Скважинный акустический излучатель
Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для интенсификации притока нефти или других текучих жидкостей к добывающей скважине. Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритного радиального размера скважинного акустического излучателя до размеров, обеспечивающих прохождение через колонну насосно-компрессорных труб при сохранении высокой излучающей мощности. Для этого скважинный акустический излучатель включает заполненный электроизоляционной жидкостью герметичный корпус, выполненный в виде звукопрозрачной металлической оболочки с торцевыми фланцами, сборку из пьезокерамических секционированных колец, расположенных соосно внутри корпуса, разделенных установочными шайбами из электроизоляционного материала и упруго поджатых посредством установочных шайб к торцевым фланцам. Корпус излучателя снабжен защитным металлическим перфорированным кожухом цилиндрической формы, закрепленным на торцевых фланцах. При этом установочные шайбы снабжены резиновой облицовкой, выполненной с отбортовками на торцах шайб со стороны наружной поверхности пьезокерамических колец. На цилиндрической поверхности отбортовок выполнены локальные выступы, упруго поджатые к внутренней поверхности звукопрозрачной оболочки. Максимальный эффект достигается, если звукопрозрачная оболочка выполнена из титанового сплава ВТ 1-0 и отношение ее радиуса к толщине будет равно 14-16. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области технической акустики и может быть использовано для интенсификации притока нефти или других текучих жидкостей к добывающей скважине.
Скважинные акустические излучатели должны излучать большую акустическую мощность и иметь радиальный размер, обусловленный размером скважины. Для облучения продуктивных пластов очень важно иметь излучатель, способный проходить через колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), диаметр которых равен 2,5". Для этого диаметр излучателя не должен превышать 42 мм.
Известны скважинные излучатели с габаритным диаметром 42 мм, изготовленные на основе стержневых пьезокерамических модулей, совершающих продольные колебания вдоль оси скважины (патент RU 2200333, 2003 г). Основным недостатком стержневых скважинных излучателей является малая излучаемая мощность.
Существенно большую акустическую мощность при тех же габаритах могут излучать цилиндрические излучатели, работающие на пульсирующих колебаниях.
Известен акустический излучатель, изготовленный из сплошных пьезокерамических колец, собранных в столб, стянутый центральной шпилькой. Столб заключен в цилиндрический металлический корпус (О.Л.Кузнецов, С.А.Ефимова, Применение ультразвука в нефтяной промышленности. М.: Недра, 1983 г., стр.99).
В известном излучателе возможны значительные потери за счет отражения акустической энергии от стенок корпуса. Кроме того, здесь применены сплошные пьезокерамические кольца, коэффициент электромеханического преобразования в которых в два раза ниже (мощность соответственно в четыре раза ниже), чем у аналогичных пьезокерамических секционированных колец, изготовленных из отдельных призматических пьезоэлементов.
В последних разработках скважинных излучателей применялись только секционированные пьезокерамические кольца. Одна из разработок является наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной конструкции. Это скважинный акустический цилиндрический излучатель, содержащий сборку из пьезокерамических секционированных колец, разделенных резинометаллическими или резинопластмассовыми электроизоляционными установочными прокладками - шайбами, имеющими отбортовки с торцов; при этом сборка по боковой цилиндрической поверхности герметизирована звукопрозрачной оболочкой, заполненной электроизоляционной жидкостью. Сборка из пьезокерамических колец стянута центральным металлическим стержнем, прикрепленным с торцов к двум металлическим фланцам, к боковым поверхностям которых герметично крепится оболочка. Снаружи оболочка защищена перфорированным металлическим кожухом. (Полезная модель №762, 1994 г).
