ГЕРМЕТИЧНЫЙ КОРПУС СКВАЖИННОГО ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК H04R1/02 G01V1/52 

Изобретение относится к области конструирования электроакустических преобразователей и может быть использовано в геофизических приборах акустического каротажа, а также в электроакустических излучателях для акустического воздействия на продуктивную зону пласта в нефтяных и газовых скважинах и в электроакустических скважинных приборах другого назначения. Корпус скважинного электроакустического преобразователя должен удовлетворять двум основным требованиям, совместное исполнение которых крайне затруднительно. С одной стороны, корпус должен защищать активные элементы преобразователя от механических повреждений и физико-химических воздействий в скважине: повышенной температуры до 150^oC, воздействия агрессивных сред, перепадов давлений и т. д. Этому требованию наилучшим образом соответствует прочный цилиндрический герметичный корпус из стали и титановых сплавав толщиной более 1 мм (Патент WO N 962187, МПК G 01 V 1/40 от 16.01.96).

С другой стороны, для акустического каротажа и облучения продуктивных пластов необходимо обеспечить прохождение акустической энергии через стенку корпуса практически без потерь. При указанных толщинах такое прохождение акустической волны возможно только на частотах, близких к резонансной частоте корпусной оболочки, что почти никогда не совпадает с рабочими частотами электроакустических преобразователей.

В книге О.Л. Кузнецова, С.А. Ефимовой "Применение ультразвука в нефтяной промышленности". М. "Недра", 1983 г. на стр. 99 описана конструкция цельнометаллического сплошного цилиндрического корпуса акустического скважинного излучателя. Корпус в виде трубы жестко посажен на столб из пьеэокерамических сплошных колец. Жесткая посадка обеспечивает акустический контакт с боковой поверхностью колец и тем самым снимает проблему звукопрозрачности, однако сам излучатель из-за значительной толщины становится переотражателем волн, отразившихся от стенок скважины, что резко ухудшает его нагружаемость и, конечном итоге, приводит к снижению коэффициента полезного действия. Кроме того, такая конструкция является технологически весьма сложной для производства ввиду требования обеспечения акустического контакта по всей высоте столба длиной не менее 0,5 м.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции корпуса является конструкция, описанная в патенте РФ 2047280, МПК H 04 R 1/44 от 20.04.94, на электроакустический излучатель.

Герметичный цилиндрический корпус скважинного электроакустического преобразователя - излучателя по этому патенту выполнен в форме жесткого металлического цилиндра со звукопрозрачными окнами в виде перфорированных участков корпуса. Перфорационные отверстия закрыты навулканизованной на звукопрозрачные участки фтористой резиной. Внутри корпуса размещены активные пьезокерамические стержневые модули.

Такая конструкция корпуса, хотя и обеспечивает удовлетворительную звукопрозрачность, имеет существенный недостаток, обусловленный применением полимерного материала для герметизации перфорационных отверстий. Все полимерные материалы, даже самые лучшие, каковыми являются фтористые резины, являются газопроницаемыми. Внутренняя среда практически не содержит пузырьков воздуха благодаря предварительному вакуумированию заполняющей прибор жидкости. В это же время скважинная среда, как правило, перенасыщена растворенным в ней газом. При работе прибора в скважине по закону выравнивания концентрации начинается активная диффузия газа внутрь прибора, которая ускоряется повышенной температурой. При извлечении прибора на поверхность продиффундировавший газ выделяется из жидкости и создает внутреннее избыточное давление, которое постепенно разрушает связи резиновой оболочки с поверхностью корпуса. Кроме того, при работе прибора на малых глубинах нерастворенный избыточный газ ухудшает акустические характеристики прибора.

Задачей изобретения является создание газонепроницаемого корпуса, обладающего высокой звукопрозрачностью.

Для решения поставленной задачи в конструкции герметичного корпуса скважинного электроакустического преобразователя, выполненного в виде жесткого металлического цилиндра со звукопрозрачными окнами в виде перфорированных участков корпуса, введены новые признаки, а именно, на каждый перфорированный участок корпуса установлена оболочка в виде многогранной призмы на звукопрозрачных плоских металлических пластинах, герметично скрепленных по краям с краями перфорированного участка корпуса так, что между многогранной призмой и корпусом имеется зaзop. Звукопрозрачность обеспечивается выбором толщины пластин. Расчет производится на основании теории прохождения звука через упругие пластины, изложенной, например, в книге Е.Л. Шендерова "Волновые задачи гидроакустики", изд. "Судостроение", Л., 1972 г., стр. 216-250. Если оболочка выполнена в виде тонкой шестигранной призмы, то для обеспечения звукопрозрачности пластины толщиной h достаточно выполнения условия h ≤ 0,05 R, где R - средний радиус корпуса в зоне перфорации. Соблюдение этого условия обеспечивает практически полную звукопрозрачность пластин многогранника в диапазоне рабочих частот до 50 кГц. Если из соображений обеспечения более высокой прочности преобразователя требуется увеличить толщину пластины многогранной призмы, не снижая ее звукопрозрачности, на плоских металлических пластинах призмы можно выполнить гофры в направлении оси корпуса преобразователя.

