CC BY
50
------------------------------------------ © А.С. Вознесенский,
В.В. Набатов, Ш. Петерс, 2007
УДК 622.272
А.С. Вознесенский, В.В. Набатов, Ш. Петерс
СКВАЖИННЫЕ ВНДЕОЗОНДЫ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ЗАДАЧ ГЕОТЕХНОДОГИЙ
феры использования, основные параметры
Скважинные видеозонды активно используются для инспекции скважин и шпуров в горном деле, в океанографии, в геологической разведке, видеоинспекции трубопроводов, труб систем водоснабжения и канализации.
Скважинный видеозонд может состоять из следующих компонентов: защищённая прозрачным колпаком видеокамера (одна или две); набор светодиодов для освещения скважины, электромоторы для поворота камер; датчик пути; центрирующее устройство, элементы питания. Подавляющее количество современных видеозондов снабжается телевизионной камерой цветного, реже - черно-белого изображения. Разрешающая способность используемых камер обычно 380 и 450-480 линий на изображение по вертикали или горизонтали (стандарт телевизионного разрешения). Существуют варианты зондов с разрешающей способностью 600 линий.
Диаметры скважин, для которых используют видеозонды можно разделить на три группы: до 50 мм, от 50 мм до 250-300 мм, свыше 300 мм. Часть ограничений связана с диаметром камеры зонда, что влияет на конструктивное его исполнение. Так, например, для диаметров до 50 мм характерна фронтальная схема уста-
новки камеры. Часть с оптическими возможностями.
Перемещение зонда по скважине производится с помощью досыльных штанг, есть самоходные варианты зондов. Максимальная глубина, на которую можно проникнуть в скважину, зависит от длины кабеля и может колебаться от десятков метров до нескольких километров. Полный комплекс аппаратуры для скважинной видеоинспекции (видеозонд, кабель, блок уп-равления и регистрирующая аппаратура) может иметь различные габариты: переносные варианты;
монтированные на тележке (в том числе на самоходной); монтированные на автомобиле, микроавтобусе или грузовике. Обычно чем на большую глубину скважины рассчитана аппаратура, тем больше транспортные средства. Существенная часть зондов адаптирована для работы под водой и может выдерживать достаточно широкий диапазон давлений.
Некоторая часть использующихся сейчас систем скважинной видеоинспекции работают с аналоговым сигналом и записывают полученные данные на видеомагнитофон.
Конструктивные исполнения зондов
В настоящее время наибольшее применение нашли несколько схем конструктивного исполнения видеозондов, представленных на рис. 1-5.
Фронтальная схема (down view camera), представленная на рис. 1, подразумевает размещение объектива камеры во фронтальной части зонда. В результате получается перспективно искажённое изображение, которое можно использовать как в неизменной
Рис. 1. Фронтальная схема
Рис. 2. Боковая схема
Рис. 3. Комбинированная схема
форме, так и частично скорректировать перспективные искажения с помощью программного обеспечения. Такая схема использована в видеозондах ТА-ИС-1 и ТАИС-2 [1], разработанных на кафедре физико-технического контроля процессов горного производства МГГУ под руководством профессора, д.т.н. Шкуратника В.Л.
Боковая схема (side view camera), представленная на рис. 2, подразумевает установку видеокамеры с направлением съёмки вбок, при этом снимается изображение находящейся напротив камеры стенки скважины. Для полного обзора камера снабжается электромотором, обеспечивающим её поворот на 360°. Также разработаны модификации с передачей вращательного движения через досылочные штанги (угол поворота оценивается по транспортиру, расположенному у устья скважины) [2].
Достоинство фронтальной схемы перед боковой в простоте конструкции - отпадает необходимость использовать электродвигатели (для изменения угла обзора). Это повышает надёжность системы, позволяет конст-
руировать зонды с меньшим диаметром для более узких скважин. Также за один и тот же отрезок времени в случае фронтальной схемы можно снять все 360° поверхности скважины, в случае же боковой схемы -только ту часть стенки, к которой обращена в данный момент камера. Это исключает или существенно затрудняет возможность съёмки при непрерывном перемещении камеры вдоль оси скважины.
