АКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК E21B43/25 E21B28/00 

Изобретение относится к области геофизики и прикладной акустики и может быть использовано для межскважинного акустического просвечивания, получения информации о внутреннем строении массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений.

Известен акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0,2-0,25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, а источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором, создающим тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша, первые N входов-выходов которого соединены с электрическими входами-выходами N-пьезопакетов, а второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом Аппозиционного коммутатора, причем N позициям коммутатора соответствуют N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках жесткого герметичного цилиндрического корпуса, а расстояние между центрами звукопрозрачных промежутков равно (0,8-0,85)λ (см. патент на изобретение №2276475 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 10.05.2006, по заявке 2004129032/28 от 04.10.2004, кл. H04R 1/44).

Недостатком данного акустического скважинного излучателя является низкая точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания. Низкая точность обусловлена использованием излучаемых акустических сигналов с фазовой манипуляцией напряжения, описываемых N функциями Уолша, обладающих плохими автокорреляционными свойствами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0,2-0,25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен Аппозиционным коммутатором, создающим тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша, второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом Аппозиционного коммутатора, а расстояние между центрами (N+1) звукопрозрачных промежутков жесткого герметичного цилиндрического корпуса равно (0,8-0,85)λ, нуль-орган, делитель частоты с коэффициентом деления N, N - разрядный двоичный счетчик, N - разрядный регистр сдвига и N управляемых инверторов, причем N выходов коммутатора соединены с информационными входами соответствующих управляемых инверторов, выходы которых подключены к электрическим входам соответствующих пьезопакетов, последний выход Аппозиционного коммутатора (функции Уолша на выходах коммутатора упорядочены по числу знакоперемен) подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен со сдвигающим входом N - разрядного регистра сдвига и входом делителя частоты с коэффициентом деления N, выход делителя частоты с коэффициентом деления N подключен к управляющему входу записи N - разрядного регистра сдвига и счетному входу N - разрядного двоичного счетчика, информационные выходы разрядов N - разрядного двоичного счетчика подключены к соответствующим информационным входам N - разрядного регистра сдвига, выход старшего разряда N - разрядного регистра сдвига подключен к управляющим входам всех управляемых инверторов (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00).

Недостатком данного акустического скважинного излучателя является низкая точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания. Низкая точность обусловлена применением 2^N систем из N различных (не повторяющихся) акустических сигналов, описываемых законами фазовой манипуляции, построенных на базе функций Уолша, без возможности выбора и использования сигналов с хорошими автокорреляционными свойствами.

Целью изобретения является повышение точности оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания посредством использования сигналов, обладающих хорошими автокорреляционными свойствами.

Поставленная цель достигается тем, что в известный акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0,2-0,25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором, создающим тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша, второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N-позиционного коммутатора, а расстояние между центрами (N+1) звукопрозрачных промежутков жесткого герметичного цилиндрического корпуса равно (0,8-0,85)λ, нуль-орган, делитель частоты, управляемый инвертор, причем 2ⁿ-й (последний) выход N-позиционного коммутатора (где N=2ⁿ - количество функций Уолша на выходах N-позиционного коммутатора, упорядоченных по числу знакоперемен) подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен с входом делителя частоты, введены триггер, первый ключ, второй ключ, двухвходовый сумматор, 2^n-1 - разрядный циклический регистр сдвига и 2ⁿ умножителей, причем выход нуль-органа соединен со сдвигающим входом 2^n-1 - разрядного циклического регистра сдвига, выход делителя частоты соединен с счетным входом триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, инверсный выход триггера подключен к управляющему входу второго ключа, выходы первого и второго ключей соединены с соответствующими информационными входами двухвходового сумматора, выход двухвходового сумматора подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен с выходом старшего разряда 2^n-1 - разрядного циклического регистра сдвига, (2^n-1-2)-й выход Аппозиционного коммутатора подключен к информационному входу первого ключа, (2^n-1-4)-й выход N-позиционного коммутатора подключен к информационному входу второго ключа, выход управляемого инвертора подключен к первым входам умножителей группы из 2ⁿ умножителей, вторые входы i-x умножителей (где - порядковые номера умножителей) подключены к i-м выходам N-позиционного коммутатора, выходы умножителей подключены к электрическим входам соответствующих пьезопакетов.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого акустического скважинного излучателя. На фиг. 2 приведена схематическая конструкция опускаемой в скважину части акустического скважинного излучателя. На фиг. 3 представлен фрагмент опускаемой в скважину части излучателя с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном. На фиг. 4 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования функции S(10,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, на фиг. 5 представлены временные диаграммы системы функций Уолша, на фиг. 6 и фиг. 7 представлены автокорреляционные функции сигналов Уолша, на фиг. 8 представлены временные диаграммы системы функций в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, на фиг. 9 и фиг. 10 представлены автокорреляционные функции сигналов в предлагаемом акустическом скважинном излучателе.

