Акустический изолятор Российский патент 2025 года по МПК G01V1/52 G01V1/40 

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано в приборах акустического каротажа.

В настоящее время в приборах акустического каротажа для уменьшения сигнала от передатчика к приемнику, распространяющегося по корпусу и являющегося помехой, используется принцип увеличения акустического пути, уменьшения амплитуды этого сигнала и уменьшения коэффициента пропускания за счет вырезов различной формы в корпусе прибора.

Известно устройство (патент RU № 2199133, МПК G01V 1/40, опубл. 20.02.2003), состоящее из чередующихся элементов с большими акустическими жесткостями, выполненных Z-образными образующими и герметично соединенных между собой с перекрытием продольных частей элементов, а элементы с меньшей акустической жесткостью выполнены в виде втулок, размещенных между поперечными коническими соприкасающимися поверхностями, причем длина продольных частей элементов с большей акустической жесткостью и длина элементов с меньшей акустической жесткостью выбрана из соотношения l=(2n-1)*λ/4, где n - целое число из ряда 1, 2, 3, …, а λ - длина продольной волны в соответствующем материале. Величина углов, образованных поперечными коническими поверхностями с плоскостью, перпендикулярной оси изолятора в поперечном сечении, равна углу полного внутреннего отражения отраженных продольных волн αкр3 = Vs/Vp, а вершины этих углов обращены в сторону приемника. Между поверхностями соприкосновения элементов с большой акустической жесткостью с элементами с меньшей акустической жесткостью со стороны излучателя введена коническая втулка, выполненная из материала с акустической жесткостью, превышающей акустическую жесткость соседний элементов. На поверхности соприкосновения элемента с большей акустической жесткостью с элементом с меньшей акустической жесткостью со стороны излучателя нанесено покрытие из материала с акустической жесткостью, превышающей акустическую жесткость соприкасающихся элементов. В данном изобретении акустический сигнал гасится за счет геометрии корпуса и увеличения акустического пути.

Недостатком данного решения является то, что металлический корпус остается единым целым и не исключает распространение по нему акустической волны, а также технологическая сложность изготовления данной конструкции при обеспечении заданной геометрии.

Также известен акустический изолятор (авт. свидетельство № 1045188, МПК G01V 1/40, опубл. 30.09.83), содержащий чередующиеся элементы из материалов с различными акустическими жесткостями и защитную оболочку, причем с целью повышения эффективности акустической изоляции в широком частотном диапазоне, а также упрощения процесса сборки и обеспечения высокой воспроизводимости изоляционных свойств элементы с большой акустической жесткостью, выполненные в виде полуцилиндров с внутренними пазами, установлены в диаметрально противоположной позиции один относительно другого с воздушным зазором, образованным с помощью шайб, вставленных в пазы полуцилиндров, которые, в свою очередь, сдвинуты один относительно другого по оси изолятора на величину, равную расстоянию между пазами. Также между защитной оболочкой и полуцилиндрами введены ряды втулок, сдвинутых относительно одна другой не менее чем на половину их длины.

Недостатком этого изолятора является наличие цельной защитной оболочки, по которой акустический сигнал - помеха проходит ко входу приемников.

Также известен акустический изолятор для скважинных приборов акустического каротажа (авт. свидетельство № 716013, МПК G01V 1/40, опубл. 15.02.80), содержащий чередующиеся элементы из материалов с разными акустическими жесткостями и соединительными элементами, элементы из материала с большей акустической жесткостью выполнены в виде цилиндров и патрубков со ступенчато изменяющимся диаметром, а элементы из материала с меньшей акустической жесткостью выполнены в виде втулок, охватывающих патрубки с внешней боковой поверхностью и с торцов, соединительные элементы расположены на каждом патрубке на участке с минимальным диаметром.

Недостатком данного устройства является использование в качестве материала с меньшей акустической жесткостью резины, которая имеет низкую износостойкость, в связи с чем необходимо регулярно контролировать их состояние и проводить замену.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является акустический изолятор (а.с. № 636571, дополнительное к а.с. СССР 303422, МПК G01V 1/40, опубл. 05.12.1978), содержащий чередующиеся элементы из материалов с различными акустическими жесткостями (волновыми сопротивлениями), расположенных под углом к центральной оси прибора, соединительные элементы. В качестве материала с меньшей акустической жесткостью используется резина. Для защиты изолятора дополнительно используется резиновый кожух.

Недостатком этого устройства является низкая износостойкость резиновых изделий, в связи с чем необходимо регулярно контролировать их состояние и проводить замену. Также недостатком известного изолятора является обращение углов, образованных в плоскости осевого сечения изолятора коническими соприкасающимися поверхностями элементов с различной акустической жесткостью в сторону излучателя, отрицательно влияет на качество скважинных материалов при методе полного волнового акустического каротажа из-за возникновения дополнительных отраженно-преломленных волн вблизи приемника скважинного прибора, выходящими из акустического изолятора поверхностными волнами.