В указанном типе конструкций центральный металлический стержень является главным несущим элементом всей конструкции излучателя, обеспечивая ее механическую прочность (в том числе и при транспортировке) и акустическую работоспособность (синфазность колебаний пьезокерамических колец в столбе). Все металлические элементы конструкции скважинных излучателей из-за химической агрессивности среды выполняются либо из нержавеющей стали, либо из титанового сплава ВТ1-0. Обычно длина акустической части прибора не превышает одного метра. Излучатели, изготовленные на основе секционированных пьезокерамических колец, обычно имеют диаметр не менее 50-60 мм. Однако для облучения продуктивных пластов, как уже отмечалось, наружный диаметр скважинного акустического излучателя не должен превышать 42 мм, а наружный диаметр пьезокерамических секционированных колец, с учетом герметизирующих и защитных оболочек, должен быть не более 30 мм. При этом внутреннее отверстие в кольцах с учетом выступающих внутрь кольца электродов становится не более 10 мм. Если в такое отверстие пропустить центральный стержень, то для электромонтажных соединений колец места внутри столба не останется. Кроме того, центральный стержень из-за малого диаметра потеряет функции несущего элемента конструкции и не сможет обеспечить ее прочность при транспортировочных перегрузках.
Таким образом, основным недостатком конструкции известного скважинного акустического излучателя является невозможность уменьшения его габаритного радиального размера.
Техническим результатом от использования предложенного изобретения является возможность уменьшения габаритного радиального размера скважинного акустического излучателя до размеров, обеспечивающих прохождение через колонну НКТ при сохранении высокой излучающей мощности.
Для достижения указанного технического результата в скважинном акустическом излучателе, включающем заполненный электроизоляционной жидкостью герметичный корпус, выполненный в виде звукопрозрачной металлической оболочки с торцевыми фланцами, сборку из пьезокерамических секционированных колец, расположенных соосно внутри корпуса, разделенных установочными шайбами из электроизоляционного материала и упруго поджатых посредством установочных шайб к торцевым фланцам, корпус снабжен защитным металлическим перфорированным кожухом цилиндрической формы, закрепленным на торцевых фланцах. При этом установочные шайбы снабжены резиновой облицовкой, выполненной с отбортовками на торцах шайб со стороны наружной поверхности пьезокерамических колец, а на цилиндрической поверхности отбортовок выполнены локальные выступы, упруго поджатые к внутренней поверхности звукопрозрачной оболочки.
Максимальный эффект достигается, если звукопрозрачная оболочка выполнена из титанового сплава ВТ1-0 и отношение ее радиуса к толщине будет равно 14-16.
Достижение указанного технического результата в предложенном скважинном акустическом излучателе обеспечивается тем, что функции несущего элемента конструкции выполняет звукопрозрачная оболочка, выполненная из металла. Для реализации этой идеи необходимо, чтобы поверхность отбортовок облицовки установочных шайб упруго опиралась на внутреннюю поверхность звукопрозрачной оболочки, выполненной из металла. Для этого на цилиндрической поверхности отбортовок выполнены локальные выступы, упруго поджатые к внутренней поверхности звкуопрозрачной оболочки. При этом звукопрозрачная оболочка должна быть, с одной стороны, достаточно жесткой и прочной, а с другой, - она должна быть достаточно звукопрозрачной. Расчеты показывают, что если оболочка выполнена из титанового сплава и отстоит от поверхности пьезокерамических колец не менее чем на 2-2,5 мм, то ее собственная резонансная частота близка собственной резонансной частоте пьезокерамических колец. При этих условиях достигается звуко-прозрачность по давлению более 0,9 в полосе частот ±10% от резонанса, а отношение радиуса оболочки к ее толщине можно снизить до 14-16. При такой относительной толщине прочность корпуса обеспечит безопасность прибора при транспортных перегрузках 7g с коэффициентом запаса не менее 5 при длине акустической части излучателя до 1 метра.