скважинный акустический преобразователь

Формула изобретения

СКВАЖИННЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий чувствительный пьезокерамический элемент с накладками, установленный в трубчатом корпусе заполненном жидкостью, а также отражатели, выполненные в виде отбойника и геофизической головки, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, надежности, уменьшения стоимости и расширения полосы пропускания, чувствительный пьезокерамический элемент выполнен в виде продольно- поляризованной трубки с сигнальным кольцевым электродом, размещенным по ее середине, при этом корпус выполнен из материала с акустической жесткостью, соизмеряемой с акустической жесткостью жидкости, заполняющей трубчатый корпус, длина последнего равна или более четверти длины волны на низшей частоте принимаемого сигнала, а отражатели соединены между собой по оси преобразователя несущей штангой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к акустической аппаратуре, используемой для геофизических измерений в скважинах, в море и др. , и может применяться в нефтяной, газовой, горной и других отраслях промышленности.

Известен акустический приемник, применяемый в скважинах, выполненный на основе пьезокерамических элементов, размещенный в корпусе вдоль продольной оси в жидкости, причем концы корпуса заглушены геофизической головкой и наконечником-отбойником [1] .

Недостатками известного устройства являются малая чувствительность вследствие малого выходного сопротивления цилиндрических элементов, соединенных электрически между собой параллельно, узкая полоса пропускания вследствие высокой механической добротности каждого пьезоэлемента, работающего самостоятельно, малая надежность вследствие большой протяженности устройства и высокая стоимость.

Известен акустический излучатель, содержащий цилиндрический корпус, заполненный жидкой средой, с размещенными в нем активным элементом, выполненным в виде пьезопакета из продольно-поляризованных шайб, частотно-понижающими накладками, отражателями с коническими поверхностями, установленными против выполненных в корпусе окон для выхода упругих волн, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности излучателя, отражатели расположены по обе стороны активного элемента, частотно-понижающие накладки отстоят от отражателей на расстояние, равное половине длины в среде, заполняющей корпус, шайбы пьезопакета установлены в корпусе с соблюдением акустического контакта между ними и корпусом [2] .

Этот излучатель, который по своей сущности может быть использован и как приемник акустических колебаний, может быть принят за прототип и базовый образец, используемый в промышленности.

Недостатками известного устройства являются малая чувствительность в режиме приема вследствие малого сопротивления излучения, возможности расфазировки принимаемых колебаний вследствие изменчивости физико-механических свойств скважинной среды, заполняющей корпус прибора; узкая полоса пропускания вследствие большой механической добротности пьезопакета, собранного из пьезошайб большого поперечного сечения, необходимого для получения большой акустической мощности; большая стоимость вследствие необходимости установки в пьезопакет большого числа пьезошайб; малая надежность вследствие возможного отслоения стенки корпуса от наружной поверхности пьезопакета и изменчивости физико-механических свойств скважинной среды, контактирующей с внешней поверхностью частотно-понижающих накладок.

Целью изобретения является увеличение чувствительности, надежности, расширение полосы пропускания и уменьшение стоимости.

На фиг. 1 изображена конструкция скважинного преобразователя; на фиг. 2 приведены результаты шумометрии газовой скважины N 6511 Уренгойского газового месторождения, где преобразователь был использован для обнаружения протечек в обсадной колонне скважины.

К наружной поверхности геофизической головки 1 (см. фиг. 1) приклеен или привулканизирован пластмассовый или резиновый корпус 2, выполненный в виде цилиндрической тонкостенной оболочки. Возможен и другой вариант герметизации, например с помощью резиновых колец, установленных в специально выполненных канавках в головке 1, и накидной тонкостенной цилиндрической оболочки, надеваемой поверх корпуса 2. Внутри геофизической головки 1 размещен согласующий усилитель 3. На днище геофизической головки 1 размещено два проходных контакта 4. Внутри корпуса 2 залита нейтральная по отношению к пьезокерамике жидкость 5, например марки ПЭС-3, ПЭС-4 или др. Внизу геофизическая головка имеет резьбовое отверстие, в котором установлена несущая штанга 6. В жидкости проведены провода 7 (от контакта 8) и 9. Контакты установлены на накладке 10, размещенной на торце трубчатого пьезоэлемента 11, имеющего продольную поляризацию. В узле колебаний пьезоэлемента 11, в середине, размещен сигнальный электрод 12, соединенный при помощи тонкого изолированного провода, например МГТФ-0,12, с контактами 8. Отрицательные электроды, размещенные на торцах пьезоэлемента 11, также соединены между собой проводником 13 и соединены с вторым контактом. К нижнему торцу пьезоэлемента 11 приклеена вторая накладка 14. Сплошной трубчатый пьезоэлемент может быть заменен двумя наборами (пакетами) из склеенных между собой шайб из пьезокерамики, соединенных электрически и механически последовательно. Далее эти пьезопакеты соединяются и склеиваются так, как показано на фиг. 1.

Пьезокерамический элемент 11 с накладками размещен на середине штанги 6, а его перемещение вдоль нее исключено ограничителями 15, выполненными из фторопласта или другого подобного материала, пропускающего звуковые колебания и исключающего дребезг металлических накладок (алюминиевые сплавы, магний или пластмассы) об упоры. Штанга 6 проходит внутри пьезоэлемента 11 и должна иметь на этом участке изоляционное покрытие и проскальзывать по отношению к пьезоэлементу 11. Нижний конец штанги 6 ввернут на клею в наконечник-отбойник 16. В предлагаемом устройстве расстояние между торцами головки 1 и наконечника-отбойника 16 и накладками 10 и 14 равно одной четверти длины волны /4 в жидкости 5 на самой низшей частоте сигнала. Корпус 2 является податливым и заменяет компенсатор статического давления. Жидкость 5 заливается (или сливается) через клапан в наконечнике-отбойнике 16, не показанный на фиг. 1. Детали 1 и 16 выполняются из стали, т. е. из материала с высоким акустическим сопротивлением. В верхней части геофизической головки 1 размещена соединительная стандартная розетка, не показанная на фиг. 1.

Скважинный акустический преобразователь работает следующим образом.

В режиме приема акустическое давление принимаемого сигнала из скважинной среды воздействует на гибкий корпус 2 и приводит его стенку в движение. Эти колебания передаются в жидкость 5, и при этом происходит поворот распространения принятых продольных волн на угол 90^о, и они распространяются в сторону элементов 1, 10, 14 и 16. Так как элементы являются акустически жесткими, то волны будут отражаться в сторону накладок 10 и 14. На самой низкой частоте принимаемого сигнала вследствие выбора расстояния равным одной четверти длины волны (см. фиг. 1) будет наблюдаться отражение волн одного и того же знака, что исключает возникновение акустического короткого замыкания. Вследствие равномерного сжатия (или разрежения) жидкости по закону Паскаля происходит преобразование давления в силу, деформирующую пьезоэлемент 11 с обеих сторон. Отрицательная деформация пьезоэлемента 11 от воздействия акустического давления на корпусе 2 на участке между накладками 10 и 14 невелика из-за значительного превосходства участков длиной /4. В принципе это отрицательное воздействие может быть вообще исключено, если наружный диаметр пьезоэлемента 11 будет равен наружному диаметру накладок 10 и 14, а диаметр стержня внутри пьезоэлемента 11 увеличен. В связи с этим в дальнейшем этот фактор учитываться не будет. Таким образом, увеличение чувствительности в данном устройстве получается за счет приведения силы, воздействующей на большую поверхность корпуса 2, к малой площади поперечного сечения трубчатого пьезоэлемента 11, что и вызывает увеличение электродвижущей силы на сигнальном электроде 12 при появлении в скважинной среде акустического сигнала. Увеличение чувствительности может быть достигнуто до 1000 или даже более раз. Так как использован всего лишь один пьезоэлемент, занимающий небольшое пространство в скважинном снаряде, то, во-первых, это удешевляет устройство, а во-вторых, оно делается надежнее, поскольку вероятность воздействия удара на пьезоэлемент резко снижается. Так как поперечное сечение пьезоэлемента 11 мало, а излучающая (принимающая) поверхность корпуса 1 велика, то происходит резкое уменьшение механической добротности и расширение полосы пропускания устройства.

В режиме излучения на пьезоэлемент от генератора подается электрический сигнал и вследствие обратного пьезоэффекта пьезокерамики происходит укорочение и удлинение пьезоэлемента 11. Движение торцов пьезоэлемента через связанные с ними накладками 10 и 14 передаются среде 5 и стенкам корпуса 2, которые вызывают в скважине и околоскважинном пространстве возникновение упругих колебаний в виде продольных волн.

Предложенный скважинный акустический преобразователь был реализован в качестве приемника скважинного шумометра для обнаружения течей газа через обсадную колонну скважин на Уренгойском газовом месторождении в марте 1990 г. Течеискатель (шумомер) был оборудован скважинным прибором "Спектр" (СШ. 01.000 Сб) (см. фиг. 2). В скважине N 6511 были обнаружены два отверстия, которые и были причиной течи газа, вызывавшего шумовые волны в скважине.