Техническим результатом является создание акустического изолятора, позволяющего эффективно уменьшать амплитуду волны по корпусу при высокой прочности, простоте и долговечности конструкции.

Технический результат достигается акустическим изолятором, содержащим чередующиеся элементы из материалов с различными волновыми сопротивлениями и соединительные элементы.

Новым является то, что чередующиеся элементы с большим волновым сопротивлением выполнены в виде двустороннего стакана, на дне которого выполнены центральное и равномерно расположенные по окружности дна крепежные сквозные отверстия, крепежные сквозные отверстия двустороннего стакана дополнительно оснащены втулками, а двусторонний стакан с обеих сторон оснащен цилиндрическими шайбами с центральным и равномерно расположенными по окружности цилиндрической шайбы крепежными сквозными отверстиями и выполнены из материала с меньшим волновым сопротивлением, чередующиеся элементы с меньшим волновым сопротивлением выполнены в виде цилиндрической вставки ступенчатой формы с центральным выступом максимального диаметра и крайними участками цилиндрической вставки с минимальными диаметрами, расположенными в двустороннем стакане, при этом цилиндрическая вставка оснащена центральным сквозным и равномерно расположенными по окружности цилиндрической вставки крепежными сквозными отверстиями, крайние участки цилиндрической вставки с минимальными диаметрами дополнительно оснащены несквозными отверстиями, а чередующиеся элементы с большими и меньшими волновыми сопротивлениями соединены между собой болтовыми соединениями.

Также новым является то, что наружные диаметры цилиндрической шайбы и крайних участков цилиндрической вставки с минимальными диаметрами выполнены одинаковыми.

Также новым является то, что наружные диаметры двустороннего стакана и центрального выступа цилиндрической вставки максимального диаметра выполнены одинаковыми.

Также новым является то, что чередующиеся элементы с большими волновыми сопротивлениями выполнены из металлического материала - стали, а чередующиеся элементы с меньшими волновыми сопротивлениями выполнены из неметаллического материала – капролона, или полиуритана, или фторопласта, или римамида.

На фиг. 1 показана конструкция акустического изолятора, на фиг. 2 показана объемная модель акустического изолятора с чередующимися элементами из материалов с различными волновыми сопротивлениями, где 1 - цилиндрическая вставка ступенчатой формы, 2 - болт, 3 - цилиндрическая шайба, 4 - двусторонний стакан, 5 - втулка, 6 - шайба, 7 - гайка, 8 - центральное сквозное отверстие двустороннего стакана 4, 9 - крепежные сквозные отверстия двустороннего стакана 4, 10 - центральное сквозное отверстие цилиндрической шайбы 3, 11 - крепежные сквозные отверстия цилиндрической шайбы 3, 12 - центральный выступ цилиндрической вставки 1 максимального диаметра, 13 - крайние участки цилиндрической вставки 1 с минимальными диаметрами, 14 - центральное сквозное отверстие цилиндрической вставки 1, 15 - крепежные сквозные отверстия цилиндрической вставки 1, 16- несквозные отверстия цилиндрической вставки 1.

Акустический изолятор содержит чередующиеся элементы из материалов с большим волновым сопротивлением и меньшим волновым сопротивлением, а также соединительные элементы. Чередующиеся элементы с большим волновым сопротивлением выполнены в виде двустороннего стакана 4 (фиг. 1, 2), на дне которого выполнены (например, просверлены) центральное сквозное отверстие 8 (фиг. 2) (используемое для проводов) и равномерно расположенные по окружности дна двустороннего стакана 4 крепежные сквозные отверстия 9, в свою очередь крепежные сквозные отверстия 9 двустороннего стакана 4 дополнительно оснащены втулками 5.

Двусторонний стакан 4 с обеих сторон оснащен цилиндрическими шайбами 3, выполненными из материала меньшим волновым сопротивлением, с центральным сквозным отверстием 10 и равномерно расположенными по окружности цилиндрической шайбы 3 крепежными сквозными отверстиями 11.

Чередующиеся элементы с меньшим волновым сопротивлением выполнены в виде цилиндрической вставки ступенчатой формы 1 (далее - цилиндрическая вставка) с центральным выступом 12 максимального диаметра и крайними участками 13 цилиндрической вставки 1 с минимальными диаметрами, которые расположены в двустороннем стакане 4.

Цилиндрическая вставка 1 оснащена центральным сквозным отверстием 14 (используемым для проводов) и равномерно расположенными по окружности цилиндрической вставки 1 крепежными сквозными отверстиями 15. Причем крайние участки 13 цилиндрической вставки 1 с минимальными диаметрами дополнительно оснащены несквозными отверстиями 16.

