АКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК G01V1/52 B06B1/06 

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в мощных звуковых устройствах обработки продуктивных зон нефтяных, газовых и водяных скважин для повышения их производительности.

Интенсификация притока нефти или другой жидкой фазы из продуктивных пластов скважин достигается путем воздействия на призабойную зону скважины мощными акустическими колебаниями. Для создания таких колебаний служат мощные электроакустические излучатели, конструкции которых кроме создания звуковых полей большой интенсивности должны обеспечивать их длительную работу в условиях высоких рабочих температур (до 150^oC), повышенных гидростатических давлений (до 50 мПа) и особенностей физико-химического воздействия рабочей среды в скважине.

Известен скважинный акустический излучатель, основанный на магнитострикционном эффекте (авт. свид. СССР N 1743863, МПК B 06 B 1/08 от 02.02.87). Этот излучатель представляет собой цилиндрическую конструкцию, по оси которой установлены магнитострикционные элементы. Такие излучатели прочны, так как изготовлены из металлов, не требуют компенсационных конструктивных элементов (компенсатора или полимерного корпуса) и работают при низких рабочих напряжениях. Однако такие магнитострикционные излучатели имеют сравнительно низкую удельную акустическую мощность, низкий КПД и малое сопротивление, что отрицательно сказывается при передаче электрической энергии от наземного генератора к скважинному излучателю через длинную кабельную линию, Кроме того, работа магнитострикционных излучателей требует дополнительного источника постоянного тока (источник тока подмагничивания). Все это приводит к существенному снижению их эффективности в условиях работы нефтяных и газовых скважин.

Более эффективными, хотя конструктивно и более сложными, являются пьезоэлектрические преобразователи. Известен пьезоэлектрический преобразователь, состоящий из набора стержневых модулей, установленных по оси в герметичном корпусе (авт. свид. СССР N 1581389, МПК В 06 В 1/06 от 13.03.86).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является скважинный излучатель по патенту Российской Федерации N 2047280, МПК H 04 R 1/44 от 20.04.94. Этот скважинный излучатель содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральной шпилькой. Активные модули размещены по оси жесткого герметичного металлического цилиндрического корпуса, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, заполненного электроизоляционной жидкостью. Каждый активный модуль представляет собой пьезопакет, состоящий из пьезокерамических шайб, токоподводящих металлических пластин и центрального отражателя в виде массивной шайбы. Пьезопакет механически сжат центральной шпилькой. Центральный отражатель каждого модуля с помощью металлических крепежных штифтов прикреплен, например сваркой, к герметизирующему металлическому корпусу излучателя. Такая конструкция обеспечивает центральную симметрию колебаний относительно середины длины модуля и жесткую фиксацию модулей в корпусе относительно друг друга. В корпусе в области промежутков между торцами активных модулей выполнены звукопрозрачные окна. Эти окна защищены от внешней среды каким-либо полимером, например резиной. Для компенсации термического расширения жидкости и наружного гидростатического давления металлический корпус снабжен компенсатором.

Недостатком такой конструкции является крайне низкая ремонтопригодность прибора в случае замены одного или нескольких модулей. Необходимо отметить, что скважинный излучатель при работе в реальных условиях подвержен очень тяжелым и сложным эксплуатационным воздействиям. Высокие температуры, большие гидростатические давления и агрессивность рабочей среды в скважине могут вызывать нарушение нормальной работы излучателя и выход его из строя. Как показала практика, ремонт скважинного излучателя связан с большими техническими трудностями (точное высверливание штифтов из отверстий в корпусе, образование новых отверстий с последующей металлосваркой и др.). Таким образом, ремонтопригодность скважинного излучателя является очень важной его эксплуатационной характеристикой.

Другим существенным недостатком такой конструкции является неэффективное использование электромеханического преобразования, что вызвано исключением пьезоактивного материала из центральной части каждого модуля, обусловленное конструкцией крепления. Исключение активного материала из центральной части модуля, где происходит преобразование электрической энергии в механическую наиболее эффективно, и замена его пассивным материалом приводит к значительным (~ 20 - 30%) энергетическим потерям.

Задачей изобретения является создание излучателя такой конструкции, которая обеспечила бы его ремонтопригодность и повышение эффективности.

Для решения поставленной задачи в акустическом скважинном излучателе, содержащем активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенными по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между модулями.

Пружинный элемент может быть выполнен в виде тонкого кольца, скрепленного по диаметру с центральными стягивающими шпильками соседних активных модулей.

Для повышения надежности излучателя корпус может быть двухслойным, состоящим из герметичной полимерной оболочки, размещенной внутри металлического несущего защитного кожуха, перфорированного по боковой поверхности, по крайней мере в области промежутков между активными модулями.

Такая конструкция излучателя, с одной стороны, позволяет освободить от элементов крепления наиболее эффективные в процессе колебаний центральные участки активных модулей, выполнить их из пьезокерамики и следовательно повышает эффективность излучателя.

С другой стороны, активные модули, скрепленные между собой пружинными элементами в "цепочку" и механически соединенные с крышками корпуса, позволяют легко разбирать излучатель. При этом наличие пружинных элементов обеспечивает простую и технологичную сборку излучателя и установку активных модулей в области звукопрозрачных участков модуля с достаточной точностью. Сборку упрощает выполнение корпуса с применением перфорированного по всей поверхности несущего кожуха.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, на которых показана предлагаемая конструкция излучателя. На фиг. 1 приведена схематическая конструкция скважинного излучателя, а на фиг. 2 - фрагмент излучателя с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном.

Акустический излучатель содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов 1. Каждый активный модуль состоит из одинаковых пьезокерамических шайб 2, склеенных через металлические электроды 3. На торцах активной части модуля имеются металлические излучающие накладки 4. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической стягивающей армирующей шпилькой 5, повышающей его механическую прочность. Шпилька размещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули соосно размещены в металлическом корпусе 6, имеющем звукопрозрачные окна 7. Модули акустически "развязаны" от корпуса. С помощью резиновых "развязок" 8 и с помощью гибких колец 9, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе 6, образуют механически связанную цепочку и электрически соединяются между собой проводом 10. Первое и последнее гибкие кольца механически соединены с крышками 11 корпуса. Корпус 6 герметизирован резиновыми заглушками 12, заполнен электроизоляционной жидкостью 13 и снабжен компенсатором 14. Компенсатор механически защищен колпаком 15.

На фиг. 1, 2 показана конструкция скважинного излучателя с жестким металлическим корпусом, выполняющим функцию основной несущей части прибора.

Однако возможен и другой вариант, когда конструкция корпуса выполнена двуслойной. В этом случае роль компенсатора выполняет мягкая полимерная звукопрозрачная оболочка, а функцию несущей части прибора выполняет наружный металлический перфорированный защитный кожух. Пружинные элементы могут быть выполнены с использованием пружин других типов, например витых и т.п.

Повышенная ремонтопригодность и эффективность предложенной конструкции по сравнению с прототипом обеспечивается с помощью использования тонкостенных металлических колец, соединяющих торцы соседних модулей. Гибкость таких колец должна быть много больше гибкости объема жидкости, заключенного между соседними модулями. Можно показать, что в первом приближении это условие приводит к соотношению:

где E - модуль упругости материала кольца:
- момент инерции сечения кольца,
b и h - ширина и толщина сечения,
R - радиус кольца,
(ρc)_ср - волновое сопротивление жидкости, заполняющей корпус прибора,
S - площадь излучающей поверхности модуля,
α - коэффициент, учитывающий дифракцию звуковой волны на излучающей накладке модуля,
ω - круговая частота звуковых колебаний.

Используя вышеуказанное соотношение можно правильно выбирать геометрические размеры соединительных колец при разработке предлагаемой конструкции.

Излучатель работает следующим образом.

Акустический излучатель, соединенный электрическим кабелем с источником питания, погружают в скважину на глубину залегания нефтеносного пласта. На излучатель подается электрическое напряжение звуковой частоты. При этом пьезопакеты механически возбуждают объем электроизоляционной жидкости, находящийся между торцами соседних модулей и через звукопрозрачные окна акустическая энергия излучается в окружающую среду. Генерируемые излучателем мощные акустические колебания воздействуют на окружающий грунт призабойного слоя нефтеносного пласта, улучшая его продуктивные свойства. При большой толщине пласта акустическая обработка производится на нескольких различных уровнях погружения. Малый диаметр излучателя позволяет использовать его на действующих скважинах без подъема из них системы внутренних труб. Тем более возможно его применение для скважин, находящихся на капитальном ремонте.

Учитывая, что жесткие особенности эксплуатации скважинного излучателя накладывают определенные ограничения на его долговечность, а его эффективность (особенно при малых поперечных размерах) в большой степени зависит от коэффициента заполнения их объема активным материалом, предлагаемая конструкция излучателя, предназначенная для работы в условиях нефтяных и газовых скважин, обладает существенно более высокой эффективностью и ремонтопригодностью по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в мощных звуковых устройствах обработки продуктивных зон нефтяных, газовых и водяных скважин для повышения их производительности. Технический эффект от использования изобретения заключается в повышении эффективности излучателя и повышении его ремонтопригодности, что особенно важно в специфических условиях работы скважинного излучателя. Акустический скважинный излучатель содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенными по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями. Торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса. Предложена особая форма выполнения пружинного элемента, рекомендована оптимальная величина его гибкости. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, отличающийся тем, что торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями. 2. Акустический скважинный излучатель по п.1, отличающийся тем, что каждый пружинный элемент выполнен в виде тонкого кольца, скрепленного по диаметру с центральными шпильками соседних активных модулей. 3. Акустический скважинный излучатель по п.1, отличающийся тем, что герметичный цилиндрический корпус выполнен двухслойным, состоящим из герметичной полимерной оболочки, размещенной внутри металлического несущего защитного кожуха, перфорированного по боковой поверхности, по крайней мере, в области промежутков между активными модулями.