Скважинный акустический излучатель

 

Изобретение относится к устройствам для акустического воздействия на продуктивные пласты, в том числе для интенсификации добычи нефти, воды и других текучих сред из скважин. Точная непрерывная настройка пьезокерамических преобразователей в процессе работы на максимально развиваемое акустическое давление, повышение удобства обслуживания излучателя при его эксплуатации достигаются за счет того, что излучатель содержит пьезопреобразователи и втулки между ними, закрепленные на центральном стержне, верхнюю и нижнюю головки, эластичный кожух, заполненный компенсационной жидкостью, герметичный токоввод и контактное устройство под кабельный наконечник, установленные в верхней головке. Излучатель снабжен блоком обработки сигналов, блок состоит из сумматора и преобразователя сигналов, и связан через герметичный токоввод, контактное устройство и одножильный грузонесущий геофизический кабель с наземной аппаратурой. Пьезопреобразователи выполнены из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб, при этом по крайней мере две пьезокерамические шайбы исполнены с возможностью выполнения ими функции датчика давления, связанного электрически с блоком обработки сигналов. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к устройствам для акустического воздействия на продуктивные пласты, в том числе для интенсификации добычи нефти, воды и других текучих сред из скважин.

Известны акустические излучатели [1,2] состоящие из вибраторов, вала, корпуса и токовводящего устройства. Недостатком данных излучателей является отсутствие оперативной корректировки параметров при работе.

Известен акустический излучатель [3], состоящий из вибраторов, разнесенных промежуточными втулками, расположенными на валу, корпус, заполненный контактной жидкостью, герметичный токоввод и контактное устройство, установленное в верхней головке. Недостатком данного устройства является отсутствие оперативной корректировки режимов акустического воздействия на пласт.

Также известен, принятый за прототип акустический излучатель [4], содержащий пьезопреобразователи и втулки между ними, закрепленные на центральном стержне, верхнюю и нижнюю головки, эластичный кожух, заполненный компенсационной жидкостью, герметичный токоввод и контактное устройство под кабельный наконечник, установленные в верхней головке.

Недостатками этого излучателя являются: отсутствие в процессе работы излучателя оперативной корректировки режимов акустического воздействия на пласт, сложность технического обслуживания, возможный прихват излучателя в скважине за счет раздутия эластичного корпуса при подъеме из скважины с высоким газовым фактором.

Задача.

Технической задачей изобретения является осуществление точной непрерывной настройки пьезокерамических преобразователей в процессе работы, используемых в качестве вибраторов, на максимально развиваемое акустическое давление, а также повышение удобства обслуживания излучателя при его эксплуатации.

Отличительные признаки.

Для решения поставленной технической задачи, в отличие от известного акустического излучателя, излучатель снабжен блоком обработки сигналов, блок состоит из сумматора и преобразователя сигналов, и связан через герметичный токоввод, контактное устройство и одножильный грузонесущий геофизический кабель с наземной аппаратурой, пьезопреобразователи выполнены из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб, при этом по крайней мере две пьезокерамические шайбы исполнены с возможностью выполнения ими функции датчика давления, связаны электрически с блоком обработки сигналов, и выполнены с сегментами, электрически изолированными от остальной поверхности шайбы, площадь сегментов составляет 5-25% от общей площади поверхности шайбы. Каждый пьезопреобразователь снабжен индивидуальным армирующим устройством, позволяющим изготавливать пьезопреобразователи практически с одинаковой резонансной частотой и высокой добротностью, что приводит к повышению КПД излучателя в целом за счет сбалансированности параметров установленных в него пьезопреобразователей. В верхней части излучателя установлен предохранительный клапан, настроенный на заранее определенное значение перепада давления внутри и снаружи излучателя. При извлечении излучателя из скважины происходит сброс избыточного давления, образующегося во внутренней полости излучателя при его подъеме за счет выделения из компенсационной жидкости проникшего через эластичный кожух и растворившегося в ней скважинного газа, что предотвращает раздутие эластичного кожуха и за счет этого прихват излучателя в стволе скважины. Введение быстроразборных узлов герметизации эластичного кожуха и контровки резьбовых соединений позволяет упростить операции сборки-разборки излучателя и сократить время на его техническое обслуживание. Выполнение клапана для закачки и дозаправки в излучатель компенсационной жидкости самозапирающимся, помимо удобства в обслуживании излучателя, препятствует истечению компенсационной жидкости в окружающую среду при отстыковке излучателя от заправочного устройства.

Перечень чертежей На фиг. 1 представлена конструкция излучателя (разрез) - верхняя и средняя части излучателя, на фиг. 2 - конструкция излучателя (разрез) - средняя и нижняя части излучателя, на фиг. 3 - конструкция пьезопреобразователя, на фиг. 4 - схема соединения пьезокерамических шайб в пьезопреобразователе, на фиг. 5 - блок-схема подключения излучателя к наземной аппаратуре где 1 - пьезопреобразователь, 2 - стержень, 3 - дистанционирующая втулка, 4 - верхняя головка, 5 - нижняя головка, 6 - устройство контровки стержня, 7 - звукопрозрачный эластичный кожух, 8 - резиновое уплотнительное кольцо, 9 - стакан с внутренним конусом, 10 - гайка с цанговым зажимом, 11 - герметичный токоввод, 12 - контактное устройство, 13 - предохранительный клапан, 14 - самозапирающийся клапан, 15 - блок обработки сигналов, 16 - компенсационная жидкость, 17 - защитный колпак, 18 - пьезокерамические шайбы, 19 - пьезокерамические шайбы с электрически изолированными сегментами, 20 - электрически изолированные сегменты шайб, 21 - одножильный грузонесущий геофизический кабель, 22 - блок обратной связи наземной аппаратуры, 23 - задающий генератор, 24 - блок индикации, 25 - трубка, 26 - гайка, 27 - накладка.

Описание изобретения.

Излучатель (фиг. 1 и 2) состоит из нескольких пьезопреобразователей 1, закрепленных на центральном стержне 2 с помощью дистанционирующих втулок 3 на расстоянии друг от друга, равном, например λ /2, где λ - длина волны в компенсационной жидкости при условиях скважинного давления и температуры; верхней 4 и нижней 5 головок с устройством контровки 6 стержня; звукопрозрачного эластичного кожуха 7, закрепленного на головках с помощью быстроразборного узла герметизации, в состав которого входят, например, резиновые уплотнительные кольца 8, стакан 9 с внутренним конусом, взаимодействующий через кожух с конусом на верхней (нижней) головке и накрывающий кожух в районе установки резиновых колец, и гайка с цанговым зажимом для контровки; герметичного токоввода 11 и контактного устройства 12 под геофизический кабельный наконечник, установленных в верхней головке; предохранительного клапана 13, установленного в верхней головке, обеспечивающего дегазацию внутренней полости излучателя при его подъеме из скважины, особенно при повышенном газовом факторе; самозапирающегося клапана 14 для заправки внутренней полости излучателя компенсационной жидкостью 16, установленного в нижней головке; блока обработки сигналов 15, соединенного электрически с пьезопреобразователями; компенсационной диэлектрической жидкости 16, закаченной во внутреннюю полость излучателя, например трансформаторного масла АТМ-65 или другой аналогичной жидкости с высокими электроизоляционными свойствами; колпака 17, закрывающего нижнюю часть излучателя и защищающего ее при спуске в скважину.

