ИНТЕГРАЛЬНЫЙ АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 2009 года по МПК E21B47/14 G01V1/40 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

В соответствии с § 119 раздела 35 Кодекса законов США по этому изобретению испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США регистрационный номер 60/535062, поданной 8 января 2004 г, и предварительной заявки на патент США регистрационный номер 60/534900, поданной 8 января 2004 г.

Область техники

Настоящее изобретение относится к акустическим преобразователям. Более конкретно, изобретение относится к усовершенствованным акустическим источникам и датчикам, предназначенным для использования под землей.

Предшествующий уровень техники

В нефтегазодобывающей промышленности для определения характеристик подземных месторождений их обычно зондируют с помощью скважинных каротажных приборов. Установлено, что среди этих приборов зонды акустического каротажа обеспечивают ценную информацию относительно акустических свойств геологической среды, которая может быть использована для получения изображений или суждения относительно характеристик месторождений.

Акустические волны представляют собой периодические колебательные возмущения, обусловленные акустической энергией, которая распространяется через среду, например через подземный пласт. Обычно акустические волны характеризуются значениями частоты, амплитуды и скорости распространения. Акустические свойства пластов, представляющие интерес, могут включать в себя скорость продольной волны, скорость поперечной волны, скважинные моды и замедленность пласта. В дополнение к этому акустические изображения могут быть использованы для описания состояния стенок скважины и других геологических особенностей на расстоянии от скважины. Эти акустические измерения находят применения в сейсмической корреляции, в петрофизике, механике пород и в других областях.

Записи акустических свойств в зависимости от глубины известны как акустические каротажные диаграммы. Информация, получаемая из акустических каротажных диаграмм, может быть полезной в целом ряде областей применения, включая корреляцию свойств скважин, определение пористости, определение механических или упругих параметров породы для выявления литологии, обнаружение зон с аномально высоким пластовым давлением и преобразование сейсмических временных трасс в глубинные трассы, основанные на измеренной скорости звука в пласте.

Для акустического каротажа подземных пластов осуществляют спуск акустического каротажного прибора или устройства в скважину, пересекающую пласт. Обычно прибор содержит один или несколько акустических источников (то есть излучателей), предназначенных для излучения акустической энергии в подземные пласты, и один или несколько акустических датчиков или приемников, предназначенных для приема акустической энергии. Излучатель периодически возбуждают для излучения импульсов акустической энергии в скважину и через скважину в пласт. После распространения через скважину и пласт некоторая часть акустической энергии проходит к приемникам, где ее детектируют. Различные параметры обнаруженной акустической энергии связаны с представляющими интерес характеристиками геологической среды.

На фиг.1 показан известный скважинный зонд акустического каротажа. Зонд 10 размещен в скважине 12, пересекающей подземный пласт 20. Скважина 12 обычно заполнена промывочной жидкостью («буровым раствором»), которую используют в процессе бурения скважины. Как известно из уровня техники, зонд 10 обычно выполнен в трубчатой несущей части 13, которая в случае бурильной трубы включает в себя внутренний промывочный канал 13А для бурового раствора 14, достигающий забойного турбинного двигателя, и/или буровую коронку в нижней части буровой колонны (не показана). Каротажный зонд 10 содержит один или несколько акустических излучателей 16 и большое количество акустических приемников 18, расположенных на трубе 13. Приемники 18 разнесены друг от друга вдоль продольной оси зонда 10 на заданное расстояние h. Один из приемников 18, ближайший к излучателю 16, отнесен от него по оси на расстояние a. В зонде 10 также размещают один или несколько компьютерных модулей 21, включающих в себя микропроцессоры, запоминающее устройство и программное обеспечение для обработки сигнальных данных. Как известно, компьютерный модуль/модули 21 можно размещать внутри зонда, на земной поверхности (фиг.1) или двумя способами. Акустические волны 22 распространяются в скважине. Известные скважинные зонды акустического каротажа описаны в патентах США №№ 5852587, 4543648, 5510582, 4594691, 5594706, 6082484, 6631327, 6474439, 6494288, 5796677, 5309404, 5521882, 5753812, RE 34975 и 6466513.

Известные зонды акустического каротажа снабжены акустическими преобразовательными элементами, например, пьезоэлектрическими элементами. В общем случае акустический преобразователь преобразует энергию между электрической и акустической формами и выполнен с возможностью функционирования в качестве источника или датчика. Акустические преобразователи обычно устанавливают на корпусе каротажного зонда (фиг.1). Известные источники звуковых волн и датчики, используемые в скважинных зондах, описаны в патентах США №№ 6466513, 5852587, 5866303, 5796677, 5469736 и 6084826. По различным причинам, включая пространственные ограничения, эти преобразователи обычно содержат многочисленные компоненты, размещенные компактно в корпусе, устанавливаемом на зонде вместе с электроникой для предварительной обработки, и схемы, расположенные на расстоянии от преобразовательных элементов.

