Акустический скважинный излучатель

Изобретение относится к области геофизики и прикладной гидроакустики. Излучатель содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов, состоящих из одинаковых пьезокерамических шайб, склеенных через металлические электроды. На торцах активной части модуля имеются металлические излучающие накладки. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической стягивающей армирующей шпилькой, повышающей его механическую прочность. Шпилька размещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули соосно размещены в металлическом корпусе, имеющем звукопрозрачные окна. Модули акустически развязаны от корпуса с помощью резиновых развязок, а с помощью гибких колец, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе, они образуют механически связанную цепочку. Металлические электроды каждого модуля электрически соединены между собой проводами. Первое и последнее гибкие кольца механически соединены с крышками корпуса. Корпус герметизирован резиновыми заглушками, заполнен электроизоляционной жидкостью и снабжен компенсатором. Компенсатор механически защищен колпаком. Между боковой поверхностью каждого пьезопакета и внутренней поверхностью корпуса размещены акустически мягкие цилиндрические экраны, изготовленные, например, из жесткого пенопласта. Излучатель электрически соединен с источником питания посредством усилителя мощности, выполненного симметричным и снабженного N-позиционным коммутатором. Электрические входы-выходы N-пьезопакетов поступают на первые входы-выходы N-позиционного коммутатора, а второй вход N-позиционного коммутатора соединен с симметричным выходом усилителя мощности. Технический результат - повышение эффектичности работы излучателя и увеличение озвученного объема работы рабочей среды без увеличения мощности излучателя. 4 ил.

 

Изобретение относится к области геофизики и прикладной гидроакустики и может быть использовано в мощных звуковых устройствах обработки продуктивных зон нефтяных, газовых и водяных скважин для повышения их производительности.

Известен скважинный излучатель по патенту РФ №2047280, МПК 5 H 04 R 1/44, 20.04.94 г. Этот скважинный излучатель содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральной шпилькой. Активные модули размещены по оси жесткого герметичного металлического цилиндрического корпуса, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, заполненного электроизоляционной жидкостью. Каждый активный модуль представляет собой пьезопакет, состоящий из пьезокерамических шайб, токопроводящих металлических пластин и центрального отражателя в виде массивной шайбы. Пьезопакет механически сжат центральной шпилькой. Центральный отражатель каждого модуля с помощью металлических крепежных штифтов прикреплен, например сваркой, к герметизирующему металлическому корпусу излучателя. Такая конструкция обеспечивает центральную симметрию колебаний относительно середины длины модуля и жесткую фиксацию модулей в корпусе относительно друг друга. В корпусе в области промежутков между торцами активных модулей выполнены звукопрозрачные окна. Эти окна защищены от внешней среды каким-либо полимером, например резиной. Для компенсации термического расширения жидкости и наружного гидростатического давления металлический корпус снабжен компенсатором.

Недостатком такой конструкции является неэффективное использование электромеханического преобразования, что вызвано отсутствием пьезоактивного материала в центральной части каждого модуля, обусловленное конструкцией крепления. Другим недостатком такой конструкции является крайне низкая ремонтопригодность прибора в случае замены одного или нескольких модулей.

Известен также акустический скважинный излучатель по патенту РФ №2169383, МПК 7 H 04 R 1/44, 20.06.01 г. Данный акустический скважинный излучатель содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями. Торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем.

Недостатком такого акустического скважинного излучателя является наличие на его излучающей поверхности участков, совершающих противофазные колебания, что уменьшает эффективность излучения в радиальном направлении. Таковыми являются участки, противолежащие боковой поверхности пьезопакетов, и промежутки между модулями. Кроме того, при достаточно большой высоте скважинного излучателя его излучение становится направленным в вертикальной плоскости, что приводит к уменьшению объема рабочей среды, облучаемой излучателем, и уменьшению эффективности его воздействия на рабочую среду. Для увеличения объема озвученной среды такой излучатель нужно перемещать в вертикальном направлении, что связано с дополнительными затратами времени, а в ряде случаев ведет к снижению эффективности воздействия.

Задачей изобретения является создание акустического скважинного излучателя такой конструкции, которая обеспечила бы повышение эффективности его работы и увеличение озвученного объема рабочей среды без увеличения мощности излучения.

В 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, в последний введены 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, первые N входов-выходов которого соединены с электрическими входами-выходами N-пьезопакетов, а второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N-позиционного 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.

В заявленном акустическом скважинном излучателе общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками;

- активные модули размещены по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса;

- корпус заполнен электроизоляционной жидкостью;

- корпус звукопрозрачный 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;

- гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями;

- источник питания, электрически соединенный с излучателем.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного акустического скважинного излучателя и прототипа показывает, что первый, в отличие от прототипа, имеет следующие отличительные признаки:

- в излучатель введены 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;

- усилитель мощности снабжен N-позиционным коммутатором, первые N входов-выходов которого соединены с электрическими входами-выходами N-пьезопакетов, а второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N-позиционного коммутатора, причем N позициям коммутатора соответствуют N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках жесткого герметичного цилиндрического корпуса;

- расстояние между центрами звукопрозрачных промежутков равно (0.8-0.85)λ.

Наличие N-позиционного коммутатора и усилителя мощности с симметричным выходом позволяет реализовать N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках на поверхности жесткого герметичного цилиндрического корпуса, сформировать N различных типов характеристик направленности в вертикальной плоскости и резко увеличить облучаемый объем рабочей среды, повысив тем самым эффективность воздействия мощного звука на контролируемый объем рабочей среды. В качестве законов фазовой манипуляции использованы распределения, реализуемые функциями Уолша до (N+1) порядка включительно, которые образуют полный набор линейно независимых функций или мультиполей (монополь, диполь, квадруполь и т.д.).

