ИЗЛУЧАТЕЛЬ АКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ Российский патент 2002 года по МПК E21B43/25 E21B28/00 

Изобретение относится к устройствам для акустического воздействия на продуктивные пласты, в том числе для интенсификации добычи нефти, воды и других текучих сред из скважин.

Известны акустические излучатели (а.с. SU 1581389, 30.07.1990, патент SU 1693576, 23.11.1991, патент RU 2107557, 27.03.1998), содержащие вибраторы (пьезопреобразователи), разнесенные промежуточными втулками, расположенными на центральном валу, корпус, заполненный компенсационной жидкостью, и контактное устройство под кабельный наконечник. Недостатками этих излучателей являются потери энергии акустической волны от вибраторов в компенсационной жидкости и при прохождении ее через границы раздела "компенсационная жидкость - корпус" и "корпус - окружающая среда" и отсутствие оперативной корректировки режимов акустического воздействия на пласт, невозможность дозаправки излучателя компенсационной жидкостью.

Также известен, принятый за прототип, скважинный акустический излучатель (патент RU 2164829 С1, 06.09.2000), содержащий пьезопреобразователи, выполненные из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб, при этом по крайней мере две пьезокерамические шайбы снабжены сегментами, электрически изолированными от остальной поверхности и составляющими 5-25% от площади поверхности шайб, и втулки между ними, закрепленные на центральном стержне, верхнюю и нижнюю головки, эластичный кожух, заполненный компенсационной жидкостью, контактное устройство под кабельный наконечник, установленное в верхней головке.

Недостатками этого излучателя являются неизбежные потери акустической мощности при повороте продольной акустической волны в компенсационной жидкости и при прохождении через границы раздела "компенсационная жидкость - корпус" и "корпус - окружающая среда", а также эксплуатационные неудобства, связанные с необходимостью замены эластичного корпуса при повреждениях, заправки (или, по крайней мере, дозаправки) излучателя компенсационной жидкостью при проведении ремонтно-профилактических работ.

Технической задачей изобретения является повышение акустической мощности, отдаваемой в пласт, за счет непосредственной передачи продольной акустической волны в пласт, а также повышение избирательности акустического воздействия на призабойную зону за счет управления характеристикой направленности, обеспечиваемого независимой работой каждого пьезопреобразователя. Одновременно решена задача повышения удобства обслуживания излучателя в процессе эксплуатации.

Задача решается за счет размещения пьезопреобразователей, снабженных накладками, в излучателе перпендикулярно продольной оси с поворотом друг относительно друга на угол от 0 до ±180^o, при этом рабочая поверхность накладок контактирует непосредственно с окружающей средой.

Накладки не выступают за образующую цилиндра, описанного вокруг корпуса излучателя, и их рабочая поверхность выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой.

Пьезопреобразователи электрически и механически независимы друг от друга, что позволяет управлять характеристикой направленности.

Корпус, в котором размещены пьезопреобразователи, выполнен из металла в виде цилиндра или многогранного параллелепипеда, при этом герметичность обеспечивается за счет узлов герметизации, например, в виде сальниковых устройств.

Пьезокерамические шайбы в пьезопреобразователях установлены предварительно напряженными.

На фиг.1 представлена конструкция излучателя (продольный разрез).

На фиг. 2 представлена конструкция излучателя (поперечный разрез А-А) с плоскими накладками пьезопреобразователя.

На фиг. 3 представлена конструкция излучателя (поперечный разрез Б-Б) с вогнутыми сферическими накладками пьезопреобразователя.

На фиг. 4 представлена конструкция излучателя (поперечный разрез В-В) с выпуклыми коническими накладками пьезопреобразователя.

На фиг. 5 - диаграмма распределения акустического давления в плоскости, перпендикулярной оси излучателя, для пьезопреобразователя с вогнутыми сферическими (а) и выпуклыми сферическими (б) накладками.

На фиг.6 - диаграмма распределения акустического давления по высоте излучателя,
где 1 - пьезопреобразователь, 2 - несущий корпус, 3 - узел герметизации, 4 - верхняя головка, 5 - нижняя головка, 6 - блок электроники, 7 - контактное устройство, 8 - кабельный наконечник, 9 - полость в корпусе, 10 - линии связи, 11 - пьезокерамические шайбы, 12 - стержень, 13 - накладка, 14 - образующая цилиндра, описанного вокруг корпуса.

Излучатель (фиг. 1) состоит из пьезопреобразователей 1, установленных внутри полого несущего корпуса 2 перпендикулярно его оси, при этом герметичность обеспечивается с помощью узлов герметизации 3, выполненных, например, в виде сальниковых устройств; верхней 4 и нижней 5 головок и блока электроники 6, герметично соединенных с корпусом, контактного устройства 7 под стандартный кабельный наконечник 8, установленного в верхней головке. Корпус может быть выполнен цилиндрическим или многогранным, обеспечивающим более свободное скольжение излучателя по скважине, особенно в случае ее загрязнения отложениями, например парафинами. Корпус может быть выполнен как из металла, так и из иных прочных материалов, например пластмассы, и не требует замены в процессе эксплуатации. Пьезопреобразователи в корпусе могут размещаться в одной плоскости, или с поворотом друг относительно друга на угол от 0 до ±180^o. Полость 9 внутри корпуса предназначена для прокладки линий связи 10 от блока электроники до пьезопреобразователей и ничем не заполняется, что облегчает проведение профилактических осмотров и ремонтных работ. Пьезопреобразователи состоят из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб 11 и включают, по крайней мере, по две пьезокерамические шайбы с электрически изолированными от остальной поверхности сегментами, выполняющими роль встроенных датчиков контроля работы и настройки параметров пьезопреобразователя. Корректировка параметров работы каждого из пьезопреобразователей может осуществляться непосредственно во время работы за счет обработки сигналов, поступающих от датчиков контроля работы в блок электроники.

Шайбы в пьезопреобразователе предварительно напряжены с помощью стержня 12 с резьбой на обоих концах и накладок 13, что повышает добротность пьезопреобразователя и позволяет подстраивать частоту резонанса и значение импеданса каждого пьезопреобразователя в процессе сборки под заданные значения. Накладки могут быть плоскими (фиг. 2), выпуклыми или вогнутыми, например сферической (фиг. 3) или конической (фиг. 4) формы в зависимости от того, в какой точке пространства или в каком направлении необходимо получить максимум излучения. Например, сферическая вогнутая форма накладок позволяет получить узконаправленную характеристику направленности в сечении, перпендикулярном оси излучателя (фиг.5а), а выпуклая сферическая - почти круговую (фиг. 5б). Единственное ограничение, накладываемое на форму накладок, - в целях предотвращения зацепов при движении по скважине и повышения срока службы пьезопреобразователей накладки не должны выступать за образующую 14 цилиндра, описанного вокруг корпуса излучателя.

Блок электроники предназначен для формирования сигнала с рабочей частотой пьезопреобразователей и для автоматической корректировки параметров работы пьезопреобразователей (частота, напряжение, фазовый сдвиг) непосредственно во время работы в зависимости от результатов обработки в блоке электроники сигналов, снимаемых со встроенных датчиков контроля работы пьезопреобразователей.

Независимая работа каждого пьезопреобразователя, причем совсем не обязательно на резонансных частотах, и применение в одном излучателе пьезопреобразователей с различной формой накладок позволяет получить характеристику направленности в продольной плоскости, проходящей через ось излучателя, с ярко выраженными "языками" и в процессе работы управлять характеристикой направленности (перераспределять акустическое давление как по высоте излучателя, так и в плоскости, перпендикулярной его оси), что позволяет повышать избирательность акустического воздействия на скважину, призабойную зону, пласт. Формы характеристики направленности для двух различных совокупностей сигналов, подаваемых на пьезопреобразователи, показаны на фиг. 6 (а и б).

Отсутствие компенсационной жидкости внутри корпуса облегчает проведение профилактических осмотров и ремонтных работ.

Как показали расчеты и испытания, за счет исключения прохождения акустической волны через границы раздела "компенсационная жидкость - корпус" и "корпус - окружающая среда" выигрывается от 35 до 43% мощности.

Корпусные детали скважинного акустического излучателя выполнены из сталей различных марок и алюминиевых сплавов. Шайбы пьезопреобразователей выполнены из керамики ПКР-78. Блок электроники выполнен на общепромышленных элементах. Используется геофизический кабель, например, марки КГ3-60-180-1 с наконечником типа НКБ3-36.

Излучатель работает следующим образом. Напряжение промышленной электросети после преобразований в наземном блоке (не показан) через геофизический кабель с наконечником подается на излучатель, опущенный в скважину. Напряжение питания поступает в блок электроники, где происходит формирование сигналов с рабочими параметрами (напряжение, частота, фазовый сдвиг), которые далее подаются по линиям связи на пьезопреобразователи. Благодаря пьезоэффекту электрическая энергия преобразуется в пьезопреобразователях в механическую с возникновением продольной акустической волны, которая поступает непосредственно в окружающую излучатель среду. Под действием давления в изолированных от остальной поверхности пьезокерамических шайб сегментах (датчиках давления) возникает электрический сигнал, поступающий в блок электроники, в результате обработки которого происходит корректировка параметров (частота, напряжение, фазовый сдвиг) электрических сигналов, подаваемых на пьезопреобразователи, в сторону максимизации акустического воздействия на скважину, призабойную зону, пласт.

Скважинный акустический излучатель прошел промышленное опробование на Ватьеганском месторождении Западной Сибири в 2001 г.

Излучатель акустический скважинный относится к устройствам для акустического воздействия на продуктивные пласты, в том числе для интенсификации добычи нефти, воды и других текучих сред из скважин. Устройство содержит верхнюю головку с контактным устройством под кабельный наконечник, нижнюю головку, герметичный корпус. В корпусе размещен блок электроники, пьезопреобразователи из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб. Несколько шайб выполнено с электрически изолированными от остальной поверхности шайбы сегментами. Пьезопреобразователи размещены перпендикулярно продольной оси излучателя и выполнены с накладками. Рабочая поверхность накладок контактирует непосредственно с окружающей средой. Пьезопреобразователи электрически и механически независимы друг от друга и размещены с поворотом друг относительно друга на угол от 0 до ± 180^o. Накладки не выступают за образующую цилиндра, описанного вокруг корпуса излучателя. Рабочая поверхность накладок выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой. Корпус, в котором размещены пьезопреобразователи, выполнен из металла в виде цилиндра или многогранного параллелепипеда с узлами герметизации в виде сальниковых устройств. Пьезокерамические шайбы установлены предварительно напряженными. Устройство позволяет повышать акустическую мощность, отдаваемую в пласт, избирательность акустического воздействия на призабойную зону. Повышается удобство обслуживания излучателя в процессе эксплуатации. 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Излучатель акустический скважинный, содержащий верхнюю головку с контактным устройством под кабельный наконечник, нижнюю головку, герметичный корпус с размещенными в нем блоком электроники, пьезопреобразователями из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб, несколько шайб выполнено с электрически изолированными от остальной поверхности шайбы сегментами, отличающийся тем, что пьезопреобразователи размещены перпендикулярно продольной оси излучателя и выполнены с накладками, рабочая поверхность которых контактирует непосредственно с окружающей средой, пьезопреобразователи электрически и механически независимы друг от друга. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пьезопреобразователи размещены с поворотом друг относительно друга на угол от 0 до ± 180^o. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что накладки не выступают за образующую цилиндра, описанного вокруг корпуса излучателя, и их рабочая поверхность выполнена плоской, или выпуклой, или вогнутой. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус, в котором размещены пьезопреобразователи, выполнен из металла в виде цилиндра или многогранного параллелепипеда. 5. Устройство по п. 1 или 4, отличающееся тем, что корпус выполнен с узлами герметизации в виде сальниковых устройств. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пьезокерамические шайбы установлены предварительно напряженными.