корпус акустического каротажного инструмента

Формула изобретения

1. Скважинный акустический инструмент, содержащий акустический источник,

блок акустического приемника, содержащий

центральный шпиндель,

и внешний корпус, конфигурированный для изолирования принимающих элементов и электроники блока акустического приемника от окружающей среды скважины, при этом внешний корпус имеет чередующиеся зоны с высоким и низким акустическим сопротивлением, при этом высокое и низкое акустические сопротивления отличаются, по меньшей мере, в два раза.

2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит один или более акустических приемников, прикрепленных к шпинделю и размещенных во внешнем корпусе.

3. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит масло, размещенное в кольцеобразном зазоре между центральным шпинделем и внешним корпусом, при этом масло имеет акустическое сопротивление, соответствующее скважинному флюиду.

4. Инструмент по п.3, отличающийся тем, что масло находится под давлением, соответствующим давлению скважинной среды.

5. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что чередующиеся зоны содержат полосы, имеющие разное акустическое сопротивление.

6. Инструмент по п.5, отличающийся тем, что полосы содержат раздельные, кольцевые непрерывные полосы.

7. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что чередующиеся зоны содержат множество кольцевых непрерывных, аксиально прерывистых полос.

8. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что высокое и низкое акустические сопротивления различаются в 5 раз.

9. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что высокое и низкое акустические сопротивления различаются в 10 раз.

10. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что каждая зона с низким акустическим сопротивлением аксиально совмещена с одним или более акустическими приемниками.

11. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что каждая зона с низким акустическим сопротивлением имеет акустическое сопротивление, по существу соответствующее акустическому сопротивлению скважинного флюида.

12. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность внешнего корпуса является акустически гладкой.

13. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что шпиндель является полым и образует кабелепровод.

14. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество массивных блоков, прикрепленных к шпинделю, причем один или более акустических приемников прикреплены к массивным блокам.

15. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что массивные блоки имеют внутренний диаметр, плотно прилегающий к внешнему диаметру шпинделя в натяг.

16. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что внешний корпус содержит множество модулей, при этом каждый модуль содержит

первый полый металлический цилиндр,

первое поддерживающее кольцо, коаксиальное с и прикрепленное к первому полому металлическому цилиндру,

второе поддерживающее кольцо, коаксиальное с первым поддерживающим кольцом и аксиально разнесенное относительно первого поддерживающего кольца,

второй полый цилиндр, содержащий эластомер, полимер или эластомер и полимер, размещенный между первым и вторым поддерживающими кольцами.

17. Инструмент по п.16, отличающийся тем, что внешний корпус содержит полимерную трубу, по меньшей мере, с двумя металлическими кольцами, прикрепленными к ней, при этом, по меньшей мере, два металлических кольца находятся на расстоянии друг от друга.

18. Инструмент по п.17, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два металлических кольца расположены в стыковочных пазах вдоль внутренней поверхности полимерной трубы.

19. Инструмент по п.17, отличающийся тем, что, по меньшей мере, два металлических кольца приклеены и выступают из внутренней поверхности полимерной трубы.

20. Инструмент по п.16, отличающийся тем, что внешний корпус содержит эластомерную трубу, по меньшей мере, с двумя металлическими кольцами, прикрепленными к ней, при этом, по меньшей мере, два металлических кольца находятся на расстоянии друг от друга.

21. Инструмент по п.16, отличающийся тем, что первый и второй цилиндры являются разъемными для обслуживания и ремонта.

22. Зонд акустического приемника, содержащий

шпиндель,

множество расположенных на расстоянии друг от друга массивных блоков, прикрепленных к шпинделю,

множество акустических приемников, расположенных, по меньшей мере, в одном из множества расположенных на расстоянии друг от друга массивных блоков,

внешний корпус, закрывающий множество расположенных на расстоянии друг от друга массивных блоков и акустических приемников и предназначенный для изолирования массивных блоков и акустических приемников от окружающей среды скважины, при этом внешний корпус содержит первую и вторую зоны, причем первая зона имеет акустическое сопротивление, по меньшей мере, в два раза выше, чем акустическое сопротивление второй зоны.

23. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что первая зона имеет акустическое сопротивление в пять раз большее, чем акустическое сопротивление второй зоны.

24. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что первая зона имеет акустическое сопротивление в десять раз большее, чем акустическое сопротивление второй зоны.

25. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что вторая зона является по существу акустически прозрачной.

26. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что вторая зона аксиально совмещена с множеством акустических приемников.

27. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество чередующихся первых и вторых зон.

28. Зонд акустического приемника по п.27, отличающийся тем, что множество акустических приемников размещено, по меньшей мере, в двух расположенных на расстоянии друг от друга массивных блоках, причем каждый из множества акустических приемников аксиально совмещен с одной из вторых зон.

29. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что первая и вторая зоны содержат чередующиеся кольцевые непрерывные полосы.

30. Зонд акустического приемника по п.29, отличающийся тем, что первая зона содержит металлическую полосу, а вторая зона содержит эластомерную полосу.