Акустический скважинный излучатель (фиг. 1) содержит опускаемую в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя, N-позиционный коммутатор 2, усилитель мощности 3, нуль-орган 4, делитель 5 частоты с коэффициентом деления N/2, первый ключ 6, второй ключ 7, управляемый инвертор 8, 2^n-1 - разрядный циклический регистр 9 сдвига, двухвходовый сумматор 10, триггер 11, умножители 12.

Опускаемая в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя (фиг. 2) и входящие в состав части 1 акустического скважинного излучателя фрагменты с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном (фиг. 3) содержат активные модули, выполненные в виде пьезопакетов 13. Каждый активный модуль состоит из одинаковых пьезокерамических шайб 14, склеенных через металлические электроды 15. На торцах активной части модуля имеются металлические излучающие накладки 16. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической стягивающей армирующей шпилькой 17, повышающей его механическую прочность. Шпилька 17 размещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули соосно размещены в металлическом корпусе 18, имеющем звукопрозрачные окна 9 Модули акустически развязаны от корпуса с помощью резиновых развязок 20, а с помощью гибких колец 21, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе 18, они образуют механически связанную цепочку. Металлические электроды каждого активного модуля электрически соединены между собой проводами 22. Первое и последнее гибкие кольца механически соединены с крышками корпуса 23. Корпус 14 герметизирован резиновыми заглушками 24, заполнен электроизоляционной жидкостью 25 и снабжен компенсатором 26. Компенсатор механически защищен колпаком 27. Между боковой поверхностью каждого пьезопакета и внутренней поверхностью корпуса 18 размещены акустически мягкие цилиндрические экраны 28, изготовленные, например, из жесткого пенопласта.

Как и в прототипе (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00), при выборе расстояния между звукопрозрачными промежутками, равного (0,8-0,85)λ, где λ - длина волны акустического излучения в рабочей среде, коэффициент осевой концентрации акустического скважинного излучателя, определяющий эффективность направленного излучения, становится максимальным.

Как и в прототипе (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00), для реализации акустического скважинного излучателя с такими размерами необходимо также существенно снизить эффективную скорость звука, определяющую частоту продольного резонанса пьезопакета с торцевыми накладками, используя их в качестве частотопонижающих. Так, например, если торцевые накладки изготовлены из стали, а их суммарная толщина составляет (0,2-0,25) от толщины пьезопакета, то эффективная скорость звука составит (1,2-1,3)С, где С - скорость звука в рабочей среде, например в морской воде, при этом величина звукопрозрачного промежутка между торцевыми накладками должна составлять (0,2-0,25)λ.

Межскважинное акустическое просвечивание (МАП) позволяет получать информацию о внутреннем строении массива пород в межскважинном пространстве (см. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии. / Министерство геологии СССР; Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии. Под ред. Н.Н. Горяинова. - М.: Недра, 1992. - 264 с., на странице 118, четвертый абзац сверху).

Межскважинное акустическое просвечивание (МАП) или межскважинное прозвучивание (МП) основано на возбуждение упругих колебаний в одной скважине и регистрации их в другой. Метод предназначен для изучения сейсмоакустических параметров прозвучивания среды в плоскости между двумя скважинами. Информационные параметры МП подразделяются на кинематические, используемые для определений фазовой скорости волн и траектории их лучей, и динамические, используемые для определения коэффициента поглощения энергии упругих волн в среде.

