as a magnetic north direction sensor as a direction sensor the flow used a weather vane mounted on a movable axis between the sealed cameras, and a video camera was used as a recording device.

Заявляемое устройство представляет собой цилиндрический прибор, состоящий из двух герметичных камер из немагнитного материала, соединенных между собой на некотором расстоянии, образуя между торцами пространство, через которое свободно протекает подземная вода. Между камерами помещен флюгер, закрепленный на вертикальной вращающейся оси, соосной основной оси прибора. В нижней камере расположен компас, установленный на карданном подвесе, с прикрепленным к компасу отвесом, необходимому для удерживания плоскости вращения стрелки в горизонтальном положении, перпендикулярно вектору силы тяжести. В верхней герметичной камере из немагнитного материала располагается видеокамера, направленная вертикально вдоль оси прибора в сторону нижней камеры. Торцы верхней и нижней камер оснащены окошками из прочного прозрачного материала (оргстекла), через которые осуществляется оптическая связь во время видеосъемки положения стрелки компаса и флюгера. Внутри нижней камеры располагается светодиодный источник света для освещения циферблата компаса. На фоне освещенного компаса определяется положение тени, отбрасываемой флюгером в сторону видеокамеры. На верхней и нижней цилиндрических герметичных камерах закреплены резиновые центраторы.The inventive device is a cylindrical device consisting of two sealed chambers of non-magnetic material, interconnected at some distance, forming between the ends of the space through which underground water flows freely. Between the cameras there is a weather vane mounted on a vertical rotating axis, coaxial with the main axis of the device. In the lower chamber there is a compass mounted on a gimbal with a plumb bob attached to the compass, which is necessary to hold the plane of rotation of the arrow in a horizontal position, perpendicular to the gravity vector. In the upper sealed chamber of non-magnetic material is a video camera directed vertically along the axis of the device towards the lower chamber. The ends of the upper and lower chambers are equipped with windows made of durable transparent material (plexiglass), through which optical communication is made during video recording of the position of the compass needle and the weather vane. Inside the lower chamber is an LED light source to illuminate the compass dial. Against the background of the illuminated compass, the position of the shadow cast by the weather vane towards the camera is determined. Rubber centralizers are mounted on the upper and lower cylindrical sealed chambers.

Устройство такой конструкции позволяет вести постоянное и длительное видеонаблюдение за положением флюгера относительно магнитного азимута, дает возможность в реальном времени визуально оценивать характер перемещения подземных вод по пласту, вскрытому скважиной. Чувствительность устройства увеличивается за счет снижения инерционности, благодаря свободному вращению флюгера независимо от корпуса и отсутствия скрепленных частей с магнитной стрелкой.A device of this design allows constant and long-term video monitoring of the position of the wind vane relative to the magnetic azimuth, makes it possible in real time to visually assess the nature of the movement of groundwater through the reservoir exposed by the well. The sensitivity of the device is increased by reducing inertia, due to the free rotation of the wind vane, regardless of the case and the absence of fastened parts with a magnetic arrow.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности.The presence of distinctive features allows us to conclude that the claimed utility model meets the patentability condition.

На поверхности проверяется связь компьютера с видеокамерой устройства через каротажный кабель и работоспособности видеокамеры. Питание камеры может осуществляться, как автономно (от батареи, установленной внутри устройства), так и через свободные жилы кабеля от наземного блока питания. Проверяется фокус видеокамеры, который должен быть настроен на табло компаса. Корректировка фокуса должна производиться с погружением межкамерного отсека в воду. Устройство соединяется с каротажным кабелем с помощью герметичного соединения (геофизической головки) и спускается с помощью лебедки на исследуемую глубину, где расположен водоносный горизонт. Включается запись видеосигнала. Изображение магнитной стрелки и флюгера с видеокамеры передается на поверхность по кабелю и поступает на компьютер, где с помощью программы обработки видеоизображения ведется непосредственное наблюдение и запись. Глубина контролируется по датчику глубин каротажной станции, а время фиксируется по системным часам компьютера.On the surface, the connection of the computer with the video camera of the device through the logging cable and the health of the video camera are checked. The camera can be powered either autonomously (from a battery installed inside the device), or through free cable cores from a ground power supply. The focus of the camcorder is checked, which should be set on the compass display. Focus adjustment should be done by immersing the inter-chamber compartment in water. The device connects to the logging cable using a sealed connection (geophysical head) and descends with the help of a winch to the studied depth, where the aquifer is located. Video recording starts. The image of the magnetic needle and the weather vane from the video camera is transmitted to the surface by cable and fed to a computer, where, using the video processing program, direct observation and recording is carried out. The depth is monitored by the depth sensor of the logging station, and the time is recorded by the system clock of the computer.

Полезная модель поясняется чертежами, где:The utility model is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 представлен общий вид заявленного устройства; на фиг. 2 - разрез по Α-A на фиг. 1.in FIG. 1 shows a General view of the claimed device; in FIG. 2 is a section along Α-A in FIG. one.

В представленном на чертеже устройстве элементы обозначены следующими цифровыми позициями: верхняя цилиндрическая герметичная камера 1, с установленной в ней видеокамерой 2 и автономным источником питания 11; нижняя цилиндрическая герметичная камера 4, с закрепленным компасом 5 с отвесом 7 на карданном подвесе 6 и светодиодным источником света 8; флюгер 3, установленный между верхней и нижней цилиндрическими герметичными камерами 1 и 4 на подвижной оси 15; жесткие стержни 9 из немагнитного материала малого диаметра; окошки 10 из прозрачного и прочного материала; резиновые центраторы 12, закрепленные на верхней и нижней камерах устройства; геофизическая головка 13; каротажный кабель 14.In the device shown in the drawing, the elements are indicated by the following digital positions: upper cylindrical sealed chamber 1, with a video camera 2 installed in it and an autonomous power source 11; lower cylindrical sealed chamber 4, with a fixed compass 5 with a plumb line 7 on a gimbal suspension 6 and an LED light source 8; weather vane 3 mounted between the upper and lower cylindrical hermetic chambers 1 and 4 on the movable axis 15; rigid rods 9 of non-magnetic material of small diameter; windows 10 made of transparent and durable material; rubber centralizers 12 mounted on the upper and lower chambers of the device; geophysical head 13; wireline 14.