31. Зонд акустического приемника по п.30, отличающийся тем, что металлическая и эластомерная полосы являются съемными для обслуживания и ремонта.

32. Зонд акустического приемника по п.28, отличающийся тем, что первая зона содержит стальную полосу, а вторая зона содержит пластмассовую полосу.

33. Зонд акустического приемника по п.30, отличающийся тем, что внешняя поверхность внешнего корпуса является акустически гладкой относительно длины волны акустических сигналов, получаемых акустическими приемниками.

34. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что внешний корпус содержит множество корпусных модулей.

35. Зонд акустического приемника по п.34, отличающийся тем, что каждый из корпусных модулей содержит

первый полый металлический цилиндр,

второй полый металлический цилиндр, содержащий эластомер, полимер или эластомер и полимер,

первое и второе поддерживающие кольца.

36. Зонд акустического приемника по п.22, отличающийся тем, что внешний корпус содержит полимерную трубу, по меньшей мере, с двумя металлическими кольцами, прикрепленными к ней, при этом, по меньшей мере, два металлических кольца находятся на расстоянии друг от друга.

37. Корпус акустического приемника, содержащий первый полый металлический цилиндр,

первое поддерживающее кольцо, коаксиальное с и прикрепленное к первому полому металлическому цилиндру,

второе поддерживающее кольцо, коаксиальное с первым поддерживающим кольцом и аксиально смещенное относительно первого поддерживающего кольца,

второй полый цилиндр, размещенный как слой между первым и вторым поддерживающими кольцами и имеющий акустическое сопротивление, совпадающее с акустическим сопротивлением скважинного флюида,

при этом корпус акустического приемника конфигурирован для размещения в нем акустических приемников акустического каротажного инструмента и изолирования акустических приемников от окружающей среды скважины.

38. Корпус акустического приемника по п.37, отличающийся тем, что дополнительно содержит

третий полый металлический цилиндр, прикрепленный ко второму поддерживающему кольцу напротив второго полого цилиндра,

третье поддерживающее кольцо, коаксиальное с и прикрепленное к третьему полому металлическому цилиндру,

четвертое поддерживающее кольцо, коаксиальное с третьим поддерживающим кольцом и аксиально разнесенное относительно третьего поддерживающего кольца,

и четвертый цилиндр, содержащий эластомер, полимер или эластомер и полимер, расположенный между третьим и четвертым поддерживающими кольцами.

39. Корпус акустического приемника по п.38, отличающийся тем, что второй и четвертый полые цилиндры совмещены с акустическими приемниками акустического каротажного инструмента.

40. Корпус акустического приемника по п.38, отличающийся тем, что первый и третий полые металлические цилиндры, каждый имеет акустическое сопротивление, по меньшей мере, в два раза большее, чем акустическое сопротивление второго и четвертого полых цилиндров.

41. Корпус акустического приемника по п.38, отличающийся тем, что первый и третий полые металлические цилиндры, каждый имеет акустическое сопротивление, по меньшей мере, в десять раз большее, чем акустическое сопротивление второго и четвертого полых цилиндров.

42. Корпус акустического приемника по п.37, отличающийся тем, что второй полый цилиндр содержит эластомер, полимер или одновременно эластомер и полимер.

43. Зонд акустического приемника, содержащий

центральный жесткий шпиндель,

множество расположенных на расстоянии друг от друга блоков приемников, жестко прикрепленных к шпинделю,

множество акустических приемников, присоединенных к каждому из множества расположенных на расстоянии друг от друга блоков приемников,

множество аксиально прерывистых, кольцевых непрерывных зон акустического сопротивления, охватывающих множество расположенных на расстоянии друг от друга блоков приемников и акустических приемников для изолирования блоков приемников и акустических приемников от окружающей среды скважины.

44. Зонд акустического приемника по п.43, отличающийся тем, что чередующиеся зоны отличаются по акустическому сопротивлению, по меньшей мере, в два раза.

45. Зонд акустического приемника по п.43, отличающийся тем, что чередующиеся зоны отличаются по акустическому сопротивлению, по меньшей мере, в пять раз.

46. Зонд акустического приемника по п.43, отличающийся тем, что чередующиеся зоны содержат стальные и эластомерные кольца.

47. Зонд акустического приемника по п.43, отличающийся тем, что чередующиеся зоны содержат стальные и полимерные кольца.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится в основном к способам исследования подземных формаций с использованием акустических измерений, производимых в скважине. Более конкретно, настоящее изобретение относится к корпусу акустического каротажного инструмента.

Предшествующий уровень техники

Генерирование и запись скважинных акустических волн является основным измерением, применяемым на нефтяном промысле для каротажа скважин. В настоящее время доступны многие скважинные инструменты и способы для проведения акустических измерений. Некоторые инструменты включают в себя один источник акустической энергии и два или более приемников; однако большинство инструментов содержит множество приемников, расположенных в виде матрицы. В то время как доступные в настоящее время инструменты используются для обеспечения большