Разработка акустического измерительного комплекса мониторинга подземных камер

• Автор: Монахов, Юрий Сергеевич
• Шифр специальности: 05.11.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 112 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Акустические системы измерений 8 Глава 2. Измерительная система
2.1. Первичные акустические преобразователи
2.1.1. Акустическая локация. Излучатели и приемники излучения
2.1.2. Радиальный и донный излучатели
2.2. Структура измерительной системы
2.2.1. Блок кинематики
2.2.2. Блок преобразователей 3
2.2.3. Блок ориентации
2.3. Выводы к главе 2
Глава 3. Влияние динамики на точность измерений
3.1. Измерительная система, как двухмассовая колебательная
система
3.2. Расчет коэффициентов демпфирования
3.3. Моделирование динамической системы
3.4. Анализ динамической системы по ее передаточной функции
3.5. Выводы к главе 3
Глава 4. Обработка результатов измерений. Объемная визуализация данных
4.1. Форматы представления данных
4.2. Алгоритмы обработки данных
4.3. Разработка и реализация алгоритмов
4.4. Выводы к главе 4
Глава 5. Метрологический стенд и методика поверки
5.1. Методика поверки прибора
5.2. Выводы к главе 5
Заключение
Литература
Приложения
Введение
В процессе закрытой разработки подземных месторождений остро стоит проблема контроля за внутренним состоянием скважины и определения размеров, формы и пространственного образа подземных камер.
Одним из подходов, на основании которых представляется возможным построение подобных систем является использование ультразвука [25, 29] благодаря тому, что исследуемые скважины заполнены жидкостью (в случае соледобычи - рассолом), в которой ультразвук может свободно распространяться, в отличие от систем, построенных на оптических методах измерения (например, с использованием лазерного излучения), которые будут иметь большие погрешности из-за преломления, затухания и отражения излучения.
Звуколокация ещё с начала 20 века использовалась в качестве метода для измерения расстояний (глубин) в эхолотах и в гидролокаторах для обнаружения подводных лодок [16]. Начиная с 30-х годов звуколокацию стали использовать для составления карт донных поверхностей водоёмов и исследования поверхности слоёв донных отложений. С 40-х годов звуколокацию стали применять для инженерно-геологических изысканий и съёмки горных выработок. С конца 50-х годов назрел вопрос необходимости съёмки камер выщелачивания соли, глубоких вертикальных рудоспусков и других недоступных для человека выработок через буровые скважины [28]. Подобные исследования проводились специалистами Ленинградского горного института Д.А.Казаковским, Г.А.Кротовым [29], А.А.Гуревичем, В.Б.Арановским, Л.Н.Рудневым, И.А.Прудовым и В.К.Чумаком. В конце 1990-х годов эти работы были активизированы в СПбГУ ИТМО и БГТУ «Военмех» М.А.Ноздриным и В.К.Кругликовым [36, 47, 51, 52, 53]. Они решили проблему контроля за состоянием скважин с помощью использования различных ультразвуковых излучателей. Одновременно с ними вопросами создания аппаратуры для проведения исследований скважин

занимались Д.В.Белоконь, Н.В.Козяр, Н.А.Смирнов [1, 8, 26, 32, 33, 66] и другие авторы.
При ультразвуковой локации скважин малой глубины (не более нескольких десятков метров) и протяженности возможно применение установок установленных на поверхности земли. Однако при локации каверн большой глубины и протяженности, а также необходимости более точного определения их размеров данный подход неосуществим. Становится необходимо погрузить с помощью каротажной станции антенную часть прибора непосредственно в скважину, для её исследования [30]. Каротажная станция - это мобильная автоматическая установка для проведения геофизических исследований в скважинах. Каротажная станция включает в себя скважинные приборы и зонды, являющиеся датчиками геофизических параметров; наземную аппаратуру, позволяющую регистрировать результаты измерений скважинных приборов и зондов в аналоговой или цифровой форме; специальный (каротажного или геофизического) кабель, с помощью которого скважинный прибор подключается к наземной аппаратурое; лебёдки для проведения спуска и подъёма прибора в скважине. Автоматические каротажные станции обычно реализуются на базе одного или двух автомобилей, причём в последнем случае наземная измерительная аппаратура установлена в автомашине-лаборатории, а лебёдка, кабель и набор скважинных приборов объедиЩуь в самоходный каротажный подъёмник. На серийных каротажных станциях можно выполнять все виды геофизических работ в скважинах глубиной до 7 км регистрируя за одну операцию спуска до 4-5 различных параметров.
При скважинной добыче ресурсов на месторождении с поверхности Земли бурят скважины на глубину до 2000 метров на расстоянии 200 метров друг от друга. В скважину вставляются обсадная и две технологические колонны. В зазор между технологическими колоннами под давлением подается вода (в случае добычи соли), а через центральную технологическую колонну отсасывается рассол. При растворении соли образуется камера,
- Кинематическая погрешность передачи, приведенная к выходному валу [76]: F’I9z= 51,8 угл. мин;
- Максимальный кинематический мертвый ход передачи, приведенный к выходному валу: J’vг- = 26,8 угл. мин.
- Коэффициент полезного действия редуктора под нагрузкой: ц = 0.8.
2.2.2. Блок преобразователей
Механизм поворота радиальной антенны. При скважинной разработке месторождений существует вероятность появления размыва свода камеры вдоль обсадной колонны. Данное явление очень опасно и крайне нежелательно. Для контроля отсутствия такого размыва необходимо производить мониторинг «потолка» камеры. Так же проведение аналогичного мониторинга сводов актуально для подземных хранилищ нефти и газа.
При выборе конструктивной схемы блока преобразователей учитывались условия эксплуатации прибора, которые накладывают определённые ограничения на возможные варианты реализации поворотного механизма:
-механизм должен вписываться в диаметр технологической трубы (для различных скважин могут составлять 127, 146 и 168 мм), -должна соблюдаться герметичность прибора (не допускается попадание солевого раствора на движущиеся части поворотного механизма и внутреннюю полость скважинного прибора) при максимальном внешнем давлении 18 МПа.
-рычаг с антенной в рабочем положении должен выходить за пределы обсадной колонны (8 дюймов = 203,2 мм).
-максимальная погрешность угла поворота рычага 1°.
Исходя из приведенных требований, для реализации механизма поворота радиальной антенны решено использовать конструкцию с шаговым двигателем и редуктором. В редукторе использована червячная