Наружные диаметры цилиндрической шайбы 3 и крайних участков 13 цилиндрической вставки 1 с минимальными диаметрами выполнены одинаковыми.

Наружные диаметры двустороннего стакана 4 и центрального выступа 12 цилиндрической вставки 1 максимального диаметра выполнены одинаковыми.

Чередующиеся элементы с большими и меньшими волновыми сопротивлениями соединены между собой болтовыми соединениями из: болтов 2, гаек 7, шайб 6 следующим образом: каждые два двусторонних стакана 4 с размещенными в них цилиндрическими шайбами 3 объединяются с одной цилиндрической вставкой 1.

Для головок болтов 2 и гаек 7 в цилиндрических вставках 1 имеются несквозные отверстия 16. Наличие цилиндрической шайбы 3 и втулок 5 в крепежных отверстиях 9 двустороннего стакана 4 позволяет изолировать болт 2 от соприкосновения с элементами с большим волновым сопротивлением - двусторонним стаканом 4. Конструкция акустического изолятора приобретает жесткость и прочность.

Таким образом, конструкция акустического изолятора не является цельной, со сложной геометрией, а состоит из набора секций с разными волновыми сопротивлениями. При этом упрощается изготовление отдельных деталей.

Чередующиеся элементы с большими волновыми сопротивлениями выполнены из металлического материала - стали, который используют и в качестве основного материала корпуса акустического прибора, а чередующиеся элементы с меньшими волновыми сопротивлениями выполнены из неметаллического материала – капролона, или фторопласта, или полиуретана, или римамида. Выбор обосновывается условиями эксплуатации. Благодаря использованию более прочного по сравнению с резиной, как в наиболее близком аналоге, материала отсутствует необходимость применения дополнительной защиты в виде резинового кожуха. При этом увеличивается износостойкость корпуса прибора.

Акустический изолятор работает следующим образом.

Работа акустического изолятора основана на свойстве звуковой волны ослабевать при прохождении границы раздела двух сред с различными волновыми сопротивлениями. Коэффициент прохождения рассчитывается по формуле:

где - коэффициент прохождения;

x - соотношение волновых сопротивлений,

где - меньшее по значению волновое сопротивление материала (кг/(м²*с));

- большее по значению волновое сопротивление материала (кг/(м²*с)).

Волновое сопротивление материала рассчитывается по формуле:

где ρ - плотность материала (кг/м³);

ν - скорость звука в материале (м/с).

В наборе чередующихся секций ослабление происходит на каждой границе перехода материалов с различными волновыми сопротивлениями, при этом ослабление не зависит от габаритных размеров чередующихся элементов. Поскольку коэффициенты прохождения через границы раздела материалов равны, то общий коэффициент прохождения равен произведению этих коэффициентов:

где - коэффициент прохождения через границу раздела;

m - количество границ материалов с различными волновыми сопротивлениями;

n - количество элементов с меньшим волновым сопротивлением.

Исходя из формул (1) и (2), коэффициент прохождения всегда меньше единицы, следовательно, амплитуда акустического сигнала сильнее уменьшается с увеличением количества чередующихся элементов. Количество чередующихся элементов выбирается из условия уменьшения амплитуды акустического сигнала на величину, не вносящую существенный вклад в общий сигнал.

При применении в акустическом приборе для регистрации сигнала аналого-цифрового преобразователя (АЦП) величина помехи должна быть меньше разрешающей способности АЦП - величины обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП.

Таким образом,

,

где N - разрядность АЦП.

В предлагаемом акустическом изоляторе материалом с большим волновым сопротивлением является сталь, материалом с меньшим волновым сопротивлением - капролон.

Параметры для стали и капролона представлены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры для стали и капролона

Материал Плотность Скорость звука Акустическое сопротивление Капролон 1700 2640 4,488*10⁶ Сталь 7850 6100 4,7885*10⁷

Соотношение волновых сопротивлений находят по формуле (2):

Коэффициент прохождения рассчитывают по формуле (1):

При разрядности применяемого АЦП=14 разрешающая способность равна:

Определим величину коэффициента прохождения сигнала в зависимости от количества капролоновых элементов.

Таблица 2. Зависимость общего коэффициента прохождения от количества капролоновых вставок

n – общий коэффициент прохождения 4 5 6

Из таблицы 2 следует, чтобы обеспечить величину помехи меньшей, чем разрешающая способность АЦП, минимальное количество капролоновых вставок при использовании материалов сталь и капролон равно 5.

Применение чередующихся элементов различной акустической плотности позволяет исключить негативное влияние - прохождение волны по корпусу прибора. Результат применения чередующихся секций представлен на фиг. 3. Сигнал по корпусу не фиксировался на приемниках. Шум на входе приемников отсутствовал.