Рис. 4. Поворотно-наклонная схема
Рис. Б. Схема с конусным зеркалом
Недостатком фронтальной схемы является невозможность получить неискажённое изображение стенок скважины.
В случае комбинированной схемы (рис. 3) в зонд устанавливают две камеры по боковой и фронтальной схеме. Такой вариант позволяет вести непрерывную съёмку с возможностью рассмотреть в случае необходимости как скважину в перспективе, так и её стенки. Однако этот вариант не решает проблему компактности зонда и еще больше усложняет его конструкцию.
Поворотно-наклонная схема (pan/tilt camera) представлена на рис. 4. Камера устанавливается во фронтальной части зонда и защищается от окружающей среды стеклянным колпаком-полусферой. С по-по-мощью электромоторов камеру можно вращать в горизонтальной и верти-кальной плоскости. Фактически схема представляет собой промежуточный вариант между фронтальной и боковой. Существуют как варианты с ограниченным углом поворота [3], так и с углами 0°-90°. Недостаток конструкции в сложности, в относительно больших размерах зонда, в невозможности одновременной съёмки изображения спереди и сбоку.
Таблица 1
Достоинства н недостатки различных конструктивных схем вндеозондов
Номер схемы Схема Достоинства Недостатки
1 фронтальная простота, надёжность, малый диаметр видеозонда перспективные искажения получаемой картинки, невозможность прямого наблюдения стенок скважины
2 боковая возможность наблюдения стенок скважины невозможность непрерывной съёмки, сложность конструкции
3 комбинированная (фронтальная + боковая) возможность одновременно и фронтальной съёмки и наблюдения стенок скважины сложность, невозможность непрерывной съёмки в стенку скважины
4 поворотно- наклонная возможность фронтальной съёмки и наблюдения стенок скважины сложность, невозможность непрерывной съёмки в стенку скважины
5 с конусным зеркалом простота, надёжность, малый диаметр видеозонда, возможность боковой непрерывной съёмки, возможность проведения точных количественных измерений по полученным изображениями развёртки скважины невозможность общего фронтального обзора в процессе съёмки
Разработана также схема с передачей изображения на конусное зеркало, представленная на рис. 5 [4]. Свет от стенок скважины попадает на смонтированное соосно с зондом конусное зеркало, которое передаёт изображение на находящуюся за ним камеру. Такой вариант схемы бокового обзора позволяет отказаться от движущихся деталей и электромоторов, что повышает надёжность системы и позволяет сократить диаметр зонда (диаметр опытного образца - 23 мм). Также подобное решение позволяет снимать всю поверхность скважины по окружности и производить непрерывную съёмку боковой поверхности при перемещении видеозонда вдоль оси шпура. Разрабатываемый образец имеет возможность проведения точных количественных
измерений по полученным изображениям стенок скважины.
В случае двухкамерной комбинированной конусно-фронтальной схемы можно, не увеличивая диаметр зонда, получать и картинку перед ним.
На практике наиболее распространены фронтальная и комбинированная схемы. Реже встречается поворотно-наклонная схема. Схема с конусным зеркалом находится в стадии разработки. Комбинированная конусно-фронтальная схема пока не разрабатывалась и не имеет опытных образцов.
Сравнительная характеристика различных схем приведена в табл. 1.
Данные устройства разрабатываются и выпускаются практически во всех промышленно развитых странах.
