Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Высокие требования к качеству и объему геологической информации, получаемой в скважинах, и возросшая роль методов каротажа диктуют необходимость постоянного совершенствования технологии и методики геофизических исследований скважин. До последнего времени проведение ГпВ~ '"'* "- при поисках и разведке месторождений различных полезных ископаемых осуществляется преимущественно по традиционно сложившимся технологиям с использованием морально устаревшей измерительной аппаратуры аналогового типа. Это с одной стороны сопровождается количественным наращиванием единиц специализированной измерительной аппаратуры для проведения полных комплексов ГИС, повышением экономических затрат на исследование скважин из-за значительной стоимости всей номенклатуры разнотипных приборов и возрастающей задолженности скважин под каротаж, с другой - существенно препятствует внедрению современных методов первичной обработки и комплексной интерпретации ГИС на основе использования современной вычислительной техники.
Анализ отечественных и зарубежных достижений свидетельствует, что на современном этапе принципиальное решение этой проблемной задачи может быть достигнуто на основе создания информационно-измерительных систем специализированных по условиям проведения ГИС для конкретных типов месторождений полезных ископаемых и включающих в себя компьютеризованную каротажную станцию с бортовым компьютером, набор скважинных измерительных приборов или комплексных модулей, необходимых для реализации разработанных технологий и методик ГИС за минимальное количество спуско-подъемных операций, средства метрологической аттестации и калибровки скважинных преобразователей первичной информации и пакеты прикладных и технологических программ, реализующие сбор , хранение, обработку и вывод данных ГИС в форме, удобной для дальнейшего использования.
В рамках этой проблемы, едва ли не самой трудоемкой и сложной, является задача создания скважинных программно-управляемых цифровых преобразователей первичной информации, работающих под управлением бортового компьютера. Созданию и разработке таких скважинных преобразователей нового поколения, ориентированных на исследование скважин малого диаметра, в первую очередь угольных, посвящена настоящая диссертационная работа, выполненная на основе обобщения и критического анализа предшествующего опыта работ в области ГИС, теоретических исследований по оптимизации режимов измерений геофизических полей в скважинах, исследований по обоснованию принципов конструирования скважинных комплексных модулей с глубокой унификацией конструктивных элементов и электронных схем, проведения математического и физического моделирования по выбору и оптимизации способов и геометрии измерений для отдельных скважинных преобразователей и оценке их реальной геологической эффективности путем апробации в конкретных физико-геологических условиях месторождений твердых и других полезных ископаемых.
Все исследования выполнялись в соответствии с планами научно-исследовательских работ бывшего Министерства геологии СССР и Комитета РФ по геологии и использованию недр в рамках научно-технических программ на 1981-1985 и 1985-1990 г.г. и др. по
заданию 10, 11-го раздела ОНТП "Разработать и внедрить аппаратурно-методические комплексы и технологии геофизических исследований скважин", по проблеме 02.04.10 единого плана МНТК "ГЕОС" "Разработать компыотизированные аппаратурно-методические комплексы КГК-ГИС", по проблеме 0.5.03 "Разработать высокоэффективные геофизические методы и аппаратуру для поисков и разведки месторождений важнейших полезных ископаемых, включая нефть и газ (геофизические методы разведки месторождений)"
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эффективности геофизических исследований скважин малого диаметра путем разработки комплекса агрегатированных программно-управляемых приборов и основ технологии их применения при поисках и разведке месторождений твердых полезных ископаемых, в первую очередь углей.
-
Теоретически и экспериментально обосновать принципы построения комплекса агрегатированной скважинной аппаратуры АКИПС-48 (Агрегатированный комплекс измерительных преобразователей скважинный, диаметром 48мм) и ее отдельных цифровых скважинных преобразователей с расширенными методическими и функциональными возможностями, обеспечивающие повышение точности измерения и расчета петрофизичес-ких параметров пластов при исследовании скважин месторождений ископаемых углей.
-
Оптимизировать режимы измерений геофизических полей и обосновать размеры и геометрии зондов для основных типов скважинных преобразователей.
-
Унифицировать основные конструктивные элементы измерительных преобразователей и комплексных модулей цифровой программно-управляемой аппаратуры АКИПС-48.
-
Разработать и исследовать технические и метрологические характеристики скважинных цифровых преобразователей и комплексных модулей для реализации полных комплексов методов ГИС угольных скважин.
