устройство для определения состава горной породы в процессе бурения скважины

Формула изобретения

Устройство для определения состава горной породы в процессе бурения скважин, содержащее оптический блок, включающий источник инфракрасного излучения, измерительный канал с кюветой пробы анализируемой горной породы, канал сравнения с кюветой сравнения и систему сферических зеркал, оптически связанных с набором светофильтров и источником ИК-излучения, и измерительно-преобразовательный блок, включающий приемник инфракрасного излучения, подключенный к блоку усиления, выход которого соединен с блоком синхронизации сигналов, выполненным в виде детекторов измерительного канала и канала сравнения, выходы которых подключены к блоку определения оптической плотности, подключенному к аналого-цифровому преобразователю, и блок индикации, отличающееся тем, что в оптический блок введены блок адаптации эталонных проб смесей горной породы с подключенным к его выходу приводом установки проб смесей, блок адаптации оптической фильтрации горной породы с подключенным к его выходу приводом установки светофильтров, а в измерительно-преобразовательный блок введен блок управления, причем блок усиления выполнен в виде последовательно соединенных предусилителя и усилителя с автоматической регулировкой усиления, а канал сравнения содержит “n” эталонных проб смесей горных пород с разными значениями концентраций минералов, при этом выход детектора измерительного канала подключен к управляющему входу усилителя с автоматической регулировкой усиления, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу микропроцессорного контроллера, информационный выход которого подключен к блоку индикации, а управляющий выход - ко входам блоков адаптации эталонных проб смесей горной породы и оптической фильтрации горной породы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования скважин в процессе бурения и предназначено для определения минерального состава керна и шлама на устье скважины.

Известно устройство для анализа геологических объектов, в частности для определения минерального состава пород в процессе бурения скважин, включающее оптико-механический блок с измерительным каналом, обеспечивающий прием, преобразование и передачу на вход приемника инфракрасного излучения (ИК) оптической информации, электронный блок, выделяющий с выхода приемника инфракрасного излучения электрический сигнал, пропорциональный величине информативного параметра, а также канал сравнения для компенсации погрешности, обусловленной температурной и временной нестабильностями параметров оптико-электронных элементов (см. Мелик-Шахназаров А.М. и др. Оптико-электронные ИИС оперативного ИК анализа геологических объектов. - В журнале: Приборы и системы управления. 1986, №8).

Указанное устройство ограничено числом измерительных каналов в системе, так как используемые приемники ИК излучения имеют ограниченный частотный диапазон. Увеличение числа каналов приводит к усложнению оптико-механического и электронного блоков системы, что сужает возможности применения систем данного типа.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения минерального состава пород в процессе бурения, состоящее из оптического блока, включающего источник инфракрасного излучения, измерительный канал с кюветой пробы анализируемой горной породы, канал сравнения с “пустой” кюветой, и систему сферических зеркал, оптически связанных с набором светофильтров и источником инфракрасного излучения, и измерительно-преобразовательный блок, включающий приемник инфракрасного излучения, подключенный к блоку усиления, выход которого соединен с блоком синхронизации сигналов, выполненным в виде детекторов измерительного канала и канала сравнения, выходы которых подключены к блоку определения оптической плотности, подключенного к аналого-цифровому преобразователю, и блок индикации (см. Моисеенко А.С. и др. Инфракрасный спектральный анализатор полевого типа для анализа минерального состава и нефтесодержания керна и шлама. В журнале: Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности, 1983, №11).

В известном устройстве в процессе бурения скважины периодически отбирают шлам с привязкой его к глубине и при помощи шаровой мельницы или в агатовой ступке порцию шлама измельчают в присутствии нейтрального растворителя, например этилового спирта, и равномерным слоем наносят на оптическое стекло.

В качестве оптического стекла используют плоскопараллельные пластины из NaCl, КВr или любого другого кристалла, прозрачного в области характеристических полос поглощения исследуемых минералов. Полученную пробу помещают в ход луча между источником и приемником излучения и регистрируют величину интегральных интенсивностей характеристических полос поглощения для каждого минерала исследуемой породы. Коэффициент преобразования при регистрации интегральной интенсивности исследуемых полос выбирают в зависимости от их положения в спектре и в зависимости от их интенсивности устанавливают либо предварительно для каждого минерала, либо автоматически за счет введения обратной связи в устройство.

В случае наиболее часто встречающихся в разрезах нефтяных и газовых скважин трехкомпонентных смесей исследования проводят при помощи основных десяти сменных интерференционно-дисперсионных светофильтров. В устройстве используется метод коррекции величины оптической плотности пробы данной характеристической полосы на величину оптической плотности пробы влияющей полосы с коэффициентом пропорциональности, равным величине отношений интегральных коэффициентов молярной экстинкции для данных характеристических полос, соответствующих чистым минералам.

