Патент на изобретение №2204713

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ СКВАЖИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при определении профиля вертикальных и криволинейных скважин. Техническим результатом является повышение точности и оперативности измерения профиля глубоких, криволинейных скважин. Это достигается тем, что устройство содержит измерительный блок, в корпусе которого расположены световой излучатель, установленный с возможностью перемещения, и телекамера, телеприемник и систему обработки телевизионного изображения контура скважины. При этом измерительный блок снабжен дополнительным световым излучателем, расположенным в зоне видимости телекамеры на заданном расстоянии от оси вращения основного излучателя и жестко соединенным с последним, и механизмом горизонтирования излучателей, выполненным, например, в виде шаровой опоры с грузом, а система обработки изображения – блоком определения фактического контура скважины в заданных сечениях, исходя из выражения

где R_фi и R_i – фактическая и отображенная радиальная координаты контура скважины; h – расстояние от фокуса телекамеры до центра вращения излучателей, мм; r₀ – радиус вращения дополнительного излучателя, мм; r_i – отображенная радиальная координата траектории дополнительного излучателя в заданном направлении при наклонном положении измерительного блока; r₀₁ – отображенный радиус вращения дополнительного излучателя при вертикальном положении измерительного блока. 5 ил.

Предложенное устройство относится к горной промышленности, а именно к устройствам для определения профиля глубоких вертикальных и криволинейных скважин.

Известно устройство для определения профиля стенок горной выработки, содержащее излучатель, перемещаемый по спиралеобразной кривой посредством двух двигателей, ЭВМ для обработки видеосигналов и графопостроитель [1].

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения профиля криволинейных скважин, особенно со значительной вариацией размеров поперечного сечения. Это обусловлено наличием зон ограниченной видимости за пределами выступов профиля скважины.

Известно также устройство для определения профиля скважины, содержащее измерительный блок, в корпусе которого расположены световой излучатель, установленный с возможностью перемещения, и телекамера, телеприемник и систему обработки телевизионного изображения контура скважины [2]. Это устройство взято нами в качестве прототипа.

Недостатками данного устройства является низкая точность и оперативность измерения профиля скважин, особенно криволинейных и глубоких. Это обусловлено ограниченной зоной одновременного обзора контура скважины в заданном сечении. Для получения полной информации о контуре сечения скважины необходимо осуществлять повороты устройства, что увеличивает длительность процесса измерений, понижает точность и оперативность. При обработке информации о контуре скважины в известном устройстве имеет место систематическая ошибка измерений, проявляющаяся при наложении изображений контура скважины при различных углах поворота устройства и смещениях вокруг вертикальной оси. Кроме того, при измерении профиля криволинейных, глубоких скважин измерительный блок может соприкасаться со стенкой скважины и находиться в наклонном положении. В этом случае точность измерений профиля скважины еще более понижается, поскольку световой излучатель будет освещать наклонное сечение скважины, не предусмотренное системой обработки телевизионного изображения, что не позволяет судить об истинном профиле скважины.

Задачей данного изобретения является повышение точности и оперативности измерения профиля глубоких, криволинейных скважин.

Это достигается тем, что в устройстве для определения профиля скважины, содержащем измерительный блок, в корпусе которого расположены световой излучатель, установленный с возможностью перемещения, и телекамера, телеприемник и систему обработки телевизионного изображения контура скважины, измерительный блок снабжен дополнительным световым излучателем, расположенным в зоне видимости телекамеры на заданном расстоянии от оси вращения основного излучателя и жестко соединенным с последним, и механизмом горизонтирования излучателей, выполненным, например, в виде шаровой опоры с грузом, а система обработки изображения – блоком определения фактического контура скважины в заданных сечениях, исходя из выражения

где R_фi и R₁ – фактическая и отображенная радиальная координаты контура скважины;
h – расстояние от фокуса телекамеры до центра вращения излучателей, мм;
r₀ – радиус вращения дополнительного излучателя, мм;
r₁ – отображенная радиальная координата траектории дополнительного излучателя в заданном направлении при наклонном положении измерительного блока;
r₀₁ – отображенный радиус вращения дополнительного излучателя при вертикальном положении измерительного блока.