При выборе расстояния между звукопрозрачными промежутками равным длине волны акустического излучения в окружающем пространстве и при синфазном возбуждении пьезопакетов на характеристике направленности формируются три основных лепестка, соответствующие радиальному и осевому направлениям. При несинфазном возбуждении пьезопакетов, например дипольном, квадрупольном и т.д., формируются более сложные характеристики направленности, образующие в совокупности веер характеристик направленности в вертикальной плоскости, равномерно перекрывающий весь облучаемый объем рабочей среды без увеличения излучаемой акустической мощности.

При выборе расстояния между звукопрозрачными промежутками равным (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, а вид характеристик направленности в совокупности изменится незначительно.

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.

Таким образом, данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков заявленного акустического скважинного излучателя позволила:

- повысить эффективности работы излучателя;

- увеличить озвученный объем рабочей среды без увеличения мощности излучения.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решить поставленную задачу.

Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем, т.е. оно явным образом не следует из уровня техники, и пригодно для использования.

Заявленный акустический скважинный излучатель поясняется чертежами, где: на фиг.1 приведена схематическая конструкция акустического скважинного излучателя, на фиг.2 - фрагмент излучателя с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном, на фиг.3 - схема электрического соединения пьезопакетов и усилителя мощности, на фиг.4 приведена матрица коэффициентов A_nm для шестиэлементного акустического излучателя (n - номер пьезопакета, m - номер позиции N-позиционного коммутатора).

Акустический скважинный излучатель содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов 1. Каждый активный модуль состоит из одинаковых пьезокерамических шайб 2, склеенных через металлические электроды 3. На торцах активной части модуля имеются металлические излучающие накладки 4. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической стягивающей армирующей шпилькой 5, повышающей его механическую прочность. Шпилька размещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули соосно размещены в металлическом корпусе 6, имеющем звукопрозрачные окна 7. Модули акустически развязаны от корпуса с помощью резиновых развязок 8, а с помощью гибких колец 9, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе 6, они образуют механически связанную цепочку. Металлические электроды каждого активного модуля электрически соединены между собой проводами 10. Первое и последнее гибкие кольца механически соединены с крышками корпуса 11. Корпус 6 герметизирован резиновыми заглушками 12, заполнен электроизоляционной жидкостью 13 и снабжен компенсатором 14. Компенсатор механически защищен колпаком 15. Между боковой поверхностью каждого пьезопакета и внутренней поверхностью корпуса 6 размещены акустически мягкие цилиндрические экраны 16, изготовленные, например, из жесткого пенопласта.

Схема электрического соединения отдельных пьезомодулей поясняется фиг.3. Электрические входы-выходы N-пьезопакетов поступают на первые входы-выходы N-позиционного коммутатора 17, а второй вход N-позиционного коммутатора, выполненный симметричным, соединен с симметричным выходом усилителя мощности 18.

Акустический скважинный излучатель работает следующим образом.

Излучатель, соединенный многожильным кабелем с источником питания через N-позиционный коммутатор 17, погружают примерно в середину объема рабочей среды, подлежащей воздействию мощным звуком. С помощью N-позиционного коммутатора 17 устанавливается тип фазовой манипуляции напряжения, подаваемого на пьезопакеты 1, и порядок их переключения. В качестве примера на фиг.4 приведена матрица коэффициентов A_nm для шестиэлементного акустического излучателя (n - номер пьезопакета, m - номер позиции N-позиционного коммутатора). При подаче на излучатель электрического напряжения звуковой частоты пьезопакеты 1 механически возбуждают объем электроизоляционной жидкости, находящейся между торцами соседних модулей, и через звукопрозрачные окна 7 акустическая энергия излучается в окружающую среду в основном в направлении максимумов характеристики направленности, соответствующей определенной позиции N-позиционного коммутатора 17. При переключении коммутатора 17 формируется веер лучей, озвучивающих весь объем рабочей среды без увеличения излучаемой акустической мощности. Генерируемые излучателем мощные акустические колебания воздействуют на окружающий грунт призабойного слоя нефтеносного пласта, улучшая его продуктивные свойства. При большой толщине пласта акустическая обработка производится при одном уровне погружения излучателя, но при всех возможных положениях коммутатора 17. Для любого положения коммутатора 17 излучение боковой поверхностью пьезопакета, которое является противофазным по отношению к излучению через звукопрозрачное окно 7, экранировано акустически мягкими цилиндрическими экранами 16, что повышает эффективность излучения при любом положении N-позиционного коммутатора 17.

В процессе проведения натурных испытаний акустического скважинного излучателя было установлено, что излучатель может использоваться и для отпугивания морских хищников от орудий лова промысловой рыбы во время их выборки. Быстрая коммутация пьезопакетов без изменения глубины погружения излучателя позволяет озвучивать большой объем водной среды мощным излучением, увеличивая тем самым эффективность его воздействия на морских хищников, что ведет к увеличению продуктивности лова промысловой рыбы.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2047280, МПК 5 H 04 R 1/44, 20.04.94 г., "Скважинный излучатель".

2. Патент Российской Федерации №2169383, МПК 7 H 04 R 1/44, 20.06.01 г., "Акустический скважинный излучатель" - прототип.

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, отличающийся тем, что в излучатель введены 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, первые N входов-выходов которого соединены с электрическими входами-выходами N-пьезопакетов, а второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N-позиционного 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.