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на Фиг. 1 представлен скважинный акустический излучатель, на Фиг. 2 - вид А на Фиг.1. Излучатель содержит сборку 1 соосно расположенных секционированных пьезокерамических колец. Пьезокерамические кольца склеены из призматических пьезоэлементов, предварительно заполяризованных в тангенциальном направлении по отношению к окружности кольца. Между пьезоэлементами вклеены пластинчатые электроды (на чертеже не показаны) с выводами внутрь кольца. Все пьезоэлементы в кольце соединены электрически параллельно, а кольца соединены между собой также параллельно или параллельно - последовательно. Часть пространства внутри кольца, занимаемая монтажом, залита электроизоляционным компаундом 2 на толщину порядка 5 мм. Длина сборки секционированных пьезокерамических колец обычно составляет около 1 м. Между торцами секционированных пьезокерамических колец вставлены установочные шайбы 3 из жесткого материала, облицованного резиноподобным электроизоляционным материалом. Вся сборка опирается на металлический торцевой фланец 4. На наружной поверхности фланца 4 крепится компенсатор давления 5 сильфонного типа. В центре фланца 4 имеется отверстие для сообщения с внутренним объемом сборки 1. На внутренней поверхности фланца 4 соосно со сборкой 1 установлена цилиндрическая звукопрозрачная металлическая оболочка 6, торцы которой приварены к фланцу 4. Внутренняя поверхность оболочки 6 упруго опирается на аммортизационные выступы 7 на отбортовках 8 установочных шайб. Выступы 7 по окружности отбортовки шайбы носят локальный характер для повышения их податливости, а также для образования каналов, соединяющих внутренний объем пьезокерамического столба с наружным объемом, образуемым оболочкой и наружной боковой поверхностью пьезокерамических колец. С другого торца оболочка 6 жестко присоединена с помощью сварки к фланцу 9. При этом длина оболочки выбрана так, что после приваривания фланца последний должен слегка сжимать пьезокерамический столб в осевом направлении. Снаружи оболочки, на минимальном расстоянии от нее, установлен перфорированный цилиндрический защитный металлический кожух 10, торцы которого также приварены к фланцам 4 и 9. Электрические выводы от пьезокерамического столба припаяны к штырькам герметичного ввода 11, установленного в центре верхнего фланца. Внутренний объем излучателя заполнен электроизоляционной жидкостью 12. В рассмотренной конструкции наружный диаметр скважинного акустического излучателя составляет 42 мм, пьезокерамические секционированные кольца имеют наружный диаметр 30 мм и толщину 5 мм, оболочка 6 выполнена из титанового сплава ВТ1-0. Оптимальное отношение ее радиуса к толщине равно 15.
Скважинный акустический излучатель, соединенный электрическим кабелем с источником питания, погружают в скважину. Глубина погружения соответствует глубине залегания нефтеносных пластов. Малый диаметр излучателя позволяет использовать его на действующих скважинах, не поднимая из них колонну НКТ. Тем более возможно применение излучателя в скважинах, на которых в данное время добыча не ведется, например, на скважинах, находящихся в капитальном ремонте. По достижении необходимой глубины на излучатель подается необходимое напряжение импульсами с гармоническим синусоидальным заполнением с длительностью от нескольких десятых до нескольких сотых секунды. Вследствие пьезоэффекта, пьезокерамические кольца совершают механические колебания пульсирующей формы с той же частотой, что и подаваемое на них электрическое напряжение. Эти колебания через электроизоляционную жидкость и звукопрозрачную оболочку скважинного акустического излучателя передаются в жидкость, заполняющую скважину, и далее в пласт, вызывая в нем процессы, интенсифицирующие приток нефти к скважине. Излучатель вследствие использования секционированных пьезокерамических колец позволяет излучать акустическую мощность до 2500 Вт, что, как показали расчеты, в 4 раза больше, чем акустическая мощность, которую может излучить стержневой акустический скважинный излучатель тех же габаритов. При большой толщине пласта обработка ультразвуком проводится на нескольких уровнях, расстояние между которыми примерно равно длине акустической части излучателя.
На основании изложенного можно считать, что заявленный технический результат изобретения достигнут.
1. Скважинный акустический излучатель, включающий заполненный электроизоляционной жидкостью герметичный корпус, выполненный в виде звукопрозрачной металлической оболочки с торцевыми фланцами, сборку из пьезокерамических секционированных колец, расположенных соосно внутри корпуса, разделенных установочными шайбами из электроизоляционного материала и упруго поджатых посредством установочных шайб к торцевым фланцам, причем корпус снабжен защитным металлическим перфорированным кожухом цилиндрической формы, закрепленным на торцевых фланцах, а установочные шайбы снабжены резиновой облицовкой, выполненной с отбортовками на торцах шайб со стороны наружной поверхности пьезокерамических колец, при этом на цилиндрической поверхности отбортовок выполнены локальные выступы, упруго поджатые к внутренней поверхности звукопрозрачной оболочки.
2. Скважинный излучатель по п.1, отличающийся тем, что звукопрозрачная оболочка выполнена из титанового сплава и отношение ее радиуса к толщине равно 14-16.
