скважинный акустический излучатель

Формула изобретения

1. Скважинный акустический излучатель, содержащий опорный корпус, состоящий из открытой части, контактирующей со скважинной жидкостью посредством выполненных в открытой части опорного корпуса окон, и герметичной части, заполненной электроизоляционной жидкостью и имеющей воздушную полость, находящуюся под атмосферным давлением, при этом в опорном корпусе расположен стержневой магнитострикционный преобразователь, причем верхняя излучающая поверхность магнитострикционного преобразователя взаимодействует с воздушной полостью, отличающийся тем, что в опорном корпусе дополнительно установлен акустический волновод, выполненный в виде металлического цилиндра, жестко и соосно соединенного своей верхней торцевой поверхностью с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя, кроме того, акустический волновод в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с опорным корпусом, разделяя его на открытую и герметичную части, причем нижняя торцевая поверхность акустического волновода расположена в открытой части опорного корпуса.

2. Скважинный акустический излучатель по п. 1, отличающийся тем, что акустический волновод соединен своей торцевой поверхностью с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя посредством пайки.

3. Скважинный акустический излучатель по п. 1, отличающийся тем, что акустический волновод в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с корпусом посредством кругового сварного шва.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено, в частности, для воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин.

Известно устройство для акустического воздействия на призабойную зону продуктивных пластов, содержащее наземные индикаторный блок и блок питания, соединенные посредством кабеля со скважинным прибором, включающим генератор, акустический излучатель, выполненный в виде нескольких стержневых магнитострикционных вибраторов, и датчик, при этом скважинный прибор выполнен трехсекционным и в него дополнительно введены локатор муфт и преобразователь, причем в нижней секции, заполненной трансформаторным маслом и вакуумированной, размещен акустический излучатель и компенсатор давления, выполненный, например, в виде сильфона, в средней секции, заполненной трансформаторным маслом не более чем на 3/4 объема под атмосферным давлением, установлен генератор, а в верхней секции размещен локатор муфт, преобразователь и датчик измерительной системы (см. патент РФ 2026970, МПК⁶ Е 21 В 43/25 от 05.06.90, опубл. 20.01.95 г., бюл. 2).

Недостатком известного устройства является то, что излучение от торцевых поверхностей акустического излучателя происходит в обе стороны, в результате мощность излучения, а следовательно, и эффективность воздействия на призабойную зону резко уменьшаются.

Кроме того, наличие в конструкции устройства компенсатора давления, выполненного в виде сильфона, снижает надежность работы устройства из-за сильных воздействий на сильфон акустического поля, которое может повредить креплению сильфона и вывести его из строя.

Известно также устройство для акустического воздействия на нефтегазоносный пласт, содержащий наземный блок управления, соединенный посредством кабеля со скважинным прибором, состоящим из генератора, акустического излучателя и датчика, причем скважинный прибор выполнен в виде двух частей, соединенных кабелем, при этом в верхней части размещен генератор, рабочая частота которого составляет 20-30 кГц, а в нижней, сообщающейся с окружающей средой, - датчик акустических колебаний и акустические излучатели, выполненные в виде пьезокерамических излучателей, кроме того, по крайней мере, один акустический излучатель снабжен хотя бы одним установленным соосно с ним отражателем акустических волн, имеющим коническую поверхность с углом при вершине 90 град., обращенную вершиной к излучателю, а расстояние от торца излучателя до поверхности отражателя выбрано из условия образования стоячей волны в скважинной трубе (см. патент РФ 2140519, МПК⁶ Е 21 В 28/00, Е 21 В 43/25 от 11.03.98, опубл. 27.10.99 г.).

Недостатком известного устройства является то, что отражатели акустических волн при частоте колебаний менее 40 кГц не обеспечивают их эффективного восприятия и отражения, что снижает эффективность воздействия устройства на призабойную зону.

