ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ Российский патент 2006 года по МПК E21B47/16 

Предложение относится к области промысловой геофизики и предназначено для передачи на поверхность с забоя скважины геофизической и инклинометрической информации, измеряемой в процессе бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных участков скважины.

Известны несколько видов беспроводных каналов связи от забоя к устью скважины: гидравлический, электромагнитный и акустический.

Акустический канал связи по колонне бурильных труб в настоящее время представляется одним из наиболее перспективных для существенного улучшения информационных и эксплуатационно-технологических характеристик забойных телеметрических систем [1].

Важнейшим техническим узлом аппаратуры акустического канала связи по колонне бурильных труб, в значительной мере определяющим технические характеристики канала, является электромеханический преобразователь, служащий для возбуждения в колонне акустических колебаний, несущих информацию.

Известна конструкция электромеханического преобразователя [2], выполненного в виде отрезка толстостенной бурильной трубы. Такие трубы обычно называются утяжеленными бурильными трубами (УБТ). По концам этого отрезка УБТ предусмотрены стандартные резьбы под замковые соединения бурильных труб. Такой преобразователь предпочтительнее включать в состав секции УБТ бурильной колонны. Преобразование электрических сигналов передатчика забойной телеметрической системы в акустические колебания колонны осуществляется с помощью пакета плоских пьезокерамических элементов в форме круглых шайб (в последующем тексте - пьезокерамических колец), коаксиально нанизанных на отрезок УБТ на участке со сточенным наружным диаметром. Таким образом, внутренний диаметр пьезокерамических колец больше внутреннего диаметра трубы на двойную толщину оставшейся стенки трубы. Наружный диаметр пьезокерамических колец меньше внешнего диаметра трубы на двойную толщину необходимого защитного кожуха, покрывающего весь пакет пьезокерамических колец и, возможно, электронный узел передатчика сигналов акустической линии связи. Электронный узел должен быть размещен так же, как и пакет пьезокерамических колец, в пределах возможных объемов внутри стенки УБТ.

Такой конструкции электромеханического преобразователя свойственен ряд недостатков, среди которых наиболее существенными являются следующие:

1. Предпочтительность установки преобразователя в составе секции УБТ бурильной колонны. Но при бурении горизонтальных участков скважины секция УБТ вынесена в вертикальный участок ствола скважины и может быть удалена от породоразрушающего инструмента на сотни метров, тогда как забойная телеметрическая система должна размещаться в непосредственной близости от долота.

2. Значительное ослабление механической прочности бурильной колонны в месте установки преобразователя за счет уменьшения толщины стенки трубы на длине распределения пакета пьезокерамических колец и электронного узла передатчика сигналов.

3. Подверженность пакета пьезокерамических колец воздействиям всех механических напряжений (растяжению, сжатию, изгибу, скручиванию), возникающих при спускоподъемных операциях, периодически проводимых с колонной, и при вращении колонны ротором.

4. Неконтролируемые, возможно превосходящие предел разрушения керамики осевые сжатия пакета пьезокерамических колец колонной со стороны обоих торцов пакета при изменении температуры окружающей среды (от -50°С на дневной поверхности до +100°С на забое) за счет разности температурных коэффициентов расширения материалов.

5. Отсутствие управляемых возможностей перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя акустическими методами для согласования спектра возбуждаемых в колонне акустических колебаний с положением на частотной оси окон прозрачности [1] конкретной бурильной колонны, скомпонованной из труб определенного типоразмера.

Более близкой к заявляемому изобретению является конструкция акустического преобразователя [3]. Акустический преобразователь содержит полый сердечник с цилиндрическим пазом, расположенным на внешней стенке сердечника, в котором находится пакет пьезокерамических колец. Площадь поперечного сечения полого сердечника может совпадать с площадью поперечного сечения бурильной трубы или превосходить ее, что устраняет недостаток, связанный с ослаблением механической прочности бурильной колонны в месте установки электромеханического преобразователя.

Наружный диаметр акустического преобразователя по защитному кожуху может быть выбран исходя из требований конкретной конструкции. Кроме того, полый сердечник акустического преобразователя может быть адаптирован на обоих своих концах под соединение с бурильными трубами произвольного типоразмера. Это практически снимает ограничение на место установки преобразователя в компоновке бурильной колонны.