Таким образом, выполнение защитной оболочки из металла защищает преобразователь от диффузии скважинного газа, а выбранная форма оболочки в виде многогранной призмы обеспечивает прочность и высокую звукопрозрачность, поскольку податливость плоской пластины (особенно гофрированной) значительно выше, чем замкнутой цилиндрической оболочки той же толщины.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где показана схема конструкции корпуса в составе одной из конструкций электроакустического преобразователя, предназначенного для акустического воздействия на продуктивные пласты нефтяных и газовых скважин.

Корпус скважинного преобразователя выполнен в виде сплошного цилиндра 1 из титанового сплава и заполнен электроизоляционной жидкостью. На участках корпуса, где формируется акустическое поле, выполнены звукопрозрачные окна в виде стенок корпуса, перфорированных круглыми отверстиями 2, диаметр отверстий и коэффициент перфорации определяются длиной волны в электроизоляционной жидкости.

В рассматриваемой конструкции скважинного преобразователя активными элементами являются стержневые пьезокерамические модули 3, расположенные вдоль оси корпуса с разными промежутками. Перфорированные участки корпуса расположены над этими промежутками и соответствуют их длине. При использовании цилиндрических активных элементов перфорированные участки корпуса находятся над боковыми поверхностями этих элементов.

На границах звукопрозрачных окон снаружи корпуса приварены кольца 4. К кольцам 4 приварены шестиграннные призмы 5 из пластин. Кольца 4 и шестигранные призмы 5 выполнены из титанового сплава. Толщина каждой пластины h=0,5 мм при радиусе корпуса R=20 мм, h=0,025 R, что позволяет считать заявленные соотношения выполненными.

Шестигранные призмы герметично защищают звукопрозрачные окна от воздействия внешней среды и обеспечивают прочность корпуса. Между внутренней поверхностью шестигранной призмы и наружной поверхностью корпуса имеется зазор. Если из соображений прочности или технологичности пластины корпуса требуется выполнить толщиной более 1 мм, то в середине пластины выполняется продольный гофр.

Передача акустической энергии в среду через этот корпус осуществляется следующим образом. Под действием электрического напряжения, подводимого к пьезокерамическим модулям, последние совершают продольные колебания. Податливые пластины пропускают волну сжатия практически без отражения во внешнюю среду. В фазе растяжения все происходит в обратном порядке. Численные оценки эффекта прохождения показывают, что низкая резонансная частота пластин, как правило, ниже рабочих частот излучателя, поэтому импеданс пластин носит инерционный характер, однако во всех реальных случаях, в том числе при соблюдении указанного выше критерия по выбору толщины пластины для шестигранной призмы, коэффициент прохождения практически будет близок к единице.

Таким образом, поставленную задачу можно считать выполненной.

Использование: в электроакустических преобразователях, геофизических приборах акустического каротажа, электроакустических излучателях, а также в электроакустических скважинных приборах другого назначения. Технический результат заключается в обеспечении газонепроницаемости и звукопрозрачности корпуса. Это достигается тем, что каждый перфорированный участок герметичного корпуса скважинного электроакустического преобразователя выполнен в форме жесткого металлического цилиндра со звукопрозрачными окнами в виде перфорированных участков. На него установлена оболочка в виде многогранной призмы. Оболочка состоит из звукопрозрачных плоских металлических пластин, герметично скрепленных по краям с краями перфорированного участка так, что между многогранной призмой и корпусом имеется зазор. На каждой пластине может быть выполнен по крайней мере один гофр в направлении оси корпуса. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Герметичный корпус скважинного электроакустического преобразователя, выполненный в форме жесткого металлического цилиндра со звукопрозрачными окнами в виде перфорированных участков корпуса, отличающийся тем, что на каждый перфорированный участок корпуса установлена оболочка в виде многогранной призмы из звукопрозрачных плоских металлических пластин, герметично скрепленных по краям с краями перфорированного участка корпуса так, что между многогранной призмой и корпусом имеется зазор. 2. Герметичный корпус по п.1, отличающийся тем, что многогранная призма выполнена шестигранной, и толщина металлической пластины h связана со средним радиусом R соотношением h ≤ 0,05R. 3. Герметичный корпус по п.1, отличающийся тем, что на каждой плоской металлической пластине многогранной призмы имеется по крайней мере один гофр в направлении оси корпуса преобразователя.