Кроме того, акустические преобразовательные устройства включают в конструкции на печатных платах. В патенте США № 6501211 описан ультразвуковой преобразователь, выполненный на печатной плате и предназначенный для прикрепления к головкам болтов. Предложенные преобразователи соединяют с удаленным компьютером для идентификации болтов путем использования преобразователя. В патенте США № 4525644 описан механизм повышения усилий сочленения между контактными площадками и соединителями при использовании пьезоэлектрических устройств, расположенных после контактных площадок печатной платы. В патентном документе ЕР 1467060 A1 описаны гибкие пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для использования вместе со скважинными приборами для телеметрирования акустических сигналов через приборы. Недостатки известных акустических преобразовательных систем заключаются в плохой чувствительности и в необходимости в громоздких электронных модулях (например, в крупных каскадах предварительных усилителей), расположенных дистанционно.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных акустических преобразовательных узлов с интегрированной электроникой и средствами обработки без ухудшения характеристик и чувствительности.

Согласно одному аспекту изобретения поставленная задача решена путем создания акустического преобразовательного узла для подземного использования, содержащего каркас, акустический преобразовательный элемент, расположенный на каркасе, и электронный модуль, расположенный на каркасе и соединенный с акустическим преобразовательным элементом, причем электронный модуль выполнен с возможностью обработки сигнала преобразовательного элемента.

Согласно другому аспекту изобретения предложен акустический преобразовательный узел для подземного использования, содержащий дисковидный акустический преобразовательный элемент, имеющий первую поверхность, противоположную второй поверхности, электронный модуль, связанный со второй поверхностью преобразовательного элемента и выполненный с возможностью обработки сигнала акустического преобразовательного элемента, при этом электронный модуль имеет по меньшей мере один сигнальный вывод, подключенный к нему, акустический демпфирующий материал, расположенный вокруг электронного модуля и акустического преобразовательного элемента, при этом акустический преобразовательный элемент, электронный модуль и демпфирующий материал заключены в уплотнительный материал, так что по меньшей мере один вывод оставлен открытым.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ сборки акустического преобразователя, который включает в себя размещение акустического преобразовательного элемента на каркасе, размещение электронного модуля на каркасе, соединение акустического преобразовательного элемента с электронным модулем, при этом электронный модуль обеспечивает оцифровывание сигнала преобразовательного элемента и покрытие преобразовательного элемента и электронного модуля герметизирующим материалом, не содержащим жидкостей.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему размещения известного скважинного зонда акустического каротажа;

фиг.2 - схему акустического преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.3 - общий вид герметизированного акустического преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.4 - схему многоэлементного преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.5 - вид сбоку демпфированного преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.6 - вид сверху группы сегментированных преобразовательных узлов согласно изобретению;

фиг.7 - вид сбоку усиленного преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.8 - схему электронного модуля преобразовательного узла и мультиплексорного модуля согласно изобретению;

фиг.9 - схему размещения акустических преобразовательных узлов в скважинной трубе согласно изобретению;

фиг.10 - схему преобразовательного узла «стаканного» типа согласно изобретению;

фиг.11А - схему скважинной трубы, содержащей расположенные по азимутам преобразовательные узлы согласно изобретению;

фиг.11В - схему скважинной трубы, содержащей расположенные по осевым направлениям преобразовательные узлы согласно изобретению;

фиг.11С - схему скважинной трубы, содержащей преобразовательные узлы стаканного типа согласно изобретению;

фиг.12А - общий вид расположенного по азимуту преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.12В - вид сверху азимутального преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.12С - вид сверху преобразовательного узла, расположенного по азимуту вокруг контура трубы согласно изобретению;

фиг.13 - схему осевого преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;

фиг.14 - вид сбоку присоединенного преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;

фиг.15 - поперечное сечение преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;

фиг.16 - общий вид помещенного в оболочку преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.17 - общий вид трубы, выполненной с возможностью размещения преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.18 - поперечное сечение преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;

фиг.19А - общий вид защитного элемента преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.19В - общий вид другого защитного элемента преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.20 - общий вид еще одного варианта выполнения защитного элемента преобразовательного узла согласно изобретению;

фиг.21 - общий вид трубы, выполненной с преобразовательными элементами и защитными элементами согласно изобретению;

фиг.22 - схему скважинного прибора, содержащего преобразовательный узел согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения

Акустические преобразовательные узлы содержат электронные средства, приспособленные к воздействию тяжелых условий окружающей среды, например, в подземной скважине. По сравнению с известными конструкциями преобразовательные узлы согласно изобретению могут быть выполнены с уменьшенным числом элементов и электронных схем. Схемы предельно сокращены, и предпочтительно так, чтобы полученные данные преобразовывались в цифровую форму вблизи преобразовательного узла.