В конструкции электромеханического преобразователя [3] предусмотрены дополнительные термокомпенсирующие кольцевые латунные вставки, установленные по концам пьезопакета и служащие для снятия осевого сжатия пьезопакета при изменении температуры окружающей среды.

Такие недостатки, как подверженность пакета пьезокерамических колец воздействиям всех механических напряжений при выполнении спускоподъемных операций и при вращении колонны и отсутствие управляемых возможностей перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя в конструкции акустического преобразователя [3], остаются.

Вместе с тем в конструкции акустического преобразователя [3] появляются, по меньшей мере, два новых недостатка:

1) в этой конструкции оказалось невозможным собрать пакет пьезоэлектрических элементов из цельных пьезокерамических колец. Технология сборки акустического преобразователя должна предусматривать диаметральный разрез пьезокерамических колец и последующую их склейку, что ухудшает технические характеристики пакета пьезоэлементов и понижает технологические качества самого преобразователя;

2) пакет пьезоэлектрических элементов, возбуждающий продольные колебания колонны, должен преодолевать в конструкции [3] реакцию стягивающего пакет полого сердечника, площадь поперечного сечения которого может значительно превосходить площадь поперечного сечения оставшейся толщины стенки трубы, стягивающей пакет в конструкции электромеханического преобразователя [2]. Это может привести к существенному снижению эффективности электроакустического преобразования энергии.

Влияние реактивности (гибкости и массы) узла, стягивающего (армирующего) пакет пьезоэлектрических элементов в конструкции преобразователя, поясняется на фиг.3, где в соответствии с методом электромеханических аналогий [4] представлена эквивалентная электрическая схема нагруженного по торцам импедансами Z₁ и Z₂ армированного пьезоэлектрического стержня, совершающего продольные (вдоль вектора электрической напряженности) механические колебания. Схема справедлива при достаточно малой волновой длине пьезокерамического стержня. Пьезопреобразователь возбуждается переменным электрическим напряжением U, которое через электромеханический трансформатор (1:N) преобразуется во вторичной цепи в силу F (аналог электрического напряжения), создающую колебательные скорости ν₁ и ν₂ (аналоги электрических токов). С₀ - суммарная статическая емкость пакета пьезоэлектрических элементов, M_equ и M_arm - эквивалентные сосредоточенные массы пьезоэлектрического стержня и армирующего элемента, C_equ и C_arm - эквивалентные гибкости пьезоэлектрического стержня и армирующего элемента. Поскольку для армированного преобразователя в целом, как следует из эквивалентной схемы, справедливо

M_sum=M_equ+M_arm,

то очевидно, что для более эффективной работы пьезоэлектрического стержня на нагрузку следует стремиться к минимальной эквивалентной сосредоточенной массе M_arm и максимальной эквивалентной гибкости C_arm армирующего элемента. Эквивалентные масса и гибкость равны

где ρ - плотность материала, l - длина стержня (армирующего элемента), S - площадь поперечного сечения, Е_ю - значение модуля упругости.

В конструкциях преобразователей [2, 3] материал армирующих элементов - это материал бурильных труб (сталь). Плотность стали немного больше плотности пьезокерамики, значение модуля упругости стали в два раза больше, чем значение модуля упругости пьезокерамики [5]. Значит, при одинаковых площадях поперечного сечения S армирующего элемента и пакета пьезоэлектрических элементов справедливы соотношения: M_arm>M_equ, C_arm=C_equ/2. To есть компоненты эквивалентной схемы, относящиеся к армирующему элементу, более существенно влияют на характеристики электромеханического преобразователя, чем компоненты, соответствующие активному пьезокерамическому материалу. Это тем более свойственно конструкции акустического преобразователя [3], где площадь поперечного сечения армирующего элемента (бурильной трубы) может оказаться заметно больше площади поперечного сечения пакета пьезоэлектрических элементов.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков заявляемому изобретению является конструкция акустического преобразователя [6]. Эта конструкция идентична конструкции электромеханического преобразователя [3]. Но за счет предлагаемой новой технологии сборки преобразователя оказывается возможным избежать необходимости диаметрального разреза пьезокерамических колец и термокомпенсирующих вставок.

