скважинный акустический излучатель

Формула изобретения

1. Скважинный акустический излучатель, содержащий набор соосно расположенных пьезокерамических преобразователей, соединенных между собой через установочные детали и скрепленных центрирующим стержнем, герметизирующий эластичный кожух с двумя торцевыми крышками, заполненный электроизоляционной жидкостью, причем каждый пьезокерамический преобразователь имеет форму правильной прямой многогранной призмы, грани которой выполнены в виде пьезокерамических пластин, а соединение пьезокерамических пластин с установочными деталями выполнено с возможностью осуществления пьезокерамическими пластинами упругих поперечных колебаний, при этом внутренние объемы пьезокерамических преобразователей и объем, образованный их наружной поверхностью и эластичным кожухом, имеют гидродинамическую связь.

2. Скважинный акустический излучатель по п.1, отличающийся тем, что соединение пьезокерамических пластин с установочными деталями выполнено по типу “ласточкин хвост”.

3. Скважинный акустический излучатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что пьезокерамические пластины набраны по высоте из призматических пьезокерамических элементов прямоугольного поперечного сечения.

Описание изобретения к патенту

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

В настоящее время акустическое воздействие на продуктивные пласты из скважин производится в диапазоне частот от единиц герц до десятков килогерц. При этом практически освоен нижний диапазон частот до одного килогерца и верхний, начиная с десяти килогерц и выше. Для воздействия в нижнем диапазоне частот известен целый ряд приборов, в основном, гидродинамического воздействия, создающих амплитуду давлений до 2 МПа и дающих положительный эффект увеличения дебита скважины (В.П.Дыбленко, Р.Н.Камалов, Р.Я.Шарифуллин, И.А.Туфанов "Повышение продуктивности и реанимация скважин", М. Недра, 2000 г, стр.197-198). Недостаток гидродинамических излучателей состоит в том, что на более высокие частоты разработка их весьма затруднительна из-за самих физических принципов их работы. Кроме того, срок службы таких излучателей не превышает нескольких сотен часов.

Известен эффективный пьезокерамический излучатель, использующий принцип резонансных колебаний в пьезокерамических кольцах и стержнях, работающий на частотах более 10 килогерц (RU №2047280, 1994 г). По сравнению с гидродинамическими излучателями он развивает меньшее давление на своей поверхности.

Кроме того, крупным преимуществом пьезокерамических излучателей по сравнению с гидродинамическими является их высокая надежность (более 95%) и большой ресурс активной работы (более 2000 часов).

Однако использовать известное конструктивное решение для работы на частотах 1-10 кГц неэффективно, поскольку резонансный диаметр цилиндрического излучателя составит при этом более 150 мм, что превышает габаритные размеры скважины, а резонансная длина одного стержневого модуля - более 200 мм, что не обеспечивает сплошного облучения по толщине продуктивного пласта. При работе на частотах ниже резонанса пьезокерамических колец и стержней их механическое сопротивление существенно увеличивается. При этом акустическая мощность и коэффициент полезного действия снижаются в несколько раз.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является скважинный акустический излучатель в виде набранных в столб пьезокерамических колец, соединенных электрически параллельно. Кольца установлены на специальных разделительных втулках, нанизанных на центральный металлический стержень, являющийся каркасом излучателя. С торцов излучатель закрыт металлическими крышками. Само пьезокерамическое кольцо склеено из призматических пьезоэлементов, на боковые грани которых нанесены электроды методом вжигания серебра, при этом пьезоэлементы предварительно заполяризованы в направлении, перпендикулярном граням с электродами. Пьезоэлементы в кольце электрически соединены параллельно, т.е. во всех пьезоэлементах вектор поляризации параллелен направлению приложенного электрического поля. В результате, под действием переменного электрического напряжения, подведенного к электродам пьезоэлементов, кольца совершают пульсирующие колебания. Для герметизации от внешней среды боковая поверхность излучателя закрыта резиновым чехлом, герметично скрепленным с торцовыми крышками. Внутренний объем заполнен электроизоляционной жидкостью. Наружная поверхность чехла защищена от механических повреждений перфорированным металлическим кожухом. Собственно излучатель механически соединен с другими функциональными блоками, образующими в целом скважинный прибор для акустического излучения, который через геофизический грузонесущий электрический кабель соединен с наземной аппаратурой питания и управления (Полезная модель РФ №762, 1994 г).

Основным недостатком известного излучателя является его малая эффективность при работе в диапазоне средних частот 1-10 кГц. Это объясняется тем, что существующие диаметры скважин не позволяют использовать цилиндрические излучатели на их резонансных частотах, поскольку резонансный размер излучателя оказывается больше размера скважины. Работа же излучателя вне резонанса малоэффективна.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание скважинного акустического излучателя, эффективно работающего в диапазоне средних частот (1-10 кГц), т.е. имеющего частоту механического резонанса в этом диапазоне частот.

Техническим результатом является снижение резонансной частоты скважинного акустического излучателя без увеличения его размеров и обеспечение его высокой эффективности.

Технический результат достигается за счет того, что скважинный акустический излучатель содержит набор соосно расположенных пьезокерамических преобразователей, соединенных между собой через установочные детали и скрепленных центрирующим стержнем, герметизирующий эластичный кожух с двумя торцовыми крышками, заполненный электроизоляционной жидкостью. Каждый пьезокерамический преобразователь имеет форму правильной прямой многогранной призмы, грани которой выполнены в виде пьезокерамических пластин. Соединение пьезокерамических пластин с установочными деталями выполнено с возможностью осуществления пьезокерамическими пластинами упругих поперечных колебаний. Внутренние объемы пьезокерамических преобразователей и объем, образованный их наружной поверхностью и эластичным кожухом, имеют гидродинамическую связь.

В предпочтительном варианте исполнения соединение пьезокерамических пластин с установочными деталями выполнено по типу "ласточкин хвост".

Пьезокерамические пластины набраны по высоте из призматических пьезокерамических элементов прямоугольного поперечного сечения.

Варьируя длиной пьезокерамических пластин и их толщиной, можно добиться требуемой частоты механического резонанса, поскольку длина и ширина пластины связаны для опертой по двум противоположным краям пластины следующим соотношением (Справочник "Прочность, устойчивость, колебания", под общей редакцией И.А.Биргера и Я.Г.Поновко, т.3, М., 1968):

где _p - резонансная частота пластины - Гц;

с _пл - скорость продольных волн в пластине - м/с;

h _пл - толщина пластины - м;

_пл - длина пластины (расстояние между опертыми краями) - м.

Этот технический результат недостижим для цилиндрических и стержневых преобразователей, поскольку для первых резонансная частота определяется их диаметром, а для вторых - длиной.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где:

на Фиг.1 схематично изображена конструкция скважинного акустического излучателя,

Фиг.2 - разрез по Б-Б Фиг.1,

Фиг.3 - конструкция уплотнительной пластины,

Фиг.4 - конструкция установочной детали,

Фиг.5 - разрез по В-В Фиг.4,

Фиг.6 - пример выполнения пьезокерамической пластины из пьезокерамических призм,

Фиг.7 - вид сбоку на Фиг.6,

Фиг.8 - пьезокерамическая призма.

В целом акустический скважинный излучатель представляет собой следующую конструкцию (Фиг.1). Скважинный акустический излучатель включает пьезокерамические преобразователи 1, каждый из которых представляет собой правильную прямую четырехгранную призму. Грани призмы выполнены в виде прямоугольных пьезокерамических пластин 2. Короткие края пластин 2 вставлены в пазы установочных деталей 3, размещенных между преобразователями 1, а у крайних преобразователей края пластин, обращенные к торцам излучателя, вставлены в пазы установочных деталей 3, совмещенных с торцовыми крышками 4 и 5. Установочные детали 3 у торцов скважинного акустического преобразователя могут быть выполнены и не совмещенными с торцовыми крышками. В пазах края всех пьезокерамических пластин 2 зафиксированы клеем. Установочные детали 3 и крышки 4 и 5 выполнены в виде металлических дисков. Установочные детали 3 и диск 4 имеют центральные отверстия, через которые проходит центрирующий стержень 6. Детали 3 зафиксированы на стержне 6. Конструкция установочной детали 3 с центральным и дополнительными отверстиями для прохода проводов и пазами 7 для фиксации пьезокерамических пластин показана на Фиг.4-5.

Пьезокерамические пластины 2 установлены так, что между их внутренними вертикальными ребрами имеются зазоры ~2 мм. В эти зазоры плотно вставлены уплотнительные пластины 8 из полимерного материала. Ряд каналов 9 в пластинах 8 обеспечивает гидродинамическую связь между внутренним объемом пьезокерамических преобразователей 1, образованным пьезокерамическими пластинами 2 и наружным объемом, образованным наружной поверхностью пьезокерамических пластин 2 и герметизирующим эластичным кожухом 10.