Наличие дополнительного светового излучателя, установленного на заданном расстоянии от основного излучателя, позволяет устранить погрешность измерения контура скважины, поскольку траектория его оборота находится в зоне обозрения горизонтального сечения скважины и используется для масштабного сопоставления с размерами контура скважины, задаваемого траекторией луча основного излучателя. Жесткое соединение основного и дополнительного излучателей позволяет сформировать в каждом телевизионном кадре полное изображение траекторий движения излучателей при единичном обороте. Применение механизма горизонтирования излучателей, выполненного, например, в виде шаровой опоры, позволяет выдерживать плоскость вращения излучателей в горизонтальном положении вне зависимости от наклона корпуса измерительного блока при исследовании наклонных и криволинейных скважин. Это также повышает точность определения профиля криволинейных скважин по результатам обработки изображений горизонтальных сечений. Блок определения фактического контура скважины в заданных сечениях производит точные расчеты по результатам обработки кадров телевизионного изображения с учетом значений r₀₁ – отображенного радиуса вращения дополнительного излучателя при вертикальном положении измерительного блока, ₁ – отображенной радиальной координаты траектории дополнительного излучателя в заданном направлении при наклонном положении измерительного блока, R_i – отображенной радиальной координаты контура скважины, а также постоянных значений h – расстояния от фокуса телекамеры до центра вращения излучателей и r₀ – радиуса вращения дополнительного излучателя.

На фиг.1 и 2 изображено устройство для определения профиля скважины при вертикальном и наклонном положениях измерительного блока в скважине.

На фиг. 3 и 4 показаны траектории движения дополнительного излучателя, фактический и отображенный контуры скважины в заданных сечениях скважины при вертикальном и наклонном положениях измерительного блока.

На фиг. 5 представлена функциональная схема системы обработки телевизионного изображения и построения профиля скважины.

Устройство для определения профиля скважины 1 состоит из измерительного блока, в герметичном корпусе 2 которого расположены основной световой излучатель 3, вращаемый двигателем 4, дополнительный световой излучатель 5, установленный на заданном расстоянии r₀ от оси вращения основного излучателя 3 (фиг.1), механизм горизонтирования излучателей, выполненный, например, в виде шаровой опоры 6 с грузом 7, телекамера 8, фокус которой расположен на расстоянии h от центра вращения излучателей (фиг.1), телеприемника 9 и системы 10 обработки телевизионного изображения, установленных на поверхности. В качестве основного светового излучателя 3 используют, например, лазерный источник, а в качестве дополнительного излучателя 5 – рассеянный источник света, например, в виде электролампы или флюоресцентного покрытия. Для получения телевизионного изображения контура 11 или 12 скважины 1 в зоне обзора телекамеры 8 боковые стенки средней части корпуса 2 выполнены прозрачными, например, из кварцевого стекла. Вертикальное перемещение измерительного блока осуществляют посредством двигателя 13. Система 10 обработки телевизионного изображения выполняет функции, указанные на фиг.5, посредством известных технических средств, например счетчика строк и компьютера.

Устройство для определения профиля скважины работает следующим образом.

Измерение профиля скважины 1 осуществляют при перемещении измерительного блока вверх или вниз. В начале измерения включают двигатель 4 горизонтального вращения излучателей 3 и 5 с частотой, равной частоте кадров телекамеры 8, что позволяет исключить в кадрах изображений наложение траекторий, создаваемых излучателями 3 и 5. Угол обзора телекамеры 8 охватывает измеряемый контур скважины 1. Вертикальное перемещение измерительного блока осуществляют посредством двигателя 13 со скоростью v. Телевизионное изображение из телекамеры 8 по кабелю (не показано) передается в телеприемник 9 и систему 10 обработки телевизионного изображения. В случае расположения измерительного блока вертикально в скважине (фиг.1) на экране телеприемника 9 (фиг.3) отображается контур 11 скважины, образованный траекторией лазерного луча на стенке скважины 1. На кадре отображается также траектория движения дополнительного излучателя 5 в виде окружности 14 с радиусом r₀₁. На криволинейном участке скважины измерительный блок находится в наклонном положении (фиг. 2), соприкасаясь со стенкой скважины 1. В этом случае под действием груза 7 шаровая опора 6 устанавливает излучатели 3 и 5 в горизонтальное положение. Телекамера 8 фиксирует контур 12 скважины, образованный аналогично вышеописанному, и траекторию движения дополнительного излучателя в виде эллипса 15 с радиальной координатой r_i. Полученные изображения запоминают через заданные интервалы времени t посредством компьютера. Далее на каждом телевизионном изображении (фиг.3 и 4) по числу строк измеряют радиальные координаты R_i и r₁ соответственно контура скважины и траектории дополнительного излучателя в заданном направлении при наклонном положении измерительного блока, и r₀₁ – отображенный радиус вращения дополнительного излучателя при вертикальном положении измерительного блока, соответствующие полярному углу _i. Измерения производят с заданным шагом полярного угла . Значение радиуса r₀₁ – величина постоянная и не требует многократного измерения. Расстояние h от фокуса телекамеры 8 до центра вращения излучателей 3, 5 и радиус вращения дополнительного излучателя r₀ (фиг.1) являются также постоянными геометрическими характеристиками устройства, определяющими масштаб измерения. При этом максимальное значение координаты r₁ дополнительного излучателя, соответствующее большой полуоси эллипса, равно радиусу r₀₁. При фокусировке в телекамеру 8 точек скважины происходит искажение реального изображения. По этой причине на экране телеприемника 9 отображаются контуры 11, 12, координаты которых отличаются от фактических координат контуров 16 и 17. Для устранения указанного недостатка система 10 обработки изображения снабжена блоком определения фактического контура скважины в заданных сечениях, исходя из выражения (1). Количество N обрабатываемых сечений выбирают в зависимости от требуемых точности определения профиля и оперативности получения информации о профиле скважины. На основе вычислений фактических радиальных координат контура скважины в заданных ее сечениях – R_фi, i=1…n ( n – количество измеряемых координат контура в одном сечении, n = 360/) – определяют ее фактическую площадь S_j:

где j – номер сечения, j=1…N.

При известных значениях площади S_j сечений скважины вычисляют их эквивалентные диаметры d_j и определяют профиль скважины как функцию диаметра d_j от вертикальной координаты vtj скважины, то есть d_j = f(vtj).
Данное устройство позволило повысить точность измерений профиля вертикальных и криволинейных скважин на 10%. Это подтверждено проведенными измерениями профиля взрывной скважины глубиной 18 м, пробуренной и расширенной термическим способом на карьере Михайловского горно-обогатительного комбината. После настройки устройства в память системы обработки введены h=300 мм, r₀=50 мм.

Затем излучатели вращали с частотой, равной 25 оборотов в секунду, и перемещали вертикально со скоростью v=0,1 м/сек. Запоминание кадров производили в системе обработки телевизионного изображения через интервал времени, равный t= 0,5 ceк. После измерения количества строк, соответствующих параметрам R_i, r_i и r₀₁, в блоке определения фактического контура скважины по формуле (1) вычислены R_фi – фактические радиальные координаты, соответствующие полярным углам _i с шагом =10^o (количество измеренных координат в каждом сечении – n=36). Телевизионные изображения траекторий излучателей, фиксируемых телекамерой с частотой 25 1/сек – контрастные, без наложений. Аналогичным путем произведен расчет площади остальных сечений, расположенных друг от друга на расстоянии vt = 0,10,5 = 0,05 м. Количество рассчитанных сечений S_j при высоте измеряемой криволинейной полости скважины 9,0 м составило N=180. Далее рассчитаны эквивалентные диаметры d_j каждого сечения и построен профиль скважины. Герметичный корпус устройства позволил производить измерения в обводненных скважинах. Длительность измерения профиля вертикальных скважин, согласно изобретению, составляет 2-3 минуты, что в 1,5-2 раза меньше, чем в базовом устройстве.

В условиях карьера Михайловского ГОКа, по данным измерений профиля вертикальных, наклонных, криволинейных и обводненных скважин оптимизируют параметры взрывных работ, повышая коэффициент полезного действия скважинного заряда взрывчатого вещества (ВВ) и приближая фактический удельный расход (ВВ) к проектному. Использование данного устройства в условиях карьера позволяет сократить расход ВВ примерно на 10% и повысить качество взрывной отбойки. Кроме того, возрастает оперативность получения информации о профиле скважины в 1,5-2 раза.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1239297, кл. Е 21 В 49/00, 47/08, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР 1427062, кл. Е 21 В 47/08, 1986 (прототип).

Формула изобретения

Устройство для определения профиля скважины, содержащее измерительный блок, в корпусе которого расположены световой излучатель, установленный с возможностью перемещения, и телекамера, телеприемник и систему обработки телевизионного изображения контура скважины, отличающееся тем, что измерительный блок снабжен дополнительным световым излучателем, расположенным в зоне видимости телекамеры на заданном расстоянии от оси вращения основного излучателя и жестко соединенным с последним, и механизмом горизонтирования излучателей, выполненным, например, в виде шаровой опоры с грузом, а система обработки изображения – блоком определения фактического контура скважины в заданных сечениях, исходя из выражения

где R_фi и R_i – фактическая и отображенная радиальная координата контура скважины;
h – расстояние от фокуса телекамеры до центра вращения излучателей, мм;
r₀ – радиус вращения дополнительного излучателя, мм;
r_i – отображенная радиальная координата траектории дополнительного излучателя в заданном направлении при наклонном положении измерительного блока;
r₀₁ – отображенный радиус вращения дополнительного излучателя при вертикальном положении измерительного блока.

РИСУНКИ