К недостаткам устройства следует отнести его узкие функциональные возможности, так как устройство не обеспечивает необходимой достоверности определения концентраций минералов в исследуемой горной породе в широком диапазоне их изменения. Невысокая достоверность определения концентраций минералов в горной породе обусловлена использованием в устройстве оптических фильтров только лишь с одной спектральной полосой, характерной для данного минерала. В связи со значительным наложением спектральных полос некоторых породообразующих минералов, таких, например, как глины и песчаники, это приводит к значительным погрешностям в определении концентраций, скомпенсировать которые не удается в достаточной степени в процессе их расчета.

Используемые значения коэффициентов , учитывающих форму характеристической полосы поглощения каждого минерала, приводят к значительным погрешностям в определении концентраций минералов в исследуемой горной породе, поскольку значения коэффициентов зависят как от величин концентраций минералов в смеси, так и от степени измельчения пробы и ее толщины. Так, в частности, для глин коэффициент изменяется в пределах от 0,6 до 0,8 при изменении концентрации глины в породе от 10 до 90%. Изменение величины в зависимости от концентраций минералов в породе приводит к значительным относительным погрешностям измерений (до 15-20%). Особенно недостоверными являются результаты, полученные при анализе смеси, где концентрации минералов примерно равны друг другу. Так, в наиболее часто встречающейся на практике двухкомпонентной смеси глина-песчаник наибольшая погрешность в измерении их концентраций наблюдается в зоне от 35 до 65%.

В основу настоящего изобретения положена задача создания устройства, позволяющего повысить достоверность определения концентраций минералов в исследуемой горной породе за счет адаптации измерительного процесса к исследуемым величинам, а именно к концентрациям минералов исследуемой горной породы, и, как следствие, расширить диапазон исследуемых горных пород.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для определения состава горной породы в процессе бурения скважин, содержащее оптический блок, включающий источник инфракрасного излучения, измерительный канал с кюветой пробы анализируемой горной породы, канал сравнения с кюветой сравнения, и систему сферических зеркал, оптически связанных с набором светофильтров и источником ИК излучения, и измерительно-преобразовательный блок, включающий приемник инфракрасного излучения, подключенный к блоку усиления, выход которого соединен с блоком синхронизации сигналов, выполненным в виде детекторов измерительного канала и канала сравнения, выходы которых подключены к блоку определения оптической плотности, подключенного к аналого-цифровому преобразователю, и блок индикации, согласно изобретению в оптический блок введены блок адаптации эталонных проб смесей горной породы с подключенным к его выходу приводом установки проб смесей, блок адаптации оптической фильтрации горной породы с подключенным к его выходу приводом установки светофильтров, в измерительно-преобразовательный блок введен блок управления, причем блок усиления выполнен в виде последовательно соединенных предусилителя и усилителя с автоматической регулировкой усиления, а канал сравнения содержит n эталонных проб смесей горных пород с разными значениями концентраций минералов, при этом выход детектора измерительного канала подключен к управляющему выходу усилителя с автоматической регулировкой усиления, выход аналого-цифрового преобразователя подключен к информационному входу микропроцессорного контроллера, информационный выход которого подключен к блоку индикации, а управляющий выход - ко входам блоков адаптации эталонных проб смесей горной породы и оптической фильтрации горной породы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг.2 показаны примеры выполнения блоков адаптации эталонных проб смесей горной породы и оптической фильтрации соответственно с блоками смены проб смесей и оптических фильтров, на фиг.3 - блок-схема алгоритма работы блока управления, на фиг.4 - диаграмма характеристических полос инфракрасных спектров глинистых и кварцевых минералов.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит оптический I и измерительно-преобразовательный II блоки. Блок I состоит из источника инфракрасного излучения 1, модулятора 2, оптической схемы с измерительным каналом 3 и каналом сравнения 4.

Измерительный канал 3 содержит кювету 5 пробы анализируемой горной породы и систему сферических зеркал 6, а канал сравнения 4 включает кювету сравнения 7 с “n” эталонными пробами смесей горных пород 8 с разными значениями концентраций минералов, систему сферических зеркал 9, привод установки эталонных проб смесей 10, вход которого соединен с выходом блока адаптации эталонных проб смесей 11.

Система фокусировки зеркал 12 оптического блока I связана оптически с системой сферических зеркал 6 и 9 соответственно измерительного канала и канала сравнения и с набором оптических фильтров 13, устанавливаемых с помощью привода 14, вход которого соединен с выходом блока адаптации оптической фильтрации горной породы 15. Оптические фильтры 13 имеют полуширину пропускания, удовлетворяющую следующему условию:

где _i - полуширина i-го фильтра;

_i - коэффициент, учитывающий форму характеристической полосы поглощения i-го минерала;

_i1, _i2 - длины волн, ограничивающие характеристическую полосу поглощения i-го минерала;

f_i() - спектр поглощения i-гo минерала;

K_i - коэффициент пропускания в максимуме полосы пропускания i-гo фильтра,

i - номер фильтра.