Таблица 2
Сравнительная характеристика различных видеозондов
Наименование устройства Фирма разработчик или производитель Страна Назначение Схема съёмки изображения Параметры изображения Диаметр иссл. объекта Глубина иссл. объекта Транспор- тировка
ТАИС-1 [1] МГГУ Россия телеинспекция скважин фронтальная цветное изобр., разрешение -320 линий 3б-б0 мм 400 перенос- ная
ТАИС-2 [1] МГГУ Россия телеинспекция скважин фронтальная черно-белое, разрешение -320 линий б0-400 мм 1000 перенос- ная
Tiny CS 3003 Т [5] RICO EAB Германия телеинспекция трубопроводов фронтальная, возможность поворотнонаклонной цветное изобр. 50 - 400 мм до 100 м перенос- ная
DIGIFOUNTAIN [5] RICO EAB Германия телеинспекция скважин (буровые, водозаборные) комбинирован- ная* разрешение -480 линий (гор), чувствительность - 1 Люкс 50 - 1000 мм до 1000 м перенос- ная
OPTIMA [5] RICO EAB Германия телеинспекция трубопроводов фронтальная, поворотно- наклонная цветное изобр. 100 - 1500 мм до б00м тележка
CUES Mini-Push 2020 [6] CUES США телеинспекция труб систем водоснабжения и канализации фронтальная цветное изобр., разрешение -450+ линий (в\г), чувствительность 0.3 Люкс варианты 50 - 200 мм, У 5 -380 мм до 30 м (возм. б0) перенос- ная
Inspector General Power Control Center [6] CUES США телеинспекция труб систем водоснабжения и канализации фронтальная, поворотно- наклонная зависит от камеры 15 - 500 мм до 300 м тележка, автомо- биль
Cobra's Hi Cube Van, Sprinter, One Ton Van Extended [7] Cobra Tech- nologies США телеинспекция труб фронтальная, поворотно- наклонная нд до 180 мм до 300 м микроав- тобус
Продолжение таблицы 2
Наименование устройства Фирма разработчик или производитель Страна Назначение Схема съёмки изображения Параметры изображения Диаметр иссл. объекта Глубина иссл. объекта Транспор- тировка
TC-30 [8] GISCO США телеинспекция скважин фронтальная цветное изобр., разрешение -470 линий, чувствительность -1 Люкс от 36 мм (размер камеры) до 30 м перенос- ная
TC-150 [8] GISCO США телеинспекция скважин (океанография - высокие давления) фронтальная цветное изобр., разрешение -470 линий, чувствительность -1 Люкс от 59 мм (размер камеры) до 200 м перенос- ная
The Inspector [9] MREL Канада телеинспекция скважин комбинирован- ная* цветное изобр., разрешение -варианты 330 и 600 линий от 75 мм (размер камеры) варианты до 30 м, до 80 м перенос- ная
BVC-2 [10] Welltech Instrument Г он-Конг телеинспекция скважин фронтальная цветное изобр., разрешение -480 линий от 45 мм , 56 мм , 80 мм, 120 мм (размеры камер) до 1000 м тележка
BVC-1 [10] Welltech Instrument Г он-Конг телеинспекция скважин боковая (0°-360° град) цветное изобр., разрешение -470 линий от 63 мм (размер камеры) до 1000 м тележка
CTC3500 CCTV oil & gas inspection system [11] Taris Россия телеинспекция нефтяных и газовых скважин фронтальная (планируется модернизация до комбинированной) цветное изобр., разрешение -380 линий 50 -150 мм до 3б00 м грузовик
TVPM (камера VS 666 F) [3] Hytec Франция телеинспекция скважин фронтальная цветное изобр., разрешение -380 линий, чувствительность -0,4 Люкс 50 - 250 мм 30 - 250 м перенос- ная
lO
TVPM (камера VS 325 F) [3] Hytec Франция телеинспекция скважин фронтальная чёрно-белое изобр., разрешение - 380 линий, чувствительность - 0,8 Люкс от 25 мм (размер камеры) 30 - 250 м перенос- ная
VS 014 [3] Hytec Франция трубы малых диаметров, вода фронтальная цветное изобр., разрешение -480 линий, чувствительность -6 Люкс 15-100 мм 25 м и больше перенос- ная
DTR 65 HR Ex [3] Hytec Франция трубы больших диаметров, вода и газ поворотнонаклонная (67° гор., 53° вер.) цветное изобр., разрешение -450 линий, чувствительность -0,1 Люкс от 65 мм (диаметр камеры) 150 м нд
The R-CAM 1000 System [12] Laval Under ground Sur veys Канада телеинспекция скважин комбинирован- ная* нд 75-300 мм 300 м тележка
Eye-Deal Camera™ System [13] Halliburton трансна- циональная корпорация телеинспекция скважин комбинирован- ная* нд нд 4200 м нд
Borehole Video Inspection Systems (Slim-hole dual view camera) [14] Robertson Geologging Ltd США телеинспекция скважин комбинирован- ная* нд 44-100 мм (44 - диаметр камеры) до 2000 м нд
Borehole Video Inspection Systems (Pan/tilt camera) [14] Robertson Geologging Ltd США телеинспекция скважин поворотнонаклонная (0°-90°) нд 65-100 м (65 - диамет] камеры) до 2000 м нд
AUSLOG Mighty Cam [15] Auslog Pty Ltd Австралия телеинспекция скважин (гео/ разведка, груь товые воды полевые услови (быстрая сборк и компактность) фронтальная цветное изобр., разрешение -380+ (гор.), чувствительность - 0,2 Люкс от 38 мм (диаметр камеры) до 300 м перенос- ная
нд - нет данных
ll
По имеющимся сведения конусная схема применятся в разработках Германии и России.
Сравнительная характеристика различных видеозондов представлена в табл. 2.
Выводы
1) В настоящее время основными являются 4 схемы скважинных видеозондов: (фронтальная, боковая, комби-
1. Телевизионная аппаратура для исследования скважин (ТАИС): [Электронный документ]. (http: //www. science. msmu. ru/01 / instruments /1/301.html). Проверено 08.0б.2007.
2. Опарин B.H., Востриков В.И., Акинин А.А., Тапсиев А.П., Бадтиев Б.П., Бабкин Е.А. Видеокаротажный зонд // ФТПРПИ, №б, 200б, с. 119-123.
3. Сайт компании Hytec: [Электронный документ]. (http://www.hytec.fr). Проверено
10.0б.2007.
4. Петерс Ш. Скважинный видеозонд для оценки строения пород кровли при подземной добыче каменного угля// ГИАБ, №У, 200У, с. 194-201.
5. Сайт компании Ольмакс: [Электронный документ]. (http://www.rothenberger.ru). Проверено 10.0б.2007.
6. Сайт компании CUES: [Электронный документ]. (http://www.cuesinc.com). Проверено 10.0б.2007.
У. Сайт компании Cobra Technologies: [Электронный документ]. (http://www. cobratec. com). Проверено 10.0б.200У.
8. Сайт компании GISCO: [Электронный документ]. (http://www.giscogeo.com). Проверено 10.0б.200У.
нированная, поворотно-наклон-ная), каждая из которых обладает определенными достоинствами и используется для решения различных задач.
2) Получить достоверные количественные оценки параметров структур, получаемых из снятых изображений (ориентация и раскрыв трещин и т.д.), в наибольшей степени позволяет схема с коническим зеркалом.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
9. Сайт группы компаний MREL: [Электронный документ]. (http://www.mrel.com). Проверено 10.06.2007.
10. Сайт компании Welltech Instrument: [Электронный документ]. (http://www.boreholecamera.com). Проверено 10.06.2007.
11. Сайт компании Тарис: [Электронный документ]. (http://www.taris.ru). Проверено
10.06.2007.
12. Сайт компании Laval Underground Surveys: [Электронный документ].
(http: //www. lavalunderground. com). Проверено 10.06.2007.
13. Сайт корпорации Halliburton: [Электронный документ].
(http: //www. halliburton. com). Проверено
10.06.2007.
14. Сайт компании Robertson Geologging Ltd: [Электронный документ].
(http: //www. geologging. com). Проверено
10.06.2007.
15. Сайт компании Auslog Pty Ltd: [Электронный документ].
(http: //www. auslog. com. au/). Проверено
10.06.2007. S2E
— Коротко об авторах------------------------------------------------------------
Вознесенский Александр Сергеевич - доктор технических наук, профессор,
Набатов Владимир Вячеславович - кандидат технических наук, доцент, кафедра «Физико-технический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет,
Штефан Петерс - дипломированный геолог, руководитель подразделения инженерной геологии в горном деле отделения "Геология и скважинная геофизика" фирмы "Немецкие горные технологии" (DMT), Эссен, Германия.
Статья представлена кафедрой «Физико-технический контроль процессов горного производства» Московского государственного горного университета.
Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ё. Шкуратник