Чтобы измерять моды акустических волн, распространяющихся в скважине, такие как монопольные, дипольные, квадрупольные и моды высшего порядка, преобразователи, используемые в качестве групп акустических приемников для измерения акустических волн в скважинах, должны быть небольшими и предпочтительно индивидуальными. Аналогичным образом эти акустические преобразовательные узлы должны работать на различных модах для отфильтровывания нежелательных мод. Например, при дипольных или квадрупольных измерениях лучшее качество измерений может быть получено при удалении монопольной моды. Варианты осуществления изобретения включают в себя активные датчики со встроенной электроникой, которая является независимой и приспособлена к воздействию подземных условий.

Преобразовательный узел 30 (фиг.2) включает в себя электронный модуль 32 для предварительной обработки, содержащий аналоговые и цифровые схемы 34, интегрированные с акустическим преобразовательным элементом 36 и расположенные на каркасе 38. Соединение между электронным модулем 32 и акустическим преобразовательным элементом 36 будет описано ниже. Преобразовательный элемент 36 может состоять из пьезоэлектрических устройств, устройств из титаната свинца (ТС), из цирконата-титаната свинца (ЦТС), из пьезокомпозита типа 1-3 или из любых других известных подходящих материалов. Для повышения надежности и улучшения характеристик преобразовательные элементы 36 могут быть расположены на каркасе 38 вместе с известными преобразовательными элементами.

Каркас 38 выполнен в виде двумерной или плоской поверхности. В некоторых вариантах осуществления изобретения каркас 38 может иметь форму полоски, также называемой гибкой схемой (раскрыта в патентах США №№ 6351127, 6690170, 6667620, 6380744). Каркас в виде гибкой схемы может быть изготовлен из любого подходящего неэлектропроводного материала или в виде диэлектрической пленки, например полиимидной пленки или полиэфирной пленки, имеющей толщину, обеспечивающую возможность сгибания или изгиба (например, для окружения трубы или для установки внутри полости в трубе). Способы изготовления полосок, предназначенных для образования гибких каркасов, раскрыты в патенте США №6208031. Кроме гибких каркасов 38 могут быть реализованы другие варианты с однослойными или многослойными печатными платами. Как известно из уровня техники, проводники на каркасе 38 могут быть образованы из узких полосок меди или других подходящих материалов, расположенных на ней. Преобразовательный узел может быть выполнен водонепроницаемым путем покрытия или уплотнения узлов модуля и преобразователя подходящим полимером или компаундом 40 (фиг.3), например слоем резины. Один или несколько выводов 42, соединенных с электронным модулем 32, оставлены открытыми для вывода сигналов и подвода электропитания.

Кроме того, изобретение может быть реализовано в виде множества преобразовательных элементов 36, размещенных на одном каркасе 38. На фиг.4 представлена группа акустических преобразовательных узлов, разнесенных друг от друга, например, на несколько сантиметров. Группа преобразовательных узлов может содержать “n” элементов 36, установленных на каркасе 38. В качестве приемника многоэлементный преобразовательный узел 30 может быть использован для измерения любых акустических мод в скважине. Предпочтительно, чтобы в варианте с множеством элементов 36 преобразовательный узел содержал электронный мультиплексорный модуль 44 для передачи сигналов к/от преобразовательного элемента 36. Проводники 46 и схемные элементы образуют сигнальные дорожки между элементами. Для облегчения понимания проводники и схемные элементы показаны не на всех чертежах. В таком случае число акустических каналов на каждую группу преобразовательных узлов может быть увеличено, поскольку они могут быть уплотнены цифровым способом.

Кроме того, для исключения нежелательных колебаний преобразовательные узлы 30 могут быть снабжены акустическим демпфирующим материалом. На фиг.5 показан вид сбоку варианта осуществления преобразовательного узла, содержащего демпфирующий элемент 48, расположенный с одной стороны преобразовательного элемента 36. Демпфирующий элемент 48 может быть изготовлен из материала с большой эффективной массой (например, из вольфрама) или из любого другого известного подходящего материала. Когда преобразовательный элемент 36 возбуждают как акустический источник, демпфирующий элемент 48 способствует снижению колебаний на стороне В преобразовательного элемента, при этом повышается направленность звука со стороны А. На фиг.5 демпфирующий материал 48 показан на одной стороне преобразовательного элемента 36, но могут быть реализованы другие варианты, когда демпфирующий материал расположен иным образом, например, полностью окружает преобразовательный элемент, при этом сторона А остается чистой. Узел акустического преобразовательного/демпфирующего элемента может быть расположен на поверхности каркаса 38, в полости или в вырезе каркаса, или целиком заключен в резиновую оболочку, образующую каркас (поз.40 на фиг.3).

На фиг.6 показан преобразовательный узел 30 согласно другому варианту осуществления изобретения. Для образования протяженной группы преобразовательных узлов множество каркасов 38 соединены посредством выводов 42. Для получения акустической группы из “n” цифровых каналов каждый каркас 38 может содержать большое количество преобразовательных элементов 36 и электронных модулей 32. Группа может содержать один или несколько цифровых мультиплексорных модулей 44, расположенных на одном или нескольких каркасах 38, для эффективного разделения сигналов, относящихся к преобразовательным элементам/электронным модулям. Вариант осуществления, показанный на фиг.6, включает в себя соединитель 50 (также называемый «головкой ввода-вывода»), соединенный со сборкой для обеспечения одного сигнала/подачи питания. Могут быть использованы обычные известные соединители 50.