Блок II содержит электронную схему, состоящую из последовательно соединенных приемника излучения 16, предусилителя 17, усилителя с автоматической регулировкой усиления 18, синхронных детекторов 19 измерительного канала 3 и 20 канала сравнения 4 со схемой синхронизации, реализованной в виде подачи на детекторы 19 и 20 синхроимпульсов, выходы которых через блок 21 вычисления оптической плотности соединены со входом аналого-цифрового преобразователя 22, выход которого соединен со входом микропроцессорного контроллера 23, выход которого соединен с блоком индикации 24 и блоками адаптации 11 и 15, причем выход усилителя 18 соединен со входами синхронных детекторов 19 и 20 измерительного канала 3 и канала сравнения 4, а управляющий вход усилителя 18 соединен с выходом синхронного детектора 19 канала сравнения 4. Блок управления 23 выполнен на базе микропроцессора, алгоритм работы которого приведен на фиг.3.

Блок адаптации III (фиг.2) эталонных проб смесей горных пород 11 и оптической фильтрации 15 идентичны по своему выполнению и содержат дешифратор 25, вход которого соединен с выходом микропроцессорного контроллера 23, а выходы соединены с входами усилителей 26 (1-n), выходы которых соединены с входами блоков задержки сигналов 27 ( _з1,..., _зn), выходы которых соединены со входом смесителя сигналов 28, выход которого соединен с обмоткой шагового двигателя 29, входящего в состав приводов проб смесей 10 или оптических фильтров 14. Вал шагового двигателя 29 с помощью механической передачи обеспечивает выборку заданного оптического фильтра или эталонную пробу смеси горной породы из их набора.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В процессе исследований для повышения надежности определения концентрации компонентов в песчано-глинистом разрезе используется не одна, а несколько характеристических полос, присущих данным минералам, по которым и осуществляется расчет искомых концентраций. Для этого на определенном этапе измерительного процесса по команде микропроцессорного контроллера последовательно подключаются дополнительные оптические фильтры и затем в канал сравнения последовательно вводятся кюветы с пробами эталонных смесей. Полученные дополнительные данные используются для корректировки результатов определения концентраций минералов в исследуемой горной породе.

Измерения с предлагаемым устройством проводятся в следующей последовательности. Вначале определяется концентрация минеральных групп карбонатов и сульфатов, а далее глинистых и кварцевых минералов. Характеристические полосы инфракрасных спектров карбонатов и сульфатов не накладываются друг на друга и слабо накладываются на полосы кварцевых и глинистых минералов, поэтому определение их концентраций в смеси не представляет трудностей и осуществляется последовательным использованием соответствующих фильтров основной группы. Определение концентраций глинистых и кварцевых минералов сложнее - их характеристические полосы накладываются друг на друга в значительно степени (фиг.4). Вначале осуществляется измерение их концентраций соответствующими фильтрами основной группы. Для более достоверного определения их концентраций в смеси в тех случаях, когда они отличаются незначительно, проводятся измерения с дополнительными фильтрами на следующих длинах волн: для глины - 913 см^-1; для кварца - 850 см^-1 , 800 см^-1, 697 см^-1. Вначале измерения осуществляют на фильтре 913 см^-1. В случае значительных отсчетов на этом фильтре можно считать, что в песчано-глинистой смеси превалирует глинистый минерал. Уточнение концентрации песчаника осуществляется на фильтрах 800 см^-1 и 697 см^-1 . Если же на фильтре 913 см^-1 отсчеты незначительны, то в смеси превалирует песчаник, уточнение концентрации глины осуществляется с учетом показаний на фильтрах 1090 см^-1 и 850 см^-1.

Для дальнейшего подтверждения полученных результатов осуществляется последовательно сравнение сигналов, получаемых с измерительного канала и сигналов с канала сравнения, содержащего в своем составе “n” сменных эталонных проб смесей глин и песчаников с различными концентрациями компонентов. Обычно это следующие смеси: 1) 50% глин и 50% песчаников, 2) 45% глин и 55% песчаников, 3) 40% глин и 60% песчаников, 4) 35% глин и 65% песчаников, 5) 45% песчаников и 55% глин, 6) 40% песчаников и 60% глин, 7) 35% песчаников и 65% глин. Выбор конкретной эталонной пробы обусловлен результатами, полученными при проведении анализа с указанными выше дополнительными светофильтрами. Так, если был получен результат спектрального анализа исследуемой смеси, заключающийся в том, что в ней содержится 40% глин и 60% песчаников, то следует в качестве эталонных смесей последовательно использовать смеси 3 и 6.