Пьезопреобразователи (фиг. 3) состоят из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб 18 и включают по крайней мере две пьезокерамические шайбы 19, исполненные с возможностью выполнения ими функции датчика давления, и выполнены с электрически изолированными от остальной поверхности шайбы сегментами 20 (фиг. 4). Площадь сегментов составляет 5-25% от общей площади поверхности пьезошайбы, что обеспечивает устойчивое выделение информационного сигнала при минимуме снижения акустической мощности шайбы в рабочем режиме. Сегменты электрически связаны с блоком обработки сигналов 15, который через герметичный токоввод 11, контактное устройство 12 и грузонесущий геофизический кабель 21 (фиг. 5) связан с блоком обратной связи 22, находящимся в составе наземной аппаратуры и формирующим управляющий сигнал на задающий генератор 23. Это позволяет оперативно корректировать параметры электрического сигнала на пьезопреобразователи и тем самым максимизировать развиваемое акустическое давление излучателя. Конструкция пьезопреобразователя предусматривает селективный подбор пьезокерамических шайб по частоте резонанса и значению импеданса, что позволяет получить заданный импеданс всей сборки, повышающий КПД пьезопреобразователя. Кроме того, пьезопреобразователи имеют армирующее устройство, состоящее из трубки 25 с резьбой на концах и гаек 26, в целях обеспечения самоустанавливаемости имеющих сферическую поверхность, взаимодействующую с конической поверхностью накладок 27, обеспечивающее регулируемое в процессе сборки продольное сжатие пьезокерамических шайб для настройки на заданную резонансную частоту и повышение добротности пьезокерамики. Введение в состав пьезопреобразователя пьезокерамических шайб, выполняющих функцию датчиков давления, и индивидуального армирующего устройства обеспечивают возможность изготовления пьезопреобразователей с одинаковой резонансной частотой, простоту и удобство при сборке, практически исключает ошибки при электромонтаже излучателя.

Блок обработки сигналов 15 представляет собой радиоэлектронную схему из сумматора и преобразователя сигналов, смонтированную на электроизоляционном шасси вокруг стержня и предназначенную для преобразования сигналов, поступающих с сегментов пьезокерамических шайб, а также для электрической развязки сигнала с датчиков и питающего напряжения на пьезопреобразователи. Блок обработки сигналов позволяет непрерывно передавать информационный сигнал постоянного тока от излучателя на наземную аппаратуру по питающей жиле грузонесущего геофизического кабеля, тем самым для связи излучателя с наземной аппаратурой используется широко распространенный на месторождениях одножильный геофизический кабель, что дополнительно повышает удобство эксплуатации излучателя.

Устройство контровки резьбовых соединений выполнено, например, в виде цангового зажима, обеспечивающего надежное стопорение резьбового соединения стержня с головками в условиях воздействия длительных всечастотных вибраций и возможность многократной сборки-разборки излучателя.

Излучатель (фиг. 1 и 2) работает следующим образом. На излучатель, опущенный в скважину, через одножильный грузонесущий геофизический кабель 21 с наконечником с наземной аппаратуры подается переменное напряжение синусоидальной формы с резонансной частотой пьезопреобразователей излучателя U_Г (фиг. 5). Благодаря пьезоэффекту электрическая энергия преобразуется в пьезопреобразователях 1 в механическую с возникновением продольной акустической волны. За счет установки пьезопреобразователей на расстоянии полуволны в компенсационной жидкости 16, находящейся во внутренней полости излучателя, между пьезопреобразователями, и между головками и пьезопреобразователями происходит поворот акустической энергии в радиальном направлении относительно оси излучателя, что позволяет реализовать дисковую форму характеристики направленности. Под действием давления в изолированных от остальной поверхности пьезокерамических шайб сегментах 20 возникает переменный электрический сигнал _Д, величина которого характеризует работу пьезопреобразователя (в резонансе напряжение максимально). Сигналы с сегментов пьезопреобразователей поступают на сумматор блока обработки сигналов, далее на преобразователь сигналов блока, в котором происходит преобразование в сигнал постоянного тока, и результирующий сигнал U_К по геофизическому кабелю попадает на блок обратной связи 22, находящийся в составе наземной аппаратуры, где происходит формирование управляющего сигнала U_У на задающий генератор 23. В процессе работы излучателя под воздействием различных, не всегда учитываемых заранее факторов (вибрация, внешнее давление, температура и др.), возможна разбалансировка пьезопреобразователей по резонансной частоте, что вызывает перераспределение мощности между пьезопреобразователями и общее понижение акустического давления. При этом величины сигналов с сегментов также уменьшаются. Управляющий сигнал, сформированный в блоке обратной связи, воздействует на задающий генератор в сторону повышения величины результирующего сигнала с датчиков. Введение датчиков давления непосредственно в пьезопреобразователи позволяет непрерывно корректировать параметры (частота, фаза, напряжение и т. п. ) электрического сигнала, подаваемого на пьезопреобразователи с целью получения максимального акустического воздействия излучателя на пласт. Для визуального контроля параметры электрического сигнала поступают на блок индикации 24.