5. Разработать основы технологии ГИС с агрегатированным комплексом измери
тельных преобразователей нового поколения и оценить эффективность применения аппа
ратуры АКИПС-48 для поисков и разведки угольных месторождений.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Решение поставленных задач потребовало проведения аналитических и экспериментальных исследований. Теоретическая часть работы заключалась в анализе и обобщении предшествующих разработок по принципам построения комплексной скважинной аппаратуры малого диаметра, оптимизации режимов цифровой регистрации геофизических полей для основных скважинных преобразователей, выбору математической модели для обоснования зондовых установок и последующего исследования помехоустойчивости измерений петрофизических параметров горных пород. Экспериментальная часть исследований заключалась в унифицировании конструктивных элементов измерительных преобразователей, а также самих преобразователей, повышении их технических и метрологических характеристик на испытательных стендах, физических образцах горных пород и в скважинах. Результаты по оптимизации режимов измерений геофизических полей использованы для создания технологических программ обеспечивающих работу измерительных преобразователей в составе программно-управляемой каротажной станции типа СКС-2УУ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:
-
Обоснованы принципы построения скважинкой цифровой аппаратуры АКИПС-48, отличающейся функциональной, методической, энергетической и конструктивной совместимостью входящих в ее состав комплексных модулей ГИС, базирующейся на глубокой унификации конструктивных элементов и обеспечивающей проведение полного комплекса методов за минимальное число спускоподъемных операций.
-
Предложены простые аналитические формулы для оптимизации дискретности измерения геофизических полей разнотипной физической природы, обеспечивающие восстановление формы диаграмм с заданной точностью, в том числе с учетом влияния статистической погрешности и геометрических параметров пластов.
-
Предложена оригинальная конструкция аппаратуры АКИПС-48, состоящая из 3-х основных комплексных приборов (центрированного жесткого, центрированного гибкого и прижимного длиной от 2,5 до 4.0 м. при максимальной функциональной нагрузке основных конструктивных элементов центрированного и гибкого модулей), реализующих девять основных и дополнительных методов типового комплекса для угольных, рудных и гидрогеологических скважин (ПС, БК, КС, ГГК-П, ГГК-С, АК, KB, Т и РК-С) за минимальное число спускоподъемных операций.
-
Предложена конструкция трехэлектродного зонда бокового каротажа с секционированным по периметру центральным электродом, позволяющая расширить методические возможности электрического каротажа за счет изучения радиальной и осевой нео-днородностей разрезов, реализовать комплексные исследования методами бокового каротажа (БК), кажущегося сопротивления (КС) с тремя размерами зондов, и одновременно обеспечить конструктивную совместимость электродов КС с излучателем и двумя приемниками зонда акустического каротажа.
-
Методами математического и физического моделирования исследованы методические возможности обоснованных зондов бокового каротажа, гамма - гамма - каротажа с наклонным и прижимным зондами, многоканальной гамма - спектрометрии и волнового акустического каротажа. Доказана адекватность результатов измерений удельного сопротивления с аппаратурой БКР-3, плотности пород с аппаратурой КУРА-3 и преимущества многоканальных измерений для модулей РК-С и ВАК.
-
Впервые в скважинах месторождений твердых полезных ископаемых реализована цифровая регистрация геофизических данных по всем основным методам каротажа, исследована возможность дальнейшего повышения эффективности ГИС как за счет более высокой точности определения искомых петрофизических параметров, так и за счет включения в комплекс исследований новых перспективных геофизических методов.
ДОСТОВЕРНОСТЬ основных научных положений, выводов, технических решений и рекомендаций обоснована результатами математического моделирования, экспериментальными исследованиями на физических образцах горных сред и пометодным сопоставлением результатов скважинных измерений цифровой комплексной аппаратурой АКИПС с аппаратурой аналогового типа широко применяемой в практике ГИС.
-
Повышение эффективности геофизических исследований скважин принципиально возможно на основе создания многопараметровойскважинн'ой аппаратуры нового поколения с цифровой регистрацией и передачей многомерной информации в форме, доступной для непосредственной ее обработки на бортовой или базовой ЭВМ.