Конструктивное усиление преобразовательных узлов может быть достигнуто путем усиления каркаса (каркасов) 38. На фиг.7 показан вид сбоку варианта осуществления преобразовательного узла 30, содержащего подложку 52, образующий жесткую подложку для преобразовательных элементов электронных модулей. Подложка 52 выполнена из любого подходящего материала, например из металла. Подложку 52 можно прикрепить к каркасу 38 посредством клея, крепежного средства или любого известного подходящего средства. Вариант, представленный на фиг.7, содержит сборку преобразовательных элементов 36, электронных модулей 32 и мультиплексора (мультиплексоров) 44, опрессованную резиновой смесью аналогично варианту осуществления, показанному на фиг.3. Подложка 52 прикреплена к нижней стороне преобразовательного узла прямоугольной формы. При желании подложку 52 можно заключить в резиновую оболочку. Некоторые варианты осуществления могут быть снабжены множеством подложек 52, присоединенных к другим поверхностям преобразовательного узла (например, к верхней и к нижней), или при необходимости сегментированными подложками 52 для конкретного варианта осуществления (не показан). Кроме того, подложка 52 с большой эффективной массой может обеспечивать демпфирование колебаний и способствовать акустической направленности, как в варианте, описанном со ссылкой на фиг.5.

Электронный модуль 32 (фиг.8) в преобразовательном узле включает в себя каскад 100 предварительного усилителя, каскад 102 фильтра, каскад 104 аналогоцифрового преобразователя (АЦП) и каскад 106 усилителя мощности. Модуль 32 соединен с блоком 44 мультиплексора, имеющим n входов и 1 выход, выполненным с возможностью сведения “n” сигналов в один канал для передачи через вывод 42. Переключатель 108, соединенный с преобразовательным элементом 36, переключается между положением 1 и положением 2. В положении 1 преобразовательный элемент 36 возбуждается каскадом 106 усилителя мощности и преобразовательный узел реализуется как излучатель. В случае, когда переключатель 108 находится в положении 2, на каскад 100 предварительного усилителя поступает аналоговый сигнал энергии акустической волны, обнаруживаемой с помощью элемента 36, и для реализации приемника он проходит через модуль 32. Благодаря малогабаритному исполнению и небольшой мощности электронного модуля 32, объединенного с преобразовательным элементом 36, минимизируется потребление электроэнергии и улучшается подавление шума, поскольку цифровые сигналы более свободны от шума по сравнению с аналоговыми сигналами. Кроме того, при желании оцифрованные сигнальные данные могут быть переданы на большие расстояния для дополнительной обработки, для исключения нежелательного шума.

Преобразовательные узлы двойного назначения, т.е. источник-датчик, согласно изобретению обеспечивают возможность измерений по импульсным отраженным сигналам. Как известно из уровня техники, результат измерения двойного времени пробега импульсного эхо-сигнала, отраженного от стенки скважины 12, может быть использован для определения геометрии скважины, например ее радиуса. На фиг.9 показан вариант осуществления изобретения, работающего в режиме импульсных отраженных сигналов. Скважинная труба 13 снабжена несколькими распределенными по оси и азимуту преобразовательными узлами 30 согласно изобретению. Для проведения в скважине 12 измерений по импульсным отраженным сигналам преобразовательный элемент (элементы) 36 можно переключать между режимами, используя электронный модуль 32. Измеренные данные акустических сигналов могут быть обработаны известным образом.

На фиг.10 показан акустический преобразовательный узел 30 согласно другому варианту осуществления изобретения. Сборка преобразовательного узла имеет форму «стакана» с размещенным дисковидным преобразовательным элементом 36, имеющим первую поверхность А и вторую поверхность В. Преобразовательный элемент 36 может состоять из пьезоэлектрического устройства, устройства из титаната свинца (ТС), цирконата-титаната свинца (ЦТС), пьезокомпозиционного синтетического материала типа 1-3 или из любых других известных подходящих материалов. Электронный модуль 58, содержащий каскад усилителя заряда, прилегает к поверхности В преобразовательного элемента, осуществляющего преобразование энергии акустических волн, обнаруживаемых на поверхности А преобразовательного узла, в сигналы напряжения, пропорциональные обнаруживаемому звуковому давлению.