В процессе работы излучателя в скважине через звукопрозрачный эластичный кожух 7, выполненный, например, из полимерной композиции ПБ-2, в компенсационную жидкость 16 проникает и под действием скважинного давления растворяется в ней находящийся в скважине газ, который при подъеме излучателя из скважины за счет явления декомпрессии может вызвать раздутие кожуха, и как следствие этого - прихват излучателя в скважине. Предохранительный клапан 13, установленный в верхней головке излучателя, и выполненный, например, в виде ниппельного или пружинного клапана, срабатывает при превышении расчетного перепада давления и сбрасывает часть газа вместе с частью компенсационной жидкости в скважину, при этом диаметральный размер кожуха не превышает допустимый для данного типоразмера скважины. Для восполнения недостатка компенсационной жидкости в излучателе используется самозапирающийся клапан 14, который помимо упрощения процесса заправки излучателя также препятствует самопроизвольному истечению компенсационной жидкости в окружающую среду при отстыковке излучателя от заправочного устройства.

Промышленное применение.

Скважинный акустический излучатель выполнен на общепромышленных элементах.

Скважинный акустический излучатель прошел промышленное опробование на Ватьеганском месторождении Зап. Сибири в 1999 г.

Источники информации 1. Патент SU N 683810, 05.09.1979 г., МПК B 06 B 1/06, H 04 R 17/00; 2. Патент SU N 1693576, 23.11.1991 г., МПК G 01 V 1/40; 3. Патент SU N 1581389, 30.07.90 г., МПК B 06 B 1/06, 1/08;
4. Патент RU N 2107557, 27.03.1998 г., МПК B 06 B 1/06, 1/08.

Формула изобретения

1. Скважинный акустический излучатель, содержащий пьезопреобразователи и втулки между ними, закрепленные на центральном стержне, верхнюю и нижнюю головки, эластичный кожух, заполненный компенсационной жидкостью, герметичный токоввод и контактное устройство под кабельный наконечник, установленные в верхней головке, отличающийся тем, что излучатель снабжен блоком обработки сигналов, блок состоит из сумматора и преобразователя сигналов и связан через герметичный токоввод, контактное устройство и одножильный грузонесущий геофизический кабель с наземной аппаратурой, пьезопреобразователи выполнены из продольно-поляризованных, электрически соединенных параллельно пьезокерамических шайб, при этом по крайней мере две пьезокерамические шайбы исполнены с возможностью выполнения ими функции датчика давления, связанного электрически с блоком обработки сигналов.

2. Скважинный акустический излучатель по п.1, отличающийся тем, что пьезокерамические шайбы, выполняющие функцию датчика давления, выполнены с сегментами, электрически изолированными от остальной поверхности и составляющими 5 - 25% от площади поверхности шайбы.

3. Скважинный акустический излучатель по п.1, отличающийся тем, что каждый пьезопреобразователь снабжен индивидуальным армирующим устройством.

4. Скважинный акустический излучатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен установленным в верхней головке предохранительным клапаном, а в нижней головке излучатель снабжен самозапирающимся клапаном.

5. Скважинный акустический излучатель по п.1, отличающийся тем, что он имеет быстроразборные узлы герметизации эластичного звукопрозрачного кожуха, в состав которого входят резиновые уплотнительные кольца, стакан с внутренним конусом, накрывающий кожух в районе установки резиновых колец, и гайка с цанговым зажимом для контровки резьбовых соединений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5