Устройство работает следующим образом.

Электрический сигнал после приемника инфракрасного излучения 16 поступает на предусилитель 17 и далее через усилитель с автоматической регулировкой усиления 18 на синхронные детекторы 19 и 20. Частотные разделения измерительного канала 3 и канала сравнения 4 повышают помехоустойчивость устройства, и на выходе синхронных детекторов 19 и 20 благодаря схеме синхронизации формируются сигналы, пропорциональные интенсивности прошедшего и падающего на исследуемую пробу излучения, которые преобразуются в блоке 21 вычисления оптической плотности в соответствии с формулой (1), далее аналоговые сигналы D_i преобразуются в цифровой код в блоке аналого-цифрового преобразователя 22, причем величину оптической плотности пробы D_i для i-й полосы определяют по формуле:

где I₀ - интенсивность падающего, а I_i - интенсивность прошедшего через пробу излучения в заданном спектральном интервале, после которого информация поступает в микропроцессорное устройство 23, где производится вычисление количественного содержания компонентов в исследуемой пробе, результат регистрируется в блоке индикации 24.

Включение усилителя 18 с регулируемым коэффициентов усиления позволяет автоматически менять коэффициент преобразования при регистрации интегральной интенсивности в зависимости от положения характеристической полосы в спектре и формы используемого фильтра. Так, при определении количественного содержания минерала, узкая характеристическая полоса которого расположена в дальней инфракрасной области, интенсивность источника излучения по закону Стефана-Больцмана падает, что резко снижает уровень сигнала на выходе синхронного детектора 19 канала сравнения 4, и на управляющий вход усилителя 18 поступает сигнал, увеличивающий его коэффициент усиления. Аналогичным образом усилитель 18 осуществляет изменение коэффициента преобразования при различной полуширине используемых оптических фильтров 13, что позволяет использовать предлагаемое устройство для анализа минерального состава керна и шлама сложного состава.

В случае близости концентраций песчаника и глины в исследуемой породе микропроцессорный контроллер 23 вырабатывает специальные коды (коды фильтров), подаваемые на блок адаптации 15. В дешифраторе 25 блока адаптации эти коды преобразуются в аналоговые сигналы, которые с его выходов 1...n поступают на усилитель 26 (1...n) и далее на блоки временных задержек сигналов 27 ( _з1,..., _зn). Разделенные по времени сигналы поступают на смеситель 28 и далее на обмотку шагового двигателя 29. В зависимости от значения двоичного кода на входе дешифратора 25 шаговый двигатель 29 отрабатывает определенное количество шагов и обеспечивает установку оптических фильтров из дополнительных 13 фильтров, необходимых для продолжения измерительного процесса.

После проведения измерений с дополнительными фильтрами микропроцессорный контроллер 23 аналогично специальным кодом вырабатывает команду установки кюветы с требуемой эталонной смесью через блок адаптации 11 и привод 10.

Полученная в результате измерений с дополнительными фильтрами и эталонными смесями информация используется для корректировки результатов, полученных при использовании основной программы обработки.

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера приведен на фиг.3. 1 - пуск, 2 - подпрограмма определения типа разреза (карбонатный, песчано-глинистый), 3 - подпрограмма определения минералов карбонатного разреза (известняк, доломит, гипс, ангидрит), 4 - основная подпрограмма определения минералов в песчано-глинистом разрезе (глины, песчаники), 5 - дополнительная подпрограмма определения минералов в песчано-глинистом разрезе (с использованием дополнительных фильтров), 6 - дополнительная подпрограмма определения минералов в песчано-глинистом разрезе (с использованием кювет с эталонными смесями), 7 - вывод на индикацию (регистрацию), 8 - конец. Алгоритм дополнительной подпрограммы определения минералов в песчано-глинистом разрезе с использованием дополнительных фильтров. 9 - старт дополнительной подпрограммы определения минералов в песчано-глинистом разрезе с использованием дополнительных фильтров, 10 - определение кодов фильтров по данным предварительного расчета, 11 - подача кодов на блок адаптации фильтров, 12 - ввод информации с дополнительных фильтров, 13 - возврат в основную программу. Алгоритм дополнительной подпрограммы определения минералов в песчано-глинистом разрезе с использованием кювет с эталонными смесями. 14 - старт дополнительной подпрограммы определения минералов в песчано-глинистом разрезе с использованием кювет с эталонными смесями, 15 - определение кодов эталонных смесей по данным предварительного расчета, 16 - подача кодов на блок адаптации эталонных смесей, 17 - ввод информации, полученной с использованием эталонных смесей, 18 - возврат в основную программу.

Предлагаемое изобретение наиболее целесообразно использовать для количественного анализа минерального состава пород осадочного комплекса при бурении скважин на нефть и газ.