Для работы преобразовательного узла в режиме импульсных эхо-сигналов или в качестве цифрового приемника сигналы/электропитание передаются по одному или нескольким выводам 60, соединенным с электронным модулем 58. Демпфирующий материал 62 окружает сборку электронного модуля и преобразовательного узла, образуя стакан, при этом поверхность А преобразовательного узла остается чистой. Может быть использован любой подходящий известный демпфирующий материал. В целом узел заключен в или уплотнен подходящим материалом 64 (например, резиновой смесью) для защиты датчика от воды с образованием «шайбы» с незащищенным выводом (выводами) 60. Преобразовательный узел согласно этому варианту осуществления имеет намного меньший размер по сравнению с известными преобразовательными узлами такого типа, что обеспечивает возможность его использования на трубах любого размера. Например, преобразовательный узел 30 в виде стакана можно реализовать так, чтобы размеры составляли 2,54 см в диаметре и 1,3 см в высоту. Кроме того, для реализации в виде источника или датчика электронный модуль 58 преобразовательного узла 30 может быть выполнен с переключающим средством и схемами 59 обработки, показанными на фиг.8.

Малый размер, высокая чувствительность, направленность и низкое потребление электроэнергии, обеспечиваемые согласно изобретению, делают возможным использование преобразовательных узлов в окружающей среде в различных областях. На фиг.11(А)-11(С) показаны три скважинные трубы 13, подобные трубе на фиг.1, снабженные акустическими преобразовательными узлами 30 согласно изобретению. На фиг.11(А) показана азимутальная группа преобразовательных узлов, на фиг.11(В) показана осевая группа преобразовательных узлов. В преобразовательных узлах 30 этого типа могут использоваться каркасы 38 в виде гибких схем, индивидуальные каркасы 38 в виде печатных плат или объединенные каркасы 38, раскрытые выше. На фиг.11(С) показана матрица с использованием варианта осуществления стаканного преобразовательного узла 30 (фиг.10). В такой конфигурации малоразмерный преобразовательный узел 30 в форме стакана представляет собой точечный источник. Любая из этих групп может быть использована для многополюсных акустических измерений. Другие варианты осуществления изобретения могут быть реализованы в виде любого сочетания преобразовательных узлов указанных конфигураций. Например, труба может быть снабжена осевыми преобразовательными узлами и преобразовательными узлами в форме стакана, показаны на фиг.11(В) и 11(С). Кроме того, в дополнение к возможности выполнения многочисленных измерений в такой конфигурации на случаи отказов предусмотрены резервные источники и датчики.

На фиг.12(А) показана азимутальная полоса преобразовательных узлов для варианта осуществления, показанного на фиг.11(А). Преобразовательные узлы 30 расположены в неглубокой выемке 66, образованной в трубе. На фиг.12(В) показан вид сверху преобразовательных узлов 30 в выемке 66. Преобразовательные узлы 30 могут быть закреплены на трубе путем использования любого известного подходящего средства, например, путем герметизации их резиновой смесью, поскольку они являются водостойкими и могут быть открыты в скважину. Кроме того, для покрытия и защиты преобразовательных узлов 30 от истирания на трубу 13 может быть надет защитный элемент 68. Защитные элементы 68 могут быть выполнены из металла, пластичных компаундов (например, из PEEK™) или из любых подходящих материалов, известных из уровня техники. В патенте США №6788065 описаны различные трубы, выполненные с выемками, и конструкции защитных элементов, которые могут быть использованы для реализации вариантов осуществления изобретения. Для обеспечения возможности прохождения буровых растворов в зазор между защитным элементом (элементами) и поверхностью преобразовательного узла 30 предпочтительно, чтобы защитные элементы 68 были выполнены с полостями или вырезами (например, с отверстиями или щелями). Защитный элемент (элементы) 68 можно закрепить на трубе 13, используя известные крепежные средства или любые подходящие средства.

Азимутальные группы преобразовательных узлов 30 (фиг.11(А) и 12(А)) могут быть расположены по всей окружности трубы 13, в отдельных секторах (фиг.12(В)) или ступенчатым образом на азимутальных секторах вдоль продольной оси трубы (не показано). На фиг.12(С) показан вид сверху группы преобразовательных узлов 30, расположенных по окружности трубы 13. По сравнению с преобразовательными узлами известных конструкций небольшие размеры преобразовательных узлов 30 согласно изобретению позволяют размещать их в более мелких углублениях в трубах 13. Это позволяет создавать скважинные приборы с повышенной механической прочностью и с улучшенными акустическими характеристиками. Небольшие размеры преобразовательных узлов 30 позволяют размещать их на трубе с минимальным интервалом между преобразовательными элементами 36. Например, скважинный прибор, снабженный осевой группой преобразовательных узлов 30, разнесенных на расстояния в несколько сантиметров (например, на 5-16 см) (фиг.13), может быть использован для излучения/приема более плотной огибающей акустических волн на требуемой длине вдоль скважины. При таких измерениях будут получаться изображения повышенного качества и расширяться возможности анализа пласта.