-
Программно-управляемый агрегатированный комплекс измерительных скважин-ных преобразователей диаметром 48 мм (АКИПС-48), построенный по модульному принципу с цифровым преобразованием и передачей по кабелю различной информации, включающий: цифровой преобразователь мощности экспозиционной дозы естественного гамма-излучения; цифровой преобразователь многоканального спектрометрического радиоактивного каротажа для спектрометрических модификаций гамма- метода, наведенной активности и радиационного захвата; цифровой преобразователь комплекса электрических методов каротажа (бокового каротажа сканирующего, кажущегося сопротивления,); цифровой преобразователь 2-х зондового волнового акустического каротажа; цифровой преобразователь плотностного и селективного гамма- гамма- каротажа; цифровой преобразователь термометрии; цифровой преобразователь кавернометрии.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. По результатам исследований обоснован и разработан агрегатированный комплекс программно-управляемых приборов для геофизических исследований углеразведочных скважин, позволяющий повысить точность измерений, информативность, производительность работ, снизить затраты на исследование скважин. Комплекс обеспечивает цифровую регистрацию для семи основных (ГК, ГГК-П, БК, КС, ВАК, кавернометрию, термометрию) и четырёх дополнительных методов каротажа (ГГК-С, спектрометрических - ГК, НАК, НГК) за минимальное число спуско-подъемных операций, что позволяет принципиально изменить технологию первичной обработки и комплексной геологической интерпретации, исключить трудоемкие работы по ручному копированию и оцифровке диаграмм, реализовать автоматизированную систему первичной обработки, организовать архивирование материалов для создания информационной базы данных для конкретных объектов и месторождений.
Идеология построения комплексной аппаратуры АКИПС-48, её глубокая унификация, позволяют включать в ее состав новые перспективные геофизические приборы, существенно сокращая время и материальные затраты на их разработку.
РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработка комплексных программно-управляемых приборов сопровождалась созданием соответствующих средств методического, метрологического и алгоритмического обеспечения, что способствовало достаточно эффективным их испытаниям и использованию в различных геологических условиях. При непосредственном участии автора и под его научным руководством аппаратура опробована в ряде производственных организаций страны: на угольных месторождениях в ПГО "ЗапСибгеология", ПГО "Южгеология", АО "Башкируголь", рудных месторождениях в ПГО"Уралгеология", струкгурно-поисковых скважинах на нефть и газ ПГО "Башкиргеология" и др.
Результаты теоретических, экспериментальных исследований и конструкторских решений с различной степенью полноты использованы для разработки аппаратуры АКИПС второго поколения, ориентированных в большей степени на исследование руд-
ных скважин - АКИПС-36.
Отдельные цифровые модули малого диаметра поставлены по договорам для исследования инженерно-геологических скважин (ОАО НПП "ГЕРС"), а ряд технических решений по электронным схемам цифровых преобразователей - в ВИРГ НПО "Рудгеофи-зика".
По выполненным исследованиям завершен ОКР с разработкой конструкторской документации и методических рекомендаций по применению аппаратуры АКИПС-48. Результаты исследований автора использованы также в других разработках, осуществленных ОАО НПП "ВНИИГИС".
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на различных конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе Всесоюзных совещаниях по гамма-спектрометрии скважин (Черноголовка, 1986; Калуга, 1989г.), научно-практической конференции "Состояние и внедрение геофизических методов при поисках и разведке угольных месторождений" (Воркута, 1990г.), международной конференции "Геофизика и современный мир" (Москва, 1993г.), международной геофизической конференции и выставке "Интергеофизика" (Москва, 1993г.), международной геофизической конференции и выставке (Санкт - Петербург, 1995г.), научно-практической конференции геофизиков Башкортостана "Использование геолого-геофизических методов при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых в республике Башкортостан" (Октябрьский, 1994г.), семинаре -дискуссии "Современная ядерная геофизика при поисках, разведке и разработке нефтегазовых месторождений" (Бугульма, 1997).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 20 печатные работы, включая 4 авторских свидетельств на изобретения. Основные положения, рассмотренные в диссертации, изложены в 5 научно-технических отчетах.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность коллегам по работе, совместно с которыми проведена разработка измерительных преобразователей и комплексных модулей, и прежде всего Кучурину Е.С. Сагаловичу О.И, Мамлееву Т.С.,. Кры-сову А.А., Наянзину А.Н., Мифтахову М.Г., Зараменских Н.М., Ахметзяновой Л.М., Шокурову В.Ф., Терегулову А.Г., Шаниной Г.И., Лучиновичу Е.Н., Байкову А.Д., Шан-гарееву И.М., Борисову В.И., Борисовой Л.К., Епишевой Л.А. и многим другим.
Постоянное содействие в практической реализации идеи работы и в проведении полевых испытаний оказывали сотрудники ряда смежных отделов и лабораторий ВНИИГИС, а также дирекция института, руководители и главные специалисты производственных организаций. Всем им автор выражает глубокую признательность.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Она изложена на 254 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 15 таблиц и список литературы из 120 наименований.