На фиг. 4 показана осциллограмма сигнала на приемниках без применения секций из неметаллического материала, то есть со сплошным корпусом. Шум в виде импульсов, наложенных на полезный сигнал, значительно превышает его (полезный сигнал). Предлагаемый акустический изолятор установлен в 10-ти скважинных приборах, с помощью которых проведены исследования более чем в 150-ти скважинах на месторождениях Республики Татарстан.

Предлагаемый акустический изолятор обеспечивает требуемое ослабление акустического сигнала по корпусу и обладает достаточной прочностью для длительной работы.

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин и может быть использовано в приборах акустического каротажа. Акустический изолятор содержит чередующиеся элементы из материалов с различными волновыми сопротивлениями и соединительные элементы. Чередующиеся элементы с большим волновым сопротивлением выполнены в виде двустороннего стакана, на дне которого выполнены центральное и равномерно расположенные по окружности дна крепежные сквозные отверстия, крепежные сквозные отверстия двустороннего стакана дополнительно оснащены втулками, а двусторонний стакан с обеих сторон оснащен цилиндрическими шайбами с центральным и равномерно расположенными по окружности цилиндрической шайбы крепежными сквозными отверстиями и выполнены из материала с меньшим волновым сопротивлением, чередующиеся элементы с меньшим волновым сопротивлением выполнены в виде цилиндрической вставки ступенчатой формы с центральным выступом максимального диаметра и крайними участками цилиндрической вставки с минимальными диаметрами, расположенными в двустороннем стакане, при этом цилиндрическая вставка оснащена центральным сквозным и равномерно расположенными по окружности цилиндрической вставки крепежными сквозными отверстиями, крайние участки цилиндрической вставки с минимальными диаметрами дополнительно оснащены несквозными отверстиями, а чередующиеся элементы с большими и меньшими волновыми сопротивлениями соединены между собой болтовыми соединениями. Наружные диаметры цилиндрической шайбы и крайних участков цилиндрической вставки с минимальными диаметрами выполнены одинаковыми. Наружные диаметры двустороннего стакана и центрального выступа цилиндрической вставки максимального диаметра выполнены одинаковыми. Чередующиеся элементы с большими волновыми сопротивлениями выполнены из металлического материала - стали, а чередующиеся элементы с меньшими волновыми сопротивлениями выполнены из неметаллического материала – капролона, или полиуритана, или фторопласта, или римамида. Предлагаемый акустический изолятор обеспечивает требуемое ослабление акустического сигнала по корпусу и обладает достаточной прочностью для длительной работы. Техническим результатом является создание акустического изолятора, позволяющего эффективно уменьшать амплитуду волны по корпусу при высокой прочности, простоте и долговечности конструкции. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Акустический изолятор, содержащий чередующиеся элементы из материалов с различными волновыми сопротивлениями и соединительные элементы, отличающийся тем, что чередующиеся элементы с большим волновым сопротивлением выполнены в виде двустороннего стакана, на дне которого выполнены центральное и равномерно расположенные по окружности дна крепежные сквозные отверстия, крепежные сквозные отверстия двустороннего стакана дополнительно оснащены втулками, а двусторонний стакан с обеих сторон оснащен цилиндрическими шайбами с центральным и равномерно расположенными по окружности цилиндрической шайбы крепежными сквозными отверстиями и выполнены из материала с меньшим волновым сопротивлением, чередующиеся элементы с меньшим волновым сопротивлением выполнены в виде цилиндрической вставки ступенчатой формы с центральным выступом максимального диаметра и крайними участками цилиндрической вставки с минимальными диаметрами, расположенными в двустороннем стакане, при этом цилиндрическая вставка оснащена центральным сквозным и равномерно расположенными по окружности цилиндрической вставки крепежными сквозными отверстиями, крайние участки цилиндрической вставки с минимальными диаметрами дополнительно оснащены несквозными отверстиями, а чередующиеся элементы с большими и меньшими волновыми сопротивлениями соединены между собой болтовыми соединениями.

2. Акустический изолятор по п. 1, отличающийся тем, что наружные диаметры цилиндрической шайбы и крайних участков цилиндрической вставки с минимальными диаметрами выполнены одинаковыми.

3. Акустический изолятор по п. 1, отличающийся тем, что наружные диаметры двустороннего стакана и центрального выступа цилиндрической вставки максимального диаметра выполнены одинаковыми.

4. Акустический изолятор по п. 1, отличающийся тем, что чередующиеся элементы с большими волновыми сопротивлениями выполнены из металлического материала - стали, а чередующиеся элементы с меньшими волновыми сопротивлениями выполнены из неметаллического материала - капролона, или полиуритана, или фторопласта, или римамида.