На фиг.13 показана осевая группа преобразовательных узлов, аналогичная варианту осуществления, показанному на фиг.11(В). Один преобразовательный узел 30 или ряд преобразовательных узлов 30 (фиг.6) может быть размещен в неглубоком канале или в выемке 70, образованной в трубе. Для защиты от истирания поверх преобразовательного узла (узлов) 30 могут быть нанесены защитные элементы 72. Защитные элементы 72 могут быть образованы из любого подходящего материала и предпочтительно, чтобы они были выполнены с одним или несколькими отверстиями 74. Отверстие/отверстия 74 можно формировать на различных участках защитных элементов 72. На фиг.13, слева направо, первый защитный элемент 72 выполнен с двумя полулунными отверстиями 74, образованными на краях защитного элемента. Средний защитный элемент 72 выполнен с отверстием 74, образованным в центре защитного элемента. А правый защитный элемент 72 выполнен с отверстиями 74, образованными на противоположных концах защитного элемента. Предусмотрена (для ясности показана не на всех чертежах) передача сигнала/электропитания к и от преобразовательных узлов путем использования любого известного подходящего средства.

На фиг.14 показан вид сбоку, где выемка 70 образована с откосом 76 на одном конце, а ряд соединенных преобразовательных узлов 30 расположен в выемке. Для покрытия преобразовательных узлов 30 может быть использован цельный защитный элемент 72 или несколько индивидуальных защитных элементов (фиг.13). Преобразовательные узлы 30 соединены друг с другом так, как описано выше, а сигналы/электропитание передаются через соединитель 50 (фиг.6). Для передачи сигнала/электропитания между преобразовательными узлами 30 и другими элементами (например, электронными схемами, телеметрическими средствами, запоминающим устройством и т.д.) через один или нескольких выводов 82 соединитель 50 соединен с каналом 80, также называемым сквозным соединением или перемычкой.

На фиг.15 показано поперечное сечение преобразовательного узла, расположенного внутри трубы 13. В этом варианте акустический преобразовательный элемент 36 заключен в или запрессован в резиновую смесь 40 (фиг.3) в виде прямоугольника. Смесь 40 имеет ступенчатую или возвышающуюся центральную часть, вследствие чего образуются заплечики 84. Защитный элемент 72 прямоугольной формы покрывает преобразовательный узел. Защитный элемент 72 примыкает к смеси 40 посредством выступов 85, которые установлены поверх заплечиков 84 с образованием поверхности, расположенной заподлицо с внешней стороной трубы 13. Выемка 70 в трубе 13 служит для размещения преобразовательного узла и защитного элемента и образована с выступающими частями или губками 86, которые удерживают в ней защитный элемент 72. При желании дополнительно к резиновой смеси 40 может быть использована подложка 52 (фиг.7). Хотя на фиг.15 показан один преобразовательный элемент 36, преобразовательный узел может быть реализован в виде группы преобразовательных узлов или сегментированных преобразовательных узлов (фиг.6). На фиг.14 показано, каким образом резиновая смесь 40 и защитный элемент (элементы) 72 продвинуты со скольжением по откосу 76 в выемку 70 под губками 86. После помещения в выемку 70 защитный элемент (элементы) 72 можно прикрепить к трубе 13 крепежными средствами (например, винтами) или любым другим подходящим средством.

На фиг.16 показан другой вариант осуществления преобразовательного узла 30. На каркасе 38 размещены один или несколько преобразовательных элементов 36, электронных модулей 32 и необязательных мультиплексоров 44, которые герметизированы резиновой смесью 40 с образованием удлиненного, по существу, прямоугольного преобразовательного узла (фиг.3). На противоположных боковых поверхностях прямоугольного узла выполнено большое количество вытянутых выступов 41, при желании преобразовательный узел 30 может быть реализован с подложкой 52 (не показана). Для ясности иллюстрации выводы для сигнала/электропитания не показаны.

На фиг.17 представлена скважинная труба 13, выполненная с выемкой 70 для размещения преобразовательного узла 30 (фиг.16). Выемка 70 выполнена ступенчатой, с нижней канавкой 75 для опоры преобразовательного узла 30. По сторонам нижней канавки 75 образован ряд углублений 77 для сопряжения с выступами 41, вытянутыми от боковых поверхностей преобразовательного узла 30. После размещения преобразовательного узла в нижней канавке 75 выступы 41 предотвращают радиальное и осевое перемещение. Кроме того, выемка 70 выполнена с выступающими частями или губками 86, проходящими по противоположным сторонам канала. На фиг.18 показано поперечное сечение трубы, представленной на фиг.17, с преобразовательным узлом согласно варианту осуществления, показанному на фиг.16.

Защитный элемент 72 (фиг.18) расположен поверх преобразовательного узла 30 внутри выемки 70. Защитный элемент 72 выполнен со свесами 85 и, как описано выше, образует поверхность, расположенную на одном уровне с внешней стороной трубы 13. Свесы 85 на защитном элементе 72 сдавливают резиновые выступы 41 на преобразовательном узле 30, закрепляя преобразовательный узел 30 в выемке 70. Давление на выступы 41 также создает силу противодействия, и защитный элемент 72 прижимается к губкам 86, что предотвращает его дребезг. На фиг.19(А) показан защитный элемент согласно варианту осуществления изобретения. На фиг.19(В) показан защитный элемент с укороченными свесами 85 согласно другому варианту осуществления. Как описано выше, защитные элементы 72 могут быть выполнены с одним или несколькими отверстиями 74.