Аппаратура ряда МП импульсного и тонального режимов излучения предназначена для поиска и разведки рудных тел между гидронаполненными скважинами, находящимся друг от друга на расстоянии 200-300 м. Применение аппаратуры позволяет реконструировать слепые и выклинивающиеся рудные тела, коррелировать рудные подсечения, обнаруживать трещеноватости, разрывные нарушения, карсты, талики и линзы погребенного льда.

Межскважинное прозвучивание следует начинать по схеме синхронного перемещения по первой скважине опускаемой части излучающего акустического скважинного излучателя и приемного снаряда по второй скважине с целью получения представления о прозвучиваемом разрезе и выявления аномальных зон в исследуемом интервале глубин. Оконтуривание этих зон проводится по схеме, при которой опускаемая часть акустического скважинного излучателя устанавливается неподвижно в одной скважине, а приемник перемещается вдоль другой. Стоянка неподвижного скважинного зонда располагается выше или ниже предполагаемой неоднородности в местах сравнительного хорошего прохождения звука. Рекомендуется оставлять неподвижным скважинный звукоприемник и перемещать опускаемую часть акустического скважинного излучателя, поскольку при этом достигается наиболее высокая производительность труда. При корреляции наклонно залегающих рудных тел и определении физико-механических свойств горных пород и руд целесообразно синхронное перемещение со сдвигом опускаемой части акустического скважинного излучателя и звукоприемника по глубине (см. Методы рудной геофизики, Л., 1968; Разведка сульфидных месторождений с использованием скважинных геофизических и геохимических методов. Методическое руководство, Л., 1971; Скважинная рудная геофизика, Л., 1971; Скважинная и шахтная рудная геофизика, Справочник геофизика. Под редакцией доктора геолого-минералогических наук В.В. Бродового. - М.: Недра, 1989).

Межскважинное прозвучивание, часто осуществляется на частотах 100-3000 Гц, которые намного ниже частот акустического каротажа. Приемник содержит датчики давления и устройства корреляционной обработки принимаемых сигналов (см. Выделение невыработанных нефтяных пластов в эксплуатационных скважинах и проницаемых интервалов в разведочных скважинах по данным сейсмоакустических исследований / Ю.В Коноплев и др. // НТВ «Каротажник». Выпуск 50. - Тверь.: ГЕРС, 1998, С 54-63).

Широко известно об успешном применении межскважинного акустического просвечивания при изучении выработанных нефтяных пластов (см. Выделение невыработанных нефтяных пластов в эксплуатационных скважинах и проницаемых интервалов в разведочных скважинах по данным сейсмоакустических исследований / Ю.В Коноплев и др. // НТВ «Каротажник». Выпуск 50. - Тверь.: ГЕРС, 1998, С 54-63), обнаружении полостей выщелачивания твердых полезных ископаемых на участках гидродобычи, выделении в нефтяных залежах участков с пониженными скоростями упругих волн, образовавшихся в результате закачки в пласты углекислого газа (см. Kazaratos Spyros К., Marion Bruce P. Log-scale seismic for reservoir characterization // SEG Int. Expo, and 66th Annual Meet., Denver. 1996, November 10-15. V. 2. P.).

Использование акустических скважинных излучателей основано на исследовании динамических и кинематических характеристик упругих колебаний в среде, создаваемых искусственными источниками возбуждения. Предпосылкой их применения является различие скоростей распространения упругих волн и характеристик их поглощения, обусловленное составом, свойствами и состоянием грунтов. Приемник содержит в своем составе устройства корреляционной обработки принимаемых сигналов.

Акустические скважинные излучатели применяются также в случае межскважинного акустического просвечивания при обследовании зданий и сооружений. Физической основой использования акустических методов является зависимость акустических свойств от упругих, деформационных, прочностных свойств и трещиноватости естественных и искусственных грунтов (бетона, грунтоцемента, ледогрунта и др.). Преимущество скважинных методов заключается в возможности максимально приблизиться к объекту исследований и исключить потерю информации в поверхностном слое земли (см. Архипов А.Г. Диагностика состояния грунтов основания и фундаментов обследуемых зданий и сооружений методом межскважинного прозвучивания. Материалы VII международной научно-практической конференции «Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения», 13-14 октября 2016 года. - СПб. Издательство Политехнического университета, 2017. - 310 с, страница 21, третий абзац сверху).

Измерительная система состоит из приемников упругих волн или вибропреобразователей (скважинного приемника, содержащего в своем составе устройства корреляционной обработки принимаемых сигналов), кабелей и комплекса программно-аппаратных средств (КПАС) на базе персонального компьютера (см. Архипов А.Г. Диагностика состояния грунтов основания и фундаментов обследуемых зданий и сооружений методом межскважинного прозвучивания. Материалы VII международной научно-практической конференции «Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения», 13-14 октября 2016 года. - СПб. Издательство Политехнического университета, 2017. - 310 с., страница 23, первый и второй абзацы снизу).

При межскважинном акустическом просвечивании оценку строения и свойств горных пород осуществляют по скорости и затуханию упругих волн, распространяющихся в пространстве между скважинами. Наряду с такими факторами, как литологический состав пород, их пористость, газонасыщенность, текстурно-структурные особенности, существенное влияние на кинематические и динамические параметры упругих волн, регистрируемых при межскважинном акустическом просвечивании, оказывают мощности пластов, соотношение скоростей в них и во вмещающих породах, параметры неоднородностей. Кроме того, характеристики направленности приемника и излучателя в значительной степени обусловлены наличием скважины. Максимумы этих характеристик приходятся на направления, перпендикулярные к ее оси (см. Горбачев Ю.И. Геофизические исследования скважин: Учебник для вузов / Под ред. Е.В. Каруса. - М.: Недра, 1990. - 398 с., страница 187, второй абзац сверху).

Известно, что при применении акустических скважинных излучателей в составе устройств для межскважинного акустического просвечивания функция автокорреляции излучаемых акустических сигналов с фазовой манипуляцией напряжения (описываемых законами фазовой манипуляции), представляет наибольший интерес. Для устранения маскирующего действия близких по дальности объектов (целей) нужно уменьшать остатки (боковые пики функций автокорреляции излучаемых сигналов) (см. Вакман Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. - М.: Советское радио, 1973, стр. 48, четвертый абзац сверху). То есть более высокую точность обеспечивает использование излучаемых акустических сигналов с фазовой манипуляцией напряжения, обладающих малыми боковыми пиками функций автокорреляции.

Кроме того, для получения наименьшей вероятности установления ложной синхронизации (ошибки при анализе принятого сигнала), а следовательно, повышения точности измерений при межскважинном акустическом просвечивании, необходимо использовать сигналы с малыми боковыми пиками функций автокорреляции (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 64, первый абзац снизу).

Известно, что автокорреляционная функция сигнала S(t) определяется выражением:

где τ - величина временного сдвига сигнала.

Из выражения (1) видно, что R(τ) характеризует степень связи (корреляции) сигнала S(t) с его копией, сдвинутой на величину τ по оси времени.

Ясно, что функция R(τ) достигает максимума при τ=0, так как любой сигнал полностью коррелирован с самим собой.

При этом:

то есть максимальное значение автокорреляционной функции равно энергии сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1971, стр. 68).

Для случая сигналов, пронормированных по энергии с учетом Е=1, автокорреляционная функция сигнала состоит из центрального пика с амплитудой 1, размещенного на интервале (-τ₀, τ₀) и боковых пиков, распределенных на интервалах (-Т, -τ₀) и (τ₀, Т). Амплитуды боковых пиков принимают различные значения, но у сигналов с хорошими корреляционными свойствами они малы, то есть существенно меньше амплитуды центрального пика, равной 1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 30).