Кроме того, скважинная окружающая среда контактирует с размещенными в нижней части скважинного прибора датчиком, акустическими излучателями и отражателями акустических волн и является своего рода рабочим элементом устройства, используемым в качестве теплопередающей среды, что при нестабильности состава и режимных параметрах скважинной среды (флюида) также приводит к ненадежной работе устройства.

Наиболее близким техническим решением является скважинное термоакустическое устройство (скважинный акустический излучатель), содержащее опорный корпус, состоящий из открытой части, контактирующей со скважинной жидкостью посредством выполненных в открытой части опорного корпуса окон, и герметичной части, заполненной электроизоляционной жидкостью и имеющей воздушную полость, находящуюся под атмосферным давлением, при этом в опорном корпусе расположены акустический отражатель и стержневой магнитострикционный вибратор (преобразователь), который жестко закреплен в опорном корпусе над акустическим отражателем, причем верхняя излучающая поверхность магнитострикционного вибратора (преобразователя) взаимодействует с воздушной полостью, а расстояние между отражающей поверхностью акустического отражателя и излучающим торцом магнитострикционного вибратора (преобразователя) равно нечетному числу полуволн, установившихся в скважинной жидкости на резонансной частоте магнитострикционного вибратора (преобразователя), причем окна, выполненные в открытой части опорного корпуса, расположены между излучающим торцом магнитострикционного вибратора (преобразователя) и отражающей поверхностью акустического отражателя. Кроме того, на стержни магнитострикционного вибратора (преобразователя) напрессован дополнительный корпус для передачи тепла, а герметичная часть опорного корпуса образована путем заливки внутренней полости магнитострикционного вибратора термостойким эпоксидным компаундом, который после отвердевания превращается вместе со всей системой в монолит (см. патент РФ 2161244, МПК⁶ Е 21 В 43/00, Е 21 В 43/25 от 09.02.2000, опубл. 27.12.2000 г.).

Недостаток ближайшего аналога состоит в том, что наличие напрессованного на стержни магнитострикционного вибратора дополнительного корпуса, а также заливка внутренней полости магнитострикционного вибратора термостойким эпоксидным компаундом приводит к механическим напряжениям элементов устройства и ухудшению теплоотдачи с их поверхности, что снижает коэффициент полезного действия магнитострикционного вибратора и эффективность воздействия устройства на призабойную зону.

Кроме того, из-за разности коэффициентов температурного расширения материала, из которого изготовлены стержни магнитострикционного вибратора, и термостойкого эпоксидного компаунда герметичность соответствующей части опорного корпуса при высоких перепадах температуры и давления в скважинах может быть нарушена, что приводит к коррозионному разрушению излучателя, делает известное устройство ненадежным в эксплуатации.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении надежности работы и эффективности излучения за счет исключения механических напряжений в конструкции излучателя, предотвращения коррозионного разрушения излучателя и повышения его коэффициента полезного действия.

Технический результат достигается тем, что в скважинном акустическом излучателе, содержащем опорный корпус, состоящий из открытой части, контактирующей со скважинной жидкостью посредством выполненных в открытой части опорного корпуса окон, и герметичной части, заполненной электроизоляционной жидкостью и имеющей воздушную полость, находящуюся под атмосферным давлением, при этом в опорном корпусе расположен стержневой магнитострикционный преобразователь, причем верхняя излучающая поверхность магнитострикционного преобразователя взаимодействует с воздушной полостью; согласно изобретению в опорном корпусе дополнительно установлен акустический волновод, выполненный в виде металлического цилиндра, жестко и соосно соединенного своей верхней торцевой поверхностью с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя, кроме того, акустический волновод в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с опорным корпусом, разделяя его на открытую и герметичную части, причем нижняя торцевая поверхность акустического волновода расположена в открытой части опорного корпуса.

Акустический волновод соединен своей торцевой поверхностью с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя посредством пайки, а в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с опорным корпусом посредством кругового сварного шва.

Такое соединение акустического волновода с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя обеспечивает хороший акустический контакт и необходимую механическую прочность.