При этом такие недостатки, как подверженность пакета пьезокерамических колец воздействиям всех механических напряжений при выполнении спускоподъемных операций и при вращении колонны, отсутствие управляемых возможностей перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя конструкции [2] и то, что пакет пьезоэлектрических элементов, возбуждающий продольные колебания колонны, должен преодолевать реакцию стягивающего пакет полого сердечника [6], площадь поперечного сечения которого может значительно превосходить площадь поперечного сечения оставшейся толщины стенки трубы, стягивающей пакет в конструкции электромеханического преобразователя [3], по-прежнему остаются.

Предлагаемый электромеханический преобразователь для акустического канала связи решает задачу размещения преобразователя внутри колонны бурильных труб. При решении этой задачи повышаются эффективность, надежность и достигается универсальность по отношению к типоразмеру труб колонны и месторасположению в колонне.

Поставленная задача решается таким образом. Электромеханический преобразователь для акустического канала связи имеет пакет пьезокерамических дисков с круглым отверстием в центре, в преобразователь дополнительно введен переводник, имеющий конические замковые резьбы на обоих концах и установленную перпендикулярно его оси перегородку с пропускными отверстиями, и защитный контейнер, который имеет стыковочный узел, а пакет пьезокерамических дисков расположен между передней и тыльной стальными цилиндрическими накладками, стянут шпилькой, проходящей через отверстие в пакете пьезокерамических дисков и выполненной из материала со значением произведения плотности и модуля упругости не больше, чем у материала указанных цилиндрических накладок - стали, при этом защитный контейнер закреплен на наружной поверхности передней стальной цилиндрической накладки, которая жестко закреплена на внутренней перегородке переводника, а тыльная стальная цилиндрическая накладка состоит из постоянной и сменной подстроечной секций.

Это позволяет осуществить передачу на поверхность с забоя скважины геофизической и инклинометрической информации, измеряемой в процессе бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных участков скважины.

Новым по отношению к прототипу является то, что электромеханический преобразователь для акустического канала связи включает пакет пьезокерамических дисков с круглым отверстием в центре и дополнительно снабжен переводником, имеющим конические замковые резьбы на обоих концах и установленную перпендикулярно его оси перегородку с пропускными отверстиями и защитным контейнером, имеющим стыковочный узел, а пакет пьезокерамических дисков расположен между передней и тыльной стальными цилиндрическими накладками, стянут шпилькой, проходящей через отверстие в пакете пьезокерамических дисков и выполненной из материала со значением произведения плотности и модуля упругости не больше, чем у материала указанных цилиндрических накладок - стали, при этом защитный контейнер закреплен на наружной поверхности передней стальной цилиндрической накладки, которая жестко закреплена на внутренней перегородке переводника, а тыльная стальная цилиндрическая накладка состоит из постоянной и сменной подстроечной секций.

Анализ существующих электромеханических преобразователей для акустических каналов связи показал, что аналогичного устройства, имеющего такую же совокупность существенных признаков, не существует. Техническая сущность изобретения поясняется чертежами, где:

На фиг.1 изображен электромеханический преобразователь;

На фиг.2 изображен фрагмент конструкции электромеханического преобразователя - армированный пакет пьезокерамических дисков;

На фиг.3 изображена эквивалентная электрическая схема нагруженного армированного пьезоэлектрического стержня, совершающего продольные механические колебания.

Предлагаемая в изобретении конструкция электромеханического преобразователя принципиально отличается от рассмотренных конструкций и устраняет все указанные выше их недостатки. Это отличие в конструкциях обусловлено размещением преобразователя внутри колонны бурильных труб.

Предлагаемый электромеханический преобразователь включает пакет пьезокерамических "шайб" (дисков с круглыми отверстиями по центру) 1, переднюю стальную накладку 2 и тыльную цилиндрическую стальную накладку, состоящую из двух секций: постоянной 3 и сменной 4. Сменная секция закреплена на основной с помощью резьбового соединения 5. Она служит для подстройки преобразователя, поскольку его резонансная частота зависит от полной длины тыльной накладки. Преобразователь заключен в цилиндрический защитный контейнер 6 для предохранения от воздействия потока промывочной жидкости внутри колонны бурильных труб. Дополнительно защитный контейнер обеспечивает свободные колебания тыльной накладки, поскольку ее свободный торец акустически нагружен внутри контейнера только воздухом. Защитный контейнер 6 закреплен на передней накладке 2 с помощью резьбового соединения 7, герметизированного резиновым уплотнительным кольцом 8. Длина контейнера может превышать длину преобразователя на величину, необходимую для размещения аппаратной части передающего устройства забойной телеметрической системы и автономного источника электропитания (не показано). Возбуждающий электрический сигнал от передающего устройства подается на пакет пьезокерамических дисков 1 по проводам 9.