На фиг.17 один сегмент выемки 70 выполнен с узким каналом С по сравнению с другим сегментом с каналом шириной D. Более широкий сегмент выемки 70 выполнен с увеличенными углублениями 78, образованными по противоположным сторонам канала. В таком варианте осуществления преобразовательный узел 30 просто опускают в выемку 70, что облегчает ремонт и замену. После того как преобразовательный узел 30 размещен в выемке 70 и выполнены соответствующие соединения цепей сигнала/электропитания, защитный элемент 72 просто опускают в более широкий сегмент выемки 70 и продвигают со скольжением под губки 86 до заданного положения над преобразовательным узлом 30. В зависимости от длины преобразовательного узла 30 для покрытия преобразовательного узла по всей длине можно использовать один или несколько защитных элементов 72.

На фиг.20 показан защитный элемент 79 согласно другому варианту осуществления изобретения. Защитный элемент 79 аналогичен защитным элементам, показанным на фиг.19(А) и фиг.19(В), за исключением того, что он образован без фланцевых свесов 85 (фиг.19(А), 19(В)) и содержит гнезда 81, вытянутые от его боковых поверхностей. Защитный элемент 79 выполнен соответствующей ширины для скользящей посадки в более широкий канальный сегмент D и, как описано выше, также может быть выполнен с одним или несколькими отверстиями 74. Защитный элемент 79 может быть выполнен из любого подходящего материала. При желании защитные элементы 72, 79 могут быть сконструированы с гладкими (то есть с плоскими) или с закругленными поверхностями и они могут быть образованы из подходящих материалов, известных из уровня техники (например, из металлов, пластиков, синтетических компаундов, композитов).

На фиг.21 показана труба 13, снабженная парой осевых преобразовательных узлов 30 согласно вариантам осуществления изобретения (фиг.11(В)). Как описано выше, для покрытия преобразовательного узла/узлов 30 в выемку 70 вставлено большое количество индивидуальных защитных элементов 72. Каждый ряд защитных элементов 72 удерживается от выскальзывания из выемки 70 защитным элементом 79 (фиг.20). Защитные элементы 79 закрепляют на трубе 13 посредством крепежного средства (например, винта, заклепки), вводимого через гнезда 81 в соответствующие отверстия 87 (фиг.17), образованные в трубе.

В отличие от известных акустических преобразовательных узлов (например, преобразовательных узлов с компенсацией влияния нефти) установка и удержание на трубе компактных и интегральных схем преобразовательных узлов 30 обеспечивается путем использования различных известных средств. Например, при использовании в спускаемых на кабеле скважинных приборах или в других применениях, когда истирание не является критическим фактором, преобразовательные узлы 30 могут быть просто размещены на подходящем компаунде в углублении прибора.

Процесс сборки акустического преобразовательного узла включают размещение акустического преобразовательного элемента на каркасе, описанном в настоящей заявке. Затем на каркасе размещают модуль электроники, выполненный с возможностью оцифровывания сигнала преобразовательного элемента, и соединяют с акустическим преобразовательным элементом. После этого преобразовательный элемент и электронный модуль покрывают уплотнительным материалом для получения водонепроницаемого узла.

На фиг.22 показан еще один вариант осуществления изобретения, который включает преобразовательные узлы 30 стаканного типа (фиг.10), установленные в скважинном приборе 90, расположенном в скважине 12, которая проходит через подземный пласт. Преобразовательные узлы 30 размещены так, что преобразовательные элементы 36 открыты в скважину. Прибор 90 также включает в себя многоосевую электромагнитную антенну 91 для подземных измерений и электронику 92, 93 с соответствующими схемами. Прибор 90 подвешен в скважине 30 на каротажном кабеле 95 в случае спускаемой на кабеле системы или на бурильной колонне 95 в случае системы бурения с каротажем. В случае использования каротажного кабеля прибор 90 поднимают и спускают в скважину 30 с помощью лебедки 97, которая управляется наземным оборудованием 98. Каротажный кабель или бурильная колонна 95 включает в себя кондукторы 99, которые соединяют скважинную электронику 92, 93 с наземным оборудованием для передачи сигнала и управления. В качестве альтернативы, как известно из уровня техники, эти сигналы могут обрабатываться или записываться в приборе 90, а обработанные данные передаваться к наземному оборудованию 98. Преобразовательные узлы могут быть установлены в известных скважинных приборах путем использования различных, хорошо известных способов. Электрические выводы от преобразовательных узлов могут быть протянуты так, как это требуется, поскольку электронные модули/мультиплексоры могут работать на длинных кабелях. Для реализации указанных вариантов осуществления преобразовательных узлов могут быть использованы известные электронные узлы, соединительные элементы (например, волоконно-оптические) вместе с измерительной и связывающей аппаратурой.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение применимо к и может быть реализовано в любой области, в которой используются акустические преобразовательные узлы, оно не ограничено применениями под землей. Также должно быть понятно, что работа преобразовательных узлов не ограничена какой-либо конкретной частотой или частотным диапазоном.