Вся конструкция стянута гайкой, навинченной на центрирующий стержень 6 с внешней стороны торцевой крышки 4. Гайка установлена с фиксатором от самоотвинчивания.

Эластичный звукопрозрачный кожух 10 выполнен из резины или другого полимерного материала. Кожух образует цилиндрическую поверхность, края кожуха герметично соединены с боковыми поверхностями торцовых крышек 4 и 5 помощью клея и силовых бандажей.

Электрический монтаж выполнен следующим образом. Все выводы от пьезокерамических пластин в каждом пьезокерамическом преобразователе 1 соединены электрически параллельно. Провода от каждого преобразователя 1 выходят через отверстия в установочных деталях. Преобразователи 1 соединены между собой либо параллельно, либо параллельно-последовательно в зависимости от требуемого импеданса излучателя.

Пьезокерамические пластины, совершающие при работе излучателя колебания изгиба конструктивно могут быть выполнены различными известными способами. Ниже описан один из них.

Пьезокерамическая пластина 2 (Фиг.6, 7) склеена из отдельных пьезокерамических призм 11 прямоугольного сечения (Фиг.8). Электропроводящие грани соседних призм, перпендикулярные излучающей поверхности пластины, склеены друг с другом через токопроводящие металлические тонкие пластины-электроды. К конечным пьезоэлементам пластины приклеены фигурные металлические призмы 12, имеющие на конечных боковых гранях шейку и крепление типа “ласточкин хвост”. Ответную форму имеют, соответственно, пазы 7 в установочных деталях 3. Для обеспечения механической прочности пьезокерамической пластины при колебаниях она стянута с усилием по длине пластины рядом жгутов 13 из высокопрочных, обычно полимерных нитей, пропитанных связующим. Жгуты 13 расположены на поверхностях пластины и проходят через пазы в оконечных металлических призмах 12. Возбуждение изгибных колебаний пластины достигается тем, что токопроводящие поверхности 14 пьезокерамических призм 11 (Фиг.8), предварительно поляризованных перпендикулярно этим поверхностям, разделены изоляционной канавкой 15 вдоль длины пьезокерамической призмы 11 (ширины пластины 2), и векторы поляризации на каждой из образованных таким образом половин пьезокерамической призмы взаимно противоположны по направлениям. Все электроды в пластине соединены электрически параллельно, и пластина, таким образом, имеет два вывода.

Работа скважинного акустического излучателя осуществляется следующим образом: скважинный акустический излучатель в составе скважинного прибора опускают в нефтяную скважину на уровень продуктивного пласта на геофизическом кабеле типа КГ-3. По двум жилам кабеля через кабельный наконечник на вход излучателя подают от наземного генератора зондирующий сигнал. Электрическое напряжение через вклеенные между пьезокерамическими призмами 11 токопроводящие металлические пластины попадает на их электропроводящие грани. Направление векторов поляризации по толщине пьезокерамической призмы выбрано таким образом, что наружная часть призмы 11 (до середины ее толщины) в силу пьезоэффекта расширяется, а внутренняя - сжимается. В результате происходит изгиб пьезокерамических призм 11, и в целом всех пластин 2, например во внешнюю сторону. При смене знака напряжения все произойдет наоборот. Так как края пластины закреплены неподвижно в пазах установочных деталей 3 (или крышек 4 и 5), за счет описанной конструкции концевых металлических призм пластины будут совершать колебания изгиба, приближающиеся по форме к колебаниям шарнирно опертых пластин. Все пластины в излучателе включены синфазно, поэтому все пластины изогнутся в одну сторону, например во внешнюю. При смене фазы напряжения произойдет прогиб во внутреннюю сторону - к центру излучателя. В целом возникшие в скважинном пространстве, заполненном жидкостью, колебания будут близки к тем, какие создает излучатель, набранный из соосно расположенных пульсирующих колец.

Частота питающего гармонического электрического напряжения подбирается близкой к частоте механического резонанса пьезокерамических пластин.

Акустическое воздействие в частотном диапазоне 1-10 кГц на продуктивный нефтяной пласт позволяет возбудить заметные колебания в нем на расстоянии в несколько десятков метров от скважины, тогда как акустическое воздействие высокими частотами не проникает на расстояние более 1 метра от скважины. Это обстоятельство позволяет получить при работе в среднечастотном диапазоне дополнительный продуктивный эффект.