Защитный контейнер 6 со стороны тыльной накладки (секции 3 и 4) заканчивается стыковочным узлом 10, предназначенным для электрической и механической пристыковки наконечника кабельной вставки (не показано).

Кабельная вставка позволяет передавать электрические сигналы от забойных измерительных датчиков (например, от инклинометра), размещенных в измерительном блоке забойной телеметрической системы (не показано). Стыковочный узел 10 включает в себя резьбовое соединение 11, герметизирующее резиновое уплотнительное кольцо 12 и электрический контактор 13.

Электромеханический преобразователь в сборе с защитным контейнером жестко присоединяется к специальному переводнику 14. Переводник 14 предназначен для передачи механических колебаний передней накладки 2 электромеханического преобразователя в колонну бурильных труб. На обоих своих концах переводник имеет стандартные конические замковые резьбы: резьба под замковый ниппель 15 и резьба под замковую муфту 16. Таким образом, специальный переводник 14 в сборе с электромеханическим преобразователем и защитным контейнером может быть установлен в произвольном месте бурильной колонны между замковым ниппелем и замковой муфтой двух смежных бурильных труб.

Переводник 14 в своем среднем поперечном сечении имеет прочную толстую стенку 17 с цилиндрическим отверстием по оси переводника. При механическом соединении переводника с электромеханическим преобразователем в это отверстие вставляется цилиндрический штифт 18 передней накладки 2 преобразователя. Соединение фиксируется стягивающей гайкой 19.

На внутренней стенке 17 переводника 14 по окружности диаметра, среднего между наружным диаметром защитного контейнера 6 и внутренним диаметром переводника, проточены сквозные отверстия 20, предназначенные для пропускания потока промывочной жидкости внутри колонны бурильных труб.

Пакет пьезокерамических дисков 1 сжат между передней накладкой 2 и секции 3 тыльной накладки с помощью цилиндрической шпильки 21 и резьбовых соединений 22 в передней накладке 2 и секции 3 тыльной накладки. Площадь поперечного сечения S_шп шпильки 21 может быть значительно меньше площади поперечного сечения S_кер пакета пьезокерамических дисков 1, что позволяет уменьшить эквивалентную сосредоточенную массу M_arm армирующего элемента и увеличить его эквивалентную гибкость C_arm. Это снижает влияние шпильки 21 на эффективность электроакустического преобразования пакета пьезокерамических элементов. Кроме того, можно подобрать материал шпильки 21, который обладает более подходящими акустическими характеристиками для армирующего элемента, чем материал передней 2 и тыльной накладок - сталь. Например, бронза при практически одинаковой со сталью плотности ρ имеет в два раза меньшее значение модуля упругости Е_ю [5], что соответственно в два раза увеличивает эквивалентную гибкость С_arm армирующего элемента. Высокопрочные на разрыв алюминиевые сплавы имеют в 2,5 раза меньшую плотность ρ и в 3 раза меньшее значение модуля упругости Е_ю по сравнению со сталью [5], что позволяет соответственно уменьшить эквивалентную сосредоточенную массу M_arm армирующего элемента и одновременно увеличить его эквивалентную гибкость C_arm.

Смежные пьезокерамические диски (например, 22 и 24) в пакете 1 устанавливаются встречно по направлению вектора поляризации, как и в конструкциях [2, 3, 6]. Между дисками имеются контактные лепестки 25, которые электрически соединяются проводами 9 в соответствии со своей полярностью. Все пьезокерамические диски склеиваются между собой и с накладками 2 и 3 токопроводящим клеем.