Значения боковых пиков функции автокорреляции, которые обычно меньше основного, зависят от реально используемой кодовой последовательности (излучаемого акустического сигнала с фазовой манипуляцией напряжения). При возникновении таких боковых пиков функции корреляции способность приемника в составе устройства для межскважинного акустического просвечивания к установлению надежной синхронизации (точному анализу принятого сигнала) ухудшается, так как в этом случае он должен различать основной и максимальный боковой пики функции корреляции (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 67).

Корреляционные свойства кодовой последовательности, описывающей излучаемый акустический сигнал с фазовой манипуляцией напряжения, характеризует показатель различимости (ПР), определяемый как разность значений функции автокорреляции, соответствующих основному и максимальному боковому пикам. Очевидно, чем больше ПР, тем лучше кодовая последовательность (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 65, а также стр. 66, рис. 3.11), тем выше точность использующего ее устройства для межскважинного акустического просвечивания.

Таким образом, наиболее важной проблемой является отыскание сигналов с малыми остатками корреляционной функции излучаемого акустического сигнала с фазовой манипуляцией напряжения (см. Вакман Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. - М.: Советское радио, 1973, стр. 279, первый абзац снизу).

К сожалению, прототип (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00) обеспечивает низкую точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания. Низкая точность обусловлена применением 2^N систем из N различных (не повторяющихся) акустических сигналов, описываемых законами фазовой манипуляции, построенных на базе функций Уолша, имеющих плохие автокорреляционные свойства. При этом возможность выбора из этих 2^N систем, каждая из которых включает в себя N различных (не повторяющихся) акустических сигналов, одной системы с хорошими автокорреляционными свойствами, к сожалению исключается, что не позволяет использовать устройство с целью межскважинного акустического просвечивания.

В аналоге (см. патент на изобретение №2276475 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 10.05.2006, по заявке 2004129032/28 от 04.10.2004, кл. H04R 1/44) используются излучаемые акустические сигналы с фазовой манипуляцией напряжения, описываемые N функциями Уолша, обладающими плохими автокорреляционными свойствами. Вследствие этого точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания является низкой.

Для излучаемых акустических сигналов, использующих функции Уолша и использующих дискретные ортогональные функции S(i,θ), предлагаемые в данном изобретении, были рассчитаны автокорреляционные функции, максимальные боковые пики автокорреляционных функций сигналов и показатели различимости (ПР).

Результаты расчетов для случая 2ⁿ=16 представлены в таблице 1.

По результатам, представленным в таблице 1, видно, что излучаемые акустические сигналы с фазовой манипуляцией напряжения, описываемые N дискретными ортогональными функциями S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе имеют максимальный боковой пик автокорреляционной функции R(τ)_max меньше в 1,875 раз, чем излучаемые акустические сигналы, использующие функции Уолша. При этом показатель различимости (ПР) у них больше, чем у излучаемых акустических сигналов, использующих функции Уолша, в 8 раз, что значительно повышает точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания.

Акустический скважинный излучатель работает следующим образом.

Перед началом работы акустического скважинного излучателя в (2^n-1-3) -м разряде циклического регистра 9 сдвига записана единица, триггер 11 находится в исходном единичном состоянии.

Опускаемая в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя (фиг. 1), соединенная многожильным кабелем с выходами умножителей 12 (фиг. 1), погружается примерно в середину объема рабочей среды, подлежащей воздействию излучаемых акустических сигналов.

На информационных выходах N-позиционного коммутатора 2 создается тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша Wal(i,θ), аналогично тому, как это делается в прототипе (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00).

Функции Уолша обладают плохими автокорреляционными свойствами, следовательно для повышения точности необходимо воспользоваться функциями с улучшенными автокорреляционными свойствами. Это становится возможным с использованием дополнительных элементов, вводимых в состав акустического скважинного модулятора - первого ключа 6, второго ключа 7, 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига, двухвходового сумматора 10, триггера 11, умножителей 12.

В начале работы акустического скважинного излучателя потенциалы с прямого и инверсного выходов триггера 11 поступают на управляющие входы ключей 6 и 7. Таким образом, первый ключ 6 открыт, а второй ключ 7 закрыт.