Изобретение относится к приборам для акустического каротажа скважин, а именно к акустическим преобразователям. Техническим результатом является повышение точности измерения. Акустический преобразователь содержит каркас, акустический преобразовательный элемент, электронный модуль, соединенный с акустическим преобразовательным элементом, и переключатель, соединенный с электронным модулем и преобразовательным элементом, так что преобразовательный элемент может быть избирательно приведен в действие для приема или излучения акустической энергии. При этом акустический преобразовательный элемент имеет первую и вторую поверхности, а электронный модуль связан со второй поверхностью преобразовательного элемента и выполнен с возможностью обработки сигнала акустического преобразовательного элемента, причем акустический преобразовательный элемент и электронный модуль заключены в герметизирующий материал. Акустический преобразовательный элемент, электронный модуль и переключатель размещают на каркасе акустического преобразователя. 3 н. и 21 з.п. ф-лы, 27 ил.

1. Акустический преобразователь для подземного использования, содержащий каркас, выполненный с существенно плоскими поверхностями, акустический преобразовательный элемент, расположенный на каркасе, электронный модуль, расположенный на каркасе, соединенный с акустическим преобразовательным элементом и выполненный с возможностью обработки сигнала акустического преобразователя, переключатель, соединенный с электронным модулем и преобразовательным элементом, так что преобразовательный элемент может быть избирательно приведен в действие для приема или излучения акустической энергии.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что электронный модуль выполнен с возможностью оцифровывания сигнала преобразовательного элемента.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что модуль электроники выполнен с возможностью обработки аналогового сигнала.

4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что преобразовательный элемент выполнен с возможностью излучения акустической энергии.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что преобразовательный элемент выполнен с возможностью приема акустической энергии.

6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит мультиплексорный модуль, соединенный с электронным модулем.

7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что акустический преобразовательный элемент выбран из группы, состоящей из пьезоэлектрических устройств, устройств из титаната свинца, устройств из цирконата-титаната свинца и устройств из пьезокомпозита типа 1-3.

8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что преобразовательный элемент, электронный модуль и каркас покрыты герметизирующим материалом для защиты от внешних текучих сред.

9. Преобразователь по п.8, отличающийся тем, что герметизированный узел не содержит жидкостей.

10. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каркас сформирован из гибкого материала.

11. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каркас выполнен в виде монтажной платы.

12. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что содержит множество индивидуальных каркасов, связанных друг с другом, на которых размещены электронные модули и акустические преобразовательные элементы.

13. Способ сборки акустического преобразователя, заключающийся в том, что размещают акустический преобразовательный элемент на каркасе, выполненном с существенно плоскими поверхностями, размещают электронный модуль на каркасе, соединяют акустический преобразовательный элемент с электронным модулем, при этом электронный модуль выполнен с возможностью обработки сигнала акустического преобразователя, размещают переключатель на каркасе для соединения с электронным модулем и преобразовательным элементом, так что преобразовательный элемент может быть избирательно приведен в действие для приема или излучения акустической энергии.

14. Акустический преобразователь для подземного использования, содержащий акустический преобразовательный элемент, имеющий первую поверхность и вторую поверхность, электронный модуль, связанный со второй поверхностью преобразовательного элемента и выполненный с возможностью обработки сигнала акустического преобразовательного элемента, при этом акустический преобразовательный элемент и электронный модуль заключены в герметизирующий материал.

15. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что акустический преобразовательный элемент выбран из группы, состоящей из пьезоэлектрических устройств, устройств из титаната свинца, устройств из цирконата-титаната свинца и устройств из пьезокомпозита типа 1-3.

16. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что электронный модуль выполнен с возможностью усиления сигнала, относящегося к акустической энергии, принимаемой на первой поверхности акустического преобразовательного элемента.

17. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что электронный модуль содержит монтажную плату.

18. Преобразователь по п.17, отличающийся тем, что электронный модуль выполнен с возможностью оцифровывания сигнала преобразовательного элемента.

19. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что дополнительно содержит переключатель, соединяющий электронный модуль и преобразовательный элемент, так что преобразовательный элемент может быть избирательно приведен в действие для приема или излучения акустической энергии посредством первой поверхности.

20. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что акустический преобразовательный элемент имеет форму диска.

21. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что акустический преобразовательный элемент имеет форму прямоугольника.

22. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что дополнительно содержит акустический демпфирующий материал, расположенный вокруг акустического преобразовательного элемента.

23. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что дополнительно содержит акустический демпфирующий материал, расположенный вокруг акустического модуля и акустического преобразовательного элемента, при этом демпфирующий материал размещен вокруг акустического преобразовательного элемента, а электронный модуль заключен в герметизирующий материал.

24. Преобразователь по п.14, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один вывод электронного модуля оставлен открытым.
Приоритет по пунктам:

08.01.2004 по пп.1-24.