Таким образом, установка электромеханического преобразователя, состоящего из элементов 1, 2 и 3, в сборе с защитным контейнером 6, жестко присоединенного к специальному переводнику 14, внутри колонны бурильных труб устраняет такие недостатки, как предпочтительность установки преобразователя в составе секции УБТ бурильной колонны. Но при бурении горизонтальных участков скважины секция УБТ вынесена в вертикальный участок ствола скважины и может быть удалена от породоразрушающего инструмента на сотни метров, тогда как забойная телеметрическая система должна размещаться в непосредственной близости от долота. Одновременно не происходит никакого ослабления механической прочности бурильной колонны в месте установки преобразователя. Неконтролируемые, возможно превосходящие предел разрушения керамики осевые сжатия пакета пьезокерамических колец не происходят за счет термокомпенсирующих вставок по причине использования для сжатия пьезокерамического пакета шпильки 21 с малой площадью поперечного сечения.

Возможность изменять полную длину тыльной накладки электромеханического преобразователя с помощью сменной секции 4 позволяет осуществлять управляемые перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя. Конструктивное решение сборки электромеханического преобразователя из склеенного пакета пьезокерамических дисков 1 и двух накладок 2 и 3 посредством стягивания всех трех элементов с помощью шпильки 21 устраняет тот недостаток, что пакет пьезоэлектрических элементов, возбуждающий продольные колебания колонны, должен преодолевать реакцию стягивающего пакет полого сердечника [3, 6] или оставшейся толщины стенки трубы [2].

Эффективность предлагаемой конструкции электромеханического преобразователя подтверждена его натурными испытаниями в скважинах в составе аппаратуры акустомеханического канала связи [7].

Источники информации

1. Акустические каналы связи забойных телеметрических систем. Геофизика. 2000. №1. Тверь, ЕАГО, с.43-48.

2. Патент США №5222049, НКИ 367/82, МПК G 01 V 1/40, June 22, 1993, Electromechanical transducer for acoustic telemetry system.

3. Патент США №5703836, НКИ 367/165, МПК Н 01 R 17/00, Dec. 30, 1997, Acoustic transducer.

4. Физическая акустика, т.1, ч.А. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Под редакцией У.Мэзона. - М.: Мир, 1966, с.284-287.

5. Справочник по гидроакустике. А.П.Евтютов, А.Е.Колесников, Е.А.Корепин и др. - Л.: Судостроение, 1988, с.248-249.

6. Патент США №6147932, НКИ 367/165, МПК Н 04 R 17/00, November 14, 2000, Acoustic transducer [прототип].

7. Акустические каналы связи забойных телеметрических систем - особенности построения и результаты скважинных испытаний // НТВ Каротажник. 2000. Выпуск 73. Тверь, издательство АИС, с.92-99.

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано для передачи скважинной информации в процессе бурения по акустическому каналу связи. Преобразователь содержит пакет пьезокерамических дисков с круглым отверстием в центре, расположенный между передней и тыльной стальными цилиндрическими накладками, и стянутый шпилькой, проходящей через указанное отверстие и выполненной из материала со значением произведения плотности и модуля упругости не больше, чем у материала указанных цилиндрических накладок - стали. На наружной поверхности передней цилиндрической накладки закреплен защитный контейнер, имеющий стыковочный узел для подключения измерительного блока. Передняя цилиндрическая накладка жестко закреплена на внутренней перегородке переводника, установленной перпендикулярно его оси и имеющей пропускные отверстия. Переводник имеет конические замковые резьбы на обоих концах для размещения в произвольном месте бурильной колонны. Тыльная стальная цилиндрическая накладка состоит из постоянной и сменной подстроечной секций. Изобретение позволяет повысить надежность работы преобразователя в составе колонны бурильных труб. 3 ил.

Электромеханический преобразователь для акустического канала связи, включающий пакет пьезокерамических дисков с круглым отверстием в центре, отличающийся тем, что преобразователь снабжен переводником, имеющим конические замковые резьбы на обоих концах и установленную перпендикулярно его оси перегородку с пропускными отверстиями, и защитным контейнером, имеющим стыковочный узел, а пакет пьезокерамических дисков расположен между передней и тыльной стальными цилиндрическими накладками, стянут шпилькой, проходящей через отверстие в пакете пьезокерамических дисков и выполненной из материала со значением произведения плотности и модуля упругости не больше чем у материала указанных цилиндрических накладок - стали, при этом защитный контейнер закреплен на наружной поверхности передней стальной цилиндрической накладки, которая жестко закреплена на внутренней перегородке переводника, а тыльная стальная цилиндрическая накладка состоит из постоянной и сменной подстроечной секций.