Подробное описание устройства триггера 11, являющегося обычным Т-триггером, представлено в известном источнике (см. Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980, с. 240, рис. 6.22, рис. 6.23).

С началом формирования функций Уолша Wal(i,θ) на выходах Аппозиционного коммутатора 2, они поступают на вторые входы умножителей 12. Функция Уолша Wal(2ⁿ-1,θ), представляющая собой сигнал типа меандр, поступающая с 2ⁿ-го (последнего) выхода Аппозиционного коммутатора 2, подается также на вход нуль-органа 4, на выходе которого в результате формируется последовательность импульсов с периодом, равным длительности одного элемента функции Уолша (фиг. 2, а).

Нуль-орган 4 формирует на своем выходе короткий импульс в моменты времени, когда сигнал на его входе меняет знак с «+» на «-» или с «-» на «+», в данном случае это происходит столько раз, сколько раз меняет свое значение функция Уолша Wal(2ⁿ-1,θ).

Подробное описание устройства нуль-органа 4 представлено в известном источнике (см. Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980, с. 209-215).

Импульсы с выхода нуль-органа 4 поступают на вход делителя 5 частоты и сдвигающий вход 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига. Делитель 5 частоты имеет коэффициент деления N/2, вследствие чего импульс на его выходе формируется в средней части длительности функций Уолша (фиг. 2, б).

Функция Уолша Wal(5,θ) (фиг. 2, в) с (2^n-1-2)-го выхода N-позиционного коммутатора 2 (то есть, для случая 2ⁿ=16 с шестого выхода Аппозиционного коммутатора 2) через открытый ключ 6 (фиг. 2, д) поступает на первый вход двухвходового сумматора 10, а с его выхода - на информационный вход управляемого инвертора 8.

В момент формирования импульса на выходе делителя 5 частоты, имеющего коэффициент деления N/2 (фиг. 2, б), состояние триггера 11 меняется на противоположное. Импульс с выхода делителя 5 частоты изменяет состояние триггера 11, а следовательно, и состояние ключей 6 и 7.

Делитель 5 частоты формирует на своем выходе короткий импульс в моменты времени, которые соответствуют середине периода определения функций Уолша (фиг. 2, б).

Импульс, поступающий с выхода делителя 5 частоты приводит к тому, что ключ 6 оказывается закрытым, а ключ 7 открытым, и функция Уолша Wal(11,θ) (фиг. 2, г) с (2ⁿ-4)-го выхода N-позиционного коммутатора 2 (то есть, для случая 2ⁿ=16 с двенадцатого выхода N-позиционного коммутатора 2) через открытый ключ 7 (фиг. 2, е) поступает на второй вход двухвходового сумматора 10, а с его выхода - на информационный вход управляемого инвертора 8.

На выходе двухвходового сумматора 10 формируется сигнал, представленный на фиг. 2, ж.

С поступлением третьего импульса с выхода нуль-органа 4 на сдвигающий вход 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига, на выходе старшего разряда 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига формируется единица (фиг. 2, з), которая была записана в (2^n-1-3)-м разряде.

Эта единица поступает на управляющий вход управляемого инвертора 8, вследствие чего третий элемент сигнала, формируемого на выходе двухвходового сумматора 10 и поступающего на информационный вход управляемого инвертора 8, оказывается инвертированным. Поскольку 2^n-1 - разрядный циклический регистр 9 сдвига замкнут в кольцо цепью обратной связи и имеет 2^n-1 - разрядов, то с указанного момента времени через 2^n-1 тактов работы на выходе циклического регистра 9 сдвига опять сформируется единица (фиг. 2, з), и соответствующий элемент сигнала, поступающего с выхода двухвходового сумматора 10 на информационный вход управляемого инвертора 8, также окажется инвертированным.

Сигнал на выходе управляемого инвертора 8 (фиг. 2, и) представляет собой функцию, отличную по структуре от функций Уолша.

Сигнал, формируемый на выходе управляемого инвертора 8, умножается в умножителях 12 на функции Уолша Wal(i,θ). В результате этого на выходах умножителей 12 формируется система дискретных ортогональных функций S(i,θ), отличных по структуре от функций Уолша, и имеющих значительно улучшенные автокорреляционные свойства.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования функции S(10,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе.

На диаграммах указано временное состояние:

а) выхода нуль-органа 4;

б) выхода делителя 5 частоты;

в) шестого выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(5,θ);

г) двенадцатого выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(11,θ);

д) выхода первого ключа 6;

е) выхода второго ключа 7;

ж) выхода двухвходового сумматора 10;

з) выхода старшего разряда 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига;

и) выхода управляемого инвертора 8;

й) одиннадцатого выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(10,θ);

к) выхода одиннадцатого умножителя 12, на котором формируется функция S(10,θ).

На фиг. 5 представлены временные диаграммы системы функций Уолша используемых в прототипе и аналоге, на фиг. 6 и фиг. 7 представлены автокорреляционные функции сигналов Уолша, на фиг. 8 представлены временные диаграммы системы функций S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, на фиг. 9 и фиг. 10 представлены автокорреляционные функции сигналов S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе.

Функции Уолша на информационных выходах N-позиционного коммутатора 2 упорядочены по числу знакоперемен.

В ортогональности функций S(i,θ), формируемых в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, можно убедиться путем перемножения любых функций системы S(i,θ) и интегрирования результата перемножения за время Т (где Т - период определения функций).

Таким образом, излучаемые акустические сигналы с фазовой манипуляцией напряжения, описываемые N дискретными ортогональными функциями S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе имеют максимальный боковой пик автокорреляционной функции R(τ)_max меньше в 1,875 раз, чем излучаемые акустические сигналы, использующие функции Уолша. При этом показатель различимости (ПР) у них больше, чем у излучаемых акустических сигналов, использующих функции Уолша, в 8 раз, что значительно повышает точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания.

Акустический скважинный излучатель относится к области геофизики и прикладной акустики и может быть использован для межскважинного акустического просвечивания, получения информации о внутреннем строении массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений. Технический результат заключается в повышении точности оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания. Акустический скважинный излучатель содержит опускаемую в скважину часть (1) акустического скважинного излучателя, N-позиционный коммутатор (2), усилитель мощности (3), нуль-орган (4), делитель (5) частоты с коэффициентом деления N/2, первый ключ (6), второй ключ (7), управляемый инвертор (8), 2^n-1 - разрядный циклический регистр (9) сдвига, двухвходовый сумматор (10), триггер (11), умножители (12). 10 ил., 1 табл.

Акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0,2-0,25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором, создающим тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша, второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом Аппозиционного коммутатора, а расстояние между центрами (N+1) звукопрозрачных промежутков жесткого герметичного цилиндрического корпуса равно (0,8-0,85)λ, нуль-орган, делитель частоты, управляемый инвертор, причем 2ⁿ-й (последний) выход Аппозиционного коммутатора (где N=2ⁿ - количество функций Уолша на выходах N-позиционного коммутатора, упорядоченных по числу знакоперемен) подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен с входом делителя частоты, введены триггер, первый ключ, второй ключ, двухвходовый сумматор, 2^n-1 - разрядный циклический регистр сдвига и 2ⁿ умножителей, причем выход нуль-органа соединен со сдвигающим входом 2^n-1 - разрядного циклического регистра сдвига, выход делителя частоты соединен с счетным входом триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, инверсный выход триггера подключен к управляющему входу второго ключа, выходы первого и второго ключей соединены с соответствующими информационными входами двухвходового сумматора, выход двухвходового сумматора подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен с выходом старшего разряда 2^n-1 - разрядного циклического регистра сдвига, (2^n-1-2)-й выход N-позиционного коммутатора подключен к информационному входу первого ключа, (2^n-1-4)-й выход N-позиционного коммутатора подключен к информационному входу второго ключа, выход управляемого инвертора подключен к первым входам умножителей группы из 2ⁿ умножителей, вторые входы i-х умножителей (где - порядковые номера умножителей) подключены к i-м выходам N-позиционного коммутатора, выходы умножителей подключены к электрическим входам соответствующих пьезопакетов.