Кроме того, акустический волновод благодаря своему непосредственному соединению с магнитострикционным преобразователем эффективно отводит от него тепло в скважинную среду через открытую часть опорного корпуса, выполняя тем самым функцию радиатора.

При этом наличие воздушной полости, с которой взаимодействует магнитострикционный преобразователь, обеспечивает полное отражение колебаний от его верхней излучающей поверхности, что в свою очередь благодаря хорошему акустическому контакту с акустическим волноводом обеспечивает удвоение амплитуды колебаний нижней излучающей поверхности магнитострикционного преобразователя и, соответственно, удвоение амплитуды колебаний нижней торцевой поверхности акустического волновода.

Жесткое и герметичное соединение акустического волновода в своей средней части с опорным корпусом по его периметру позволяет минимизировать механические потери акустической энергии благодаря закреплению акустического волновода в нулевой точке своего колебания.

Отсутствие механических напряжений в конструкции скважинного акустического излучателя, минимизация механических потерь акустической энергии, удвоение амплитуды колебаний нижней торцевой поверхности акустического волновода, беспрепятственный отвод тепла от магнитострикционного преобразователя к стенкам опорного корпуса излучателя и к акустическому волноводу, а через них - в скважинную среду, обеспечивающий стабильный тепловой режим, позволяют повысить надежность его работы и коэффициент полезного действия, а следовательно, и эффективность излучения.

На чертеже изображен заявляемый скважинный акустический излучатель, продольный разрез.

Скважинный акустический излучатель содержит опорный корпус 1, состоящий из открытой части 2 с окнами 3 для контактирования со скважинной жидкостью и герметичной части 4, заполненной электроизоляционной жидкостью 5 и имеющей воздушную полость 6, находящуюся под атмосферным давлением.

В опорном корпусе 1 расположены акустический волновод 7 и стержневой магнитострикционный преобразователь 8, на стержни которого наложены обмотки возбуждения 9.

Верхняя излучающая поверхность 10 магнитострикционного преобразователя 8 взаимодействует с воздушной полостью 6.

Акустический волновод 7 выполнен в виде металлического цилиндра, жестко и соосно соединенного своей верхней торцевой поверхностью с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя 8 посредством пайки 11, например, серебряным припоем.

Кроме того, акустический волновод 7 в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с опорным корпусом 1, разделяя его на открытую 2 и герметичную части 4 посредством кругового сварного шва 12.

Нижняя торцевая поверхность 13 акустического волновода 7 расположена в открытой части 2 опорного корпуса 1.

На стержневой части магнитострикционного преобразователя 8 расположена электрическая обмотка 14, соединенная с выходом скважинного или наземного генератора переменного напряжения 15.

Герметизацию опорного корпуса 1 со стороны магнитострикционного преобразователя 8 обеспечивает мост 16 с уплотнительными резиновыми кольцами 17, в котором расположено сальниковое уплотнение 18 с винтом 19 для вывода электрической обмотки 14.

Со стороны акустического волновода 7 на опорном корпусе 1 установлен наконечник 20.

Устройство работает следующим образом.

От скважинного или наземного генератора 15 на электрическую обмотку 14 подается переменное напряжение рабочей частоты, соответствующей резонансной частоте магнитострикционного преобразователя 8, например, 20 кГц.

Одновременно от того же генератора 15 на эту же электрическую обмотку 14 подается ток подмагничивания, например, 2 А. Стержневой магнитострикционный преобразователь 8 передает колебания акустическому волноводу 7, а тот, в свою очередь, через окна 3 - в скважинную окружающую среду.

Заявляемый скважинный акустический излучатель позволяет повысить эффективность воздействия на призабойную зону нефтяных и газовых скважин за счет удвоения амплитуды колебаний нижней торцевой поверхности акустического отражателя, а также обеспечить надежность работы излучателя за счет исключения механических напряжений, предотвращения коррозионного разрушения, постоянства температурного режима излучателя и простоты конструкции.