Принцип работы следующий. Устройство соединяется с каротажным кабелем 14 с помощью геофизической головки 13 и спускается на кабеле 14 в скважину на глубину с водоносным горизонтом (фиг. 1). Корпус прибора устанавливается напротив пласта с наличием потока подземных вод вдоль пласта. Резиновыми центраторами 12 прибор центрируется в стволе скважины, то есть корпус прибора располагается примерно на одинаковом расстоянии от стенок скважины. Между верхней и нижней цилиндрическими герметичными камерами 1 и 4 попадает поток жидкости, который поворачивает флюгер 3 по направлению потока, за счет смещенного центра масс флюгера 3 относительно подвижной оси вращения 15. Благодаря малому диаметру соединительных стержней 9 создается минимальное сопротивление потоку пластовой воды. Магнитная стрелка компаса 5 под воздействием естественного магнитного поля Земли, поворачивается северным концом на магнитный север. Светодиодным источником света 8 подсвечивается табло компаса 5. Между северным концом магнитной стрелки компаса 5 и положением флюгера 3 образуется угол а, определяющий азимут направления потока (фиг. 2). Установленная в верхней цилиндрической герметичной камере 1 видеокамера 2 снимает видеоизображение положения флюгера 3 и магнитной стрелки компаса 5, которое передается по каротажному кабелю 14 на поверхность для регистрации на компьютере (на чертеже не показан). Для наблюдения за положением стрелки компаса 5 и флюгером 3 установлена оптическая связь с помощью прозрачных окошек 10. Светодиодный источник света 8 применяется для минимального воздействия на магнитную стрелку компаса 5 электромагнитным полем. В случае расположения источника света 8 рядом с видеокамерой 2, направленного на флюгер 3, может ухудшиться видимость за счет появления бликов, возникающих на поверхностях окошек камер 1 и 4. Расположение источника света 8 внутри нижней камеры 4 устраняет этот недостаток. Для запитывания видеокамеры 2 и светодиодного источника света 8 может использоваться один из каналов связи 3-жильного каротажного кабеля 14, либо автономный источник питания 11 при использовании 1 - жильного каротажного кабеля.The principle of operation is as follows. The device is connected to the logging cable 14 using the geophysical head 13 and descends on the cable 14 into the well to a depth with an aquifer (Fig. 1). The device body is installed opposite the formation with the presence of groundwater flow along the formation. With rubber centralizers 12, the device is centered in the wellbore, that is, the body of the device is approximately the same distance from the walls of the well. Between the upper and lower cylindrical sealed chambers 1 and 4, a fluid stream enters, which turns the vane 3 in the direction of flow, due to the shifted center of mass of the vane 3 relative to the movable axis of rotation 15. Due to the small diameter of the connecting rods 9, a minimum resistance to the flow of produced water is created. The magnetic needle of compass 5, under the influence of the Earth's natural magnetic field, rotates with its north end to magnetic north. The LED of the light source 8 illuminates the compass display 5. An angle a is formed between the northern end of the magnetic needle of the compass 5 and the position of the weather vane 3, which determines the azimuth of the flow direction (Fig. 2). A video camera 2 installed in the upper cylindrical sealed chamber 1 captures a video image of the position of the weather vane 3 and the magnetic arrow of the compass 5, which is transmitted via a wireline 14 to the surface for registration on a computer (not shown). To monitor the position of the compass needle 5 and weather vane 3, optical communication is established using transparent windows 10. The LED light source 8 is used to minimize exposure to the magnetic needle of the compass 5 with an electromagnetic field. In the case of the location of the light source 8 next to the video camera 2, aimed at the weather vane 3, visibility may deteriorate due to glare occurring on the surfaces of the windows of the cameras 1 and 4. The location of the light source 8 inside the lower camera 4 eliminates this disadvantage. To power the video camera 2 and the LED light source 8, one of the communication channels of a 3-wire logging cable 14, or an autonomous power source 11 can be used when using a 1-wire logging cable.

Claims (1)

Устройство для определения направления потока подземных вод в скважине, содержащее корпус, разделенный на две цилиндрические герметичные камеры, жестко соединенные между собой стержнями, с образованием открытого пространства для перемещения потока подземных вод между камерами, в котором установлен датчик направления потока, в нижней камере расположен датчик направления магнитного севера со светодиодным источником света, в верхней камере закреплено регистрирующее устройство, в торцах камер установлены прозрачные окошки для наблюдения за положением датчиков, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено резиновыми центраторами, закрепленными на верхней и нижней цилиндрических герметичных камерах устройства, в качестве датчика направления магнитного севера использован компас, закрепленный на карданном подвесе, в качестве датчика направления потока использован флюгер, закрепленный на подвижной оси между цилиндрическими герметичными камерами, в качестве регистрирующего устройства использована видеокамера.

A device for determining the direction of groundwater flow in a well, comprising a housing divided into two cylindrical sealed chambers, rigidly interconnected by rods, with the formation of an open space for moving groundwater flow between chambers in which the flow direction sensor is installed, in the lower chamber there is a sensor directions of the magnetic north with an LED light source, a recording device is fixed in the upper chamber, transparent windows are installed at the ends of the cameras for observation according to the position of the sensors, characterized in that it is additionally equipped with rubber centralizers mounted on the upper and lower cylindrical sealed chambers of the device, a compass mounted on a gimbal is used as a direction sensor for the magnetic north, a weather vane mounted on a movable one is used as a direction sensor axis between cylindrical hermetic chambers, a video camera was used as a recording device.

Images