ПРИБОР АКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ Российский патент 2005 года по МПК E21B43/25 E21B28/00 

1. Область техники

Изобретение относится к геофизической скважинной аппаратуре и аппаратуре для акустического воздействия на пласты, может быть использовано в нефтяной и газовой отраслях промышленности.

2. Уровень техники

Известны различные устройства для акустического воздействия на призабойную зону продуктивных пластов (патент RU №2162519, 26.04.1999, патент RU №2152513, 24.05.1999, патент RU №2140519, 11.03.1998), включающие наземный блок управления, соединенный посредством питающего кабеля со скважинным прибором, состоящим из акустического излучателя и блока электроники, причем в состав блока электроники входят блоки опорного сигнала, сравнения, управления и датчики, включая датчик контроля уровня акустического излучения.

Недостатками известных устройств являются: неравномерное распределение подводимой мощности по пьезопреобразователям акустического излучателя, большие потери энергии в геофизическом кабеле при передаче сигнала от наземной аппаратуры к излучателю, недостаточность диагностики состояния излучателя.

Известен скважинный акустический излучатель (патент RU №2164829, 06.09.2000), содержащий пьезопреобразователи из пьезокерамических шайб, при этом, по крайней мере, две пьезокерамические шайбы имеют изолированные от остальной поверхности шайбы сегменты, выполняющие роль встроенных датчиков, которые связаны с блоком обработки сигналов, состоящим из сумматора и преобразователя сигналов. Блок обработки сигналов связан через герметичный токоввод, контактное устройство и одножильный грузонесущий геофизический кабель с наземной аппаратурой, в состав которой входит блок обратной связи, формирующий управляющий сигнал на задающий генератор, размещенный в наземном блоке.

Недостатками излучателя являются: неравномерное распределение подводимой мощности на пьезопреобразователи за счет усреднения сигналов со встроенных в пьезопреобразователи датчиков и подачи на пьезопреобразователи сигнала одной частоты, что приводит к работе с полной нагрузкой лишь того из пьезопреобразователей, резонансная частота которого совпадает с частотой подаваемого сигнала, и недогрузке остальных. Это приводит к преждевременному выходу из строя нагруженного пьезопреобразователя, иногда до окончания сеанса обработки скважины.

Кроме того, к недостаткам также относятся неизбежные потери энергии в геофизическом кабеле при передаче сигнала от наземной аппаратуры к излучателю, отсутствие защиты электронных устройств от перегрузок, в частности, от короткого замыкания в излучателе.

Известен также принятый за прототип излучатель акустический скважинный (патент RU №2193651, 23.11.2001), содержащий верхнюю головку с контактным устройством под кабельный наконечник, герметичный корпус с размещенными в нем блоком электроники и пьезопреобразователями из продольно-поляризованных пьезокерамических шайб, несколько шайб выполнено с электрически изолированными от остальной поверхности шайб сегментами, выполняющими роль встроенных датчиков контроля работы пьезопреобразователей. Блок электроники предназначен для формирования сигнала с рабочей частотой пьезопреобразователей в зависимости от результатов обработки в блоке электроники сигналов, снимаемых со встроенных датчиков контроля работы пьезопреобразователей. При сборке излучателя пьезопреобразователи подстраивают под заданные значения частоты резонанса и импеданса с помощью стержня с резьбой на обоих концах и накладок пьзопреобразователей.

Основным недостатком излучателя является необходимость предварительного отбора (подстройки) установленных в излучатель пьезопреобразователей по заданным значениям резонансной частоты и импеданса с целью согласования подаваемой частоты и резонансных частот пьезопреобразователей и предотвращения тем самым перекоса мощностей на пьезопреобразователях. Но и в этом случае не удается добиться одинаковых значений резонансных частот установленных в излучатель пьезопреобразователей (Фиг.3). Поэтому при подаче на излучатель сигнала с частотой F=F_p2 только у 2-го пьезопреобразователя амплитуда колебаний A₂ будет максимальной (А_max), остальные значения A_i<А_max. Кроме того, не гарантируется, что под влиянием скважинных условий (внешнее давление, повышенная температура, вибрация и т.п.) пьезопреобразователи сохранят одинаковьми значения резонансных частот и импеданса. Рассогласование резонансных частот пьезопреобразователей приводит к тому, что только один (или, в лучшем случае, несколько) пьезопреобразователь при подаче сигнала с фиксированной частотой будет работать в резонансе, т.е. с максимальной амплитудой колебаний и кпд. Наиболее вероятен случай, когда на излучатель будет подаваться сигнал с усредненной частотой F (Фиг.4), при котором суммарный сигнал, снимаемый со встроенных в пьезопреобразователи датчиков, имеет максимальное значение, но не совпадающий ни с одной из резонансных частот. Из вышесказанного следует, что работать с максимальной отдачей (нагрузкой) будет, скорее всего, лишь один из пьезопреобразователей, резонансная частота которого совпадает (или максимально близка) с частотой подаваемого сигнала, а это неминуемо приведет к его преждевременному выходу из строя.

Кроме того, к недостаткам также относятся неизбежные потери энергии в геофизическом кабеле при передаче высокочастотного сигнала от наземной аппаратуры к излучателю, причем чем выше частота сигнала, тем больше потери, недостаточность диагностики состояния излучателя, отсутствие защиты электронных устройств от перегрузок.

3. Сущность изобретения

Технической задачей изобретения является повышение ресурса прибора за счет повышения долговечности излучателя, входящего в состав прибора, которая обеспечивается равномерностью распределения подводимой к пьезопреобразователям мощности посредством периодического изменения во время работы прибора частоты подаваемого электрического сигнала в пределах от минимальной до максимальной из резонансных частот пьезопреобразователей, а также повышения уровня диагностики состояния прибора.

Задача решается путем расширения функциональных возможностей блока электроники за счет введения в него задающего генератора, усилителя мощности, модуля контроля состояния пьезопреобразователей, микропроцессора, модема, смесителя тока, энергонезависимой памяти, модуля защиты от перенапряжения, частотомера, трансформатора тока.

Одновременно решены задачи защиты радиоэлектронных устройств и элементов от перенапряжения, снижения потерь мощности в геофизическом кабеле, а также повышения эксплуатационных характеристик излучателя, в частности, ремонтопригодности за счет размещения излучателя и блока электроники в разных корпусах, соединяемых вместе посредством герметичного узла стыковки.

3.2. Отличительные признаки

В отличие от известного устройства блок электроники, входящий в состав скважинного акустического прибора, снабжен задающим генератором, усилителем мощности, микропроцессором, модулем контроля состояния пьезопреобразователей, модемом, смесителем тока, модулем защиты от перенапряжения, модулем энергонезависимой памяти, частотомером, трансформатором тока. Микропроцессор связан своим первым управляющим выходом через задающий генератор с усилителем мощности, при этом генератор выдает сигналы с периодически изменяющейся частотой в диапазоне, определяемом в процессе работы прибора в скважине по минимальной и максимальной резонансным частотам отдельных пьезопреобразователей, входящих в состав прибора. Выдаваемая генератором частота не может быть меньше минимальной и больше максимальной из резонансных частот пьезопреобразователей. Ко второму управляющему выходу микропроцессора подсоединен модуль защиты от перенапряжения. К измерительным входам микропроцессора подключены через частотомер выход задающего генератора, сигнальный выход усилителя мощности, измерительный выход трансформатора тока, выход модуля контроля состояния пьезопреобразователей. Микропроцессор связан двухсторонней связью с модулем энергонезависимой памяти и через модем - со смесителем тока. К модулю контроля состояния пьезопреобразователей независимо друг от друга подсоединены встроенные датчики контроля состояния пьезопреобразователей.

Блок электроники и пьезопреобразователи размещены в разных герметичных корпусах, соединенных между собой посредством герметичного узла стыковки с электроразъемом.

В нижней части прибора акустического скважинного размещен локатор муфт и перфорационных отверстий.

4. Перечень фигур чертежей

На фиг.1. представлена конструкция прибора.

На фиг.2 представлена блок-схема прибора.

На фиг.3 представлены амплитудно-частотные характеристики пьезопреобразователей, входящих в состав излучателя, после сборки.

На фиг.4 представлены амплитудно-частотные характеристики пьезопреобразователей, входящих в состав излучателя, при работе в скважине,

где 1 - герметичный корпус, 2 - пьезопреобразователи, 3 - блок электроники, 4 - верхняя головка, 5 - контактное устройство, 6 - кабельный наконечник, 7 - электроразъем, 8 - локатор муфт и перфорационных отверстий, 9 - продольно-поляризованные пьезокерамические шайбы, 10 - электрически изолированные от остальной поверхности шайбы сегменты, 11 - модуль контроля состояния пьезопреобразователей, 12 - микропроцессор. 13 - задающий генератор, 14 - усилитель мощности, 15 - модуль защиты от перенапряжения, 16 - частотомер, 17 - трансформатор тока, 18 - модуль энергонезависимой памяти, 19 - модем, 20 - смеситель тока, 21 - модуль согласования с нагрузкой, F_p1, F_pi - резонансная частота 1-го и i-го пьезопреобразователей соответственно, A₁, A_i - амплитуда колебаний накладок 1-го и i-го пьезопребразователя соответственно.

5. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Прибор акустический скважинный (Фиг.1) состоит из герметичного корпуса 1 с размещенными в нем пьезопреобразователями 2 и блоком электроники 3, верхней головки 4 с контактным устройством 5 под кабельный наконечник 6, герметично соединенной с корпусом. Герметичность установки пьезопреобразователей в корпусе обеспечивается, например, сальниковыми узлами с применением резиновых уплотнительных колец. Корпус может быть выполнен из двух или более частей, герметично соединенных между собой, при этом в верхней части расположен блок электроники, а в нижней - пьезопреобразователи. Размещение пьезопреобразователей и блока электроники в самостоятельных герметичных корпусах, соединяемых вместе посредством герметичного узла стыковки с электроразъемом 7, повышает эксплуатационные параметры (характеристики) прибора за счет улучшения условий проведения настройки, модернизации отдельных узлов и ремонта прибора, а также обеспечивает возможность применения акустических излучателей (пьезопреобразователей) различного частотного ряда без полной разборки и последующей настройки прибора и используя один блок электроники. Корпус выполнен из прочных материалов, например алюминиевых сплавов, и рассчитан на максимальное скважинное давление. В нижней части корпуса может быть расположен локатор муфт и перфорационных отверстий 8.

Пьезопреобразователи состоят из продольно-поляризованных пьезокерамических шайб 9, и включают каждый, по крайней мере, две пьезокерамические шайбы с электрически изолированными от остальной поверхности шайбы сегментами 10, выполняющими функции встроенных датчиков контроля состояния пьезопреобразователей. Датчики контроля разных пьезопреобразователей независимо друг от друга подсоединены к модулю контроля состояния пьезопреобразователей 11 блока электроники (Фиг.2). Сигнал с каждого датчика имеет максимальное значение в случае совпадения резонансной частоты пьезопреобразователя с частотой подаваемого электрического сигнала и будет меньше максимального во всех остальных случаях. Тем самым обеспечивается возможность непрерывного контроля за работой каждого пьезопреобразователя и получение информации о том, в резонансе он работает в данный момент или нет.

Модуль контроля состояния пьезопреобразователей своим выходом подсоединен к измерительному входу (порту) микропроцессора 12. Первый управляющий выход микропроцессора через задающий генератор 13 соединен с входом усилителя мощности 14, а ко второму управляющему выходу микропроцессора подключен модуль защиты от перенапряжения 15. К измерительному входу (порту) микропроцессора подключены также частотомер 16, соединенный с выходом задающего генератора, сигнальный выход усилителя мощности, измерительный выход трансформатора тока 17. Микропроцессор связан двухсторонней связью с модулем энергонезависимой памяти 18 и через модем 19 со смесителем тока 20. В силовую схему блока электроники входит помимо модуля защиты от перенапряжения смесителя тока, усилителя мощности и трансформатора тока модуль согласования с нагрузкой 21, связанный с выходом усилителя мощности и входом трансформатора тока.

Модули блока электроники выполнены на общепромышленных элементах. Так, например, смеситель токов реализуется на основе стандартных реактивных элементов - индуктивности и емкости; модем реализуется на основе стандартных микросхем усилителей переменного тока; частотомер реализуется на основе соответствующих специализированных микросхем или с использованием обычных счетчиков на триггерах; задающий генератор реализуется с использованием микросхем управляемых генераторов; усилитель мощности выполняется на основе транзисторных ключевых каскадов; модуль согласования с нагрузкой выполняется на реактивных элементах - индуктивности и емкости. Пьезокерамические шайбы выполнены из пьезокерамических материалов, например, системы ЦТС по ГОСТ 13927.

Работа прибора.

Работу прибора можно разделить на три этапа: установка излучателя на заданной глубине, настройка задающего генератора и собственно акустическое воздействие на пласт.

Установка излучателя на заданной глубине осуществляется следующим образом. При движении прибора по скважине (обсадной колонне) локатор муфт создает вокруг себя магнитное поле. В случае прохождения мимо соединительных муфт или перфорационных отверстий обсадной колонны это магнитное поле изменяется. Возникающие изменения фиксируются оператором, который по их характеру делает вывод о том, в каком месте скважины находится скважинный прибор.

Настройка задающего генератора осуществляется следующим образом.

После спуска прибора в скважину с наземного блока контроля и управления (не показан) через жилу грузонесущего геофизического кабеля на вход скважинного прибора подается электрический сигнал, который через модуль защиты от перенапряжения и смеситель тока поступает на усилитель мощности, на второй (сигнальный) вход которого подается высокочастотный сигнал от задающего генератора. Высокочастотный импульсный сигнал с выхода усилителя поступает на вход модуля согласования с нагрузкой, в котором происходит преобразование этого сигнала в сигнал приемлемой для излучателя формы, например синусоидальной. Далее сигнал через трансформатор тока поступает на вход излучателя.

Пьезопреобразователи, входящие в состав излучателя, преобразуют электрический сигнал в акустическую волну. Датчики контроля состояния пьезопреобразователей, входящие в состав каждого пьезопреобразователя, выдают электрические сигналы, характеризующие работу пьезопреобразователей, в модуль контроля состояния пьезопреобразователей. Сигнал с каждого датчика обратной связи будет максимальным в случае совпадения резонансной частоты пьезопреобразователя с частотой подаваемого электрического сигнала и будет меньше максимального во всех остальных случаях. (Фиг.3). В модуле контроля состояния пьезопреобразователей оценивается уровень поступающих сигналов, запоминаются максимальные из них и выдаются команды на микропроцессор, который формирует и через модем и смеситель тока выдает информационные сигналы на наземный блок контроля и управления.

В начале сеанса обработки скважины оператор, изменяя частоту задающего генератора путем подачи команд с наземного блока контроля и управления, получает со скважинного прибора значения резонансных частот всех пьезопреобразователей, входящих в состав излучателя, который находится в конкретной скважине. Эти же значения запоминаются в модуле контроля состояния преобразователей. После этого оператор рассчитывает рабочий интервал частот, учитывая значения минимальной и максимальной из полученных резонансных частот, и заводит эти данные, а также закон изменения частоты в рабочем интервале в модуль энергонезависимой памяти, т.е. задает программу автоматизированной работы прибора по обработке конкретной скважины.

Собственно работа прибора по воздействию на пласт осуществляется следующим образом.

Напряжение промышленной электросети после преобразований в наземном блоке контроля и управления (не показан) через центральную жилу грузонесущего геофизического кабеля поступает на вход скважинного прибора в модуль защиты от перенапряжения и далее - через смеситель тока - на усилитель мощности, на второй (сигнальный) вход которого подается высокочастотный сигнал от задающего генератора, соответствующий минимальному значению рабочего диапазона частот.

Высокочастотный импульсный сигнал с выхода усилителя поступает на вход модуля согласования с нагрузкой, в котором происходит преобразование этого сигнала в сигнал приемлемой для излучателя формы, например синусоидальной.

Сформированный таким образом высокочастотный импульсный сигнал через трансформатор тока, который служит для оценки генерируемой мощности путем измерения величины тока в излучателе, поступает на вход излучателя.

Пьезопреобразователи, входящие в состав излучателя, преобразуют электрические колебания в акустическую волну, которая распространяется в пласт и осуществляет воздействие на призабойную зону.

Датчики контроля состояния пьезопреобразователей, входящие в состав каждого пьезопреобразователя, выдают сигналы в модуль контроля состояния пьезопреобразователей. В модуле контроля состояния пьезопреобразователей происходит непрерывный процесс сравнения уровня поступающих сигналов с максимальными, и выдаются команды на микропроцессор, который, учитывая заложенную в память программу автоматизированной работы прибора по обработке скважины, формирует команды управления модулями скважинного усилителя, в частности, изменяет частоту задающего генератора от минимальной до максимальной по периодическому закону.

В случае ухода по каким-либо причинам (например, из-за изменения температуры) резонансных частот пьезопреобразователей за верхнюю или нижнюю границы заложенного в модуль энергонезависимой памяти диапазона изменения частот задающего генератора микропроцессор выдает команды на изменение соответственно верхней или нижней частот рабочего диапазона задающего генератора. В случае исчезновения сигнала от одного из датчиков, что свидетельствует о повреждении пьезопреобразователя, микропроцессор выдает сигнал о запрете генерации.

Для защиты радиоэлектронных устройств блока электроники от короткого замыкания в цепи пьезопреобразователей используется трансформатор тока, а от повышенного напряжения в силовой цепи - модуль защиты от перенапряжения.

В случае превышения уставок по величинам тока в излучателе и напряжения на усилителе мощности микропроцессор выдает сигнал о запрете генерации, одновременно на наземный блок контроля и управления подается аварийный сигнал.

Кроме того, микропроцессор регулярно считывает показания измерительных цепей и после соответствующего преобразования передает через модем и смеситель тока информационные сигналы о параметрах работы скважинного прибора на наземный блок контроля и управления (рабочая частота задающего генератора, величина тока в излучателе, величина напряжения на усилителе мощности и т.п.), осуществляя тем самым непрерывную диагностику скважинного прибора и информирование оператора.

В дополнение к этому микропроцессор записывает все получаемые с помощью измерительных элементов (датчиков) данные и поступающие с наземного блока команды в энергонезависимую память, что позволяет сохранить картину работы прибора и по окончании сеанса обработки скважины воспроизвести ее на персональном компьютере для оценки эффективности работы прибора и контроля действий оператора.

Размещение в блоке электроники задающего генератора и усилителя мощности позволяет снизить потери мощности в геофизическом кабеле, поскольку генерация высокочастотного импульсного сигнала происходит непосредственно в скважинном приборе, а с наземного блока по кабелю подается сигнал промышленной частоты, потери которого в кабеле существенно ниже потерь при передаче высокочастотного сигнала.

Прибор акустический скважинный относится к геофизической скважиной аппаратуре и аппаратуре для акустического воздействия на пласты, может быть использован в нефтяной и газовой отраслях промышленности. Обеспечивает повышение ресурса прибора, а также повышение уровня диагностики состояния прибора. Сущность изобретения: прибор связан грузонесущим геофизическим кабелем с наземным блоком и содержит верхнюю головку с контактным устройством под кабельный наконечник, герметичный корпус с размещенными в нем блоком электроники и пьезопреобразователями из пьезокерамических шайб. Не менее двух шайб в каждом пьезопреобразователе выполнено с электрически изолированными от остальной поверхности шайбы сегментами, выполняющими функции датчиков контроля состояния пьезопреобразователей. Блок электроники снабжен задающим генератором, усилителем мощности, микропроцессором, модулем контроля состояния пьезопреобразователей, модемом, смесителем тока, модулем защиты от перенапряжения, модулем энергонезависимой памяти, частотомером, трансформатором тока. Микропроцессор связан своим первым управляющим выходом через задающий генератор с усилителем мощности. Генератор имеет возможность выдачи сигналов с изменяющейся частотой в диапазоне, определяемом в процессе работы прибора в скважине по минимальной и максимальной резонансным частотам отдельных пьезопреобразователей, входящих в состав прибора, при этом выдаваемая генератором частота не может быть меньше минимальной и больше максимальной из резонансных частот пьезопреобразователей. Ко второму управляющему выходу микропроцессора подсоединен модуль защиты от перенапряжения, к измерительным входам микропроцессора подключены через частотомер выход задающего генератора, сигнальный выход усилителя мощности, измерительный выход трансформатора тока, выход модуля контроля состояния пьезопреобразователей. Микропроцессор связан двухсторонней связью с модулем энергонезависимой памяти и через модем - со смесителем тока. К модулю контроля состояния пьезопреобразователей независимо друг от друга подсоединены встроенные датчики контроля состояния пьезопреобразователей. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Прибор акустический скважинный, связанный грузонесущим геофизическим кабелем с наземным блоком и содержащий верхнюю головку с контактным устройством под кабельный наконечник, герметичный корпус с размещенными в нем блоком электроники и пьезопреобразователями из пьезокерамических шайб, не менее двух шайб в каждом пьезопреобразователе выполнено с электрически изолированными от остальной поверхности шайбы сегментами, выполняющими функции датчиков контроля состояния пьезопреобразователей, отличающийся тем, что блок электроники снабжен задающим генератором, усилителем мощности, микропроцессором, модулем контроля состояния пьезопреобразователей, модемом, смесителем тока, модулем защиты от перенапряжения, модулем энергонезависимой памяти, частотомером, трансформатором тока, причем микропроцессор связан своим первым управляющим выходом через задающий генератор с усилителем мощности, при этом генератор имеет возможность выдачи сигналов с изменяющейся частотой в диапазоне, определяемом в процессе работы прибора в скважине по минимальной и максимальной резонансным частотам отдельных пьезопреобразователей, входящих в состав прибора, при этом выдаваемая генератором частота не может быть меньше минимальной и больше максимальной из резонансных частот пьезопреобразователей, а ко второму управляющему выходу микропроцессора подсоединен модуль защиты от перенапряжения, к измерительным входам микропроцессора подключены через частотомер выход задающего генератора, сигнальный выход усилителя мощности, измерительный выход трансформатора тока, выход модуля контроля состояния пьезопреобразователей, микропроцессор связан двухсторонней связью с модулем энергонезависимой памяти и через модем - со смесителем тока, к модулю контроля состояния пьезопреобразователей независимо друг от друга подсоединены встроенные датчики контроля состояния пьезопреобразователей.2. Прибор акустический скважинный по п.1, отличающийся тем, что блок электроники и пьезопреобразователи размещены в разных герметичных корпусах, соединенных между собой посредством герметичного узла стыковки с электроразъемом.3. Прибор акустический скважинный по п.1, отличающийся тем, что в нижней части прибора размещен локатор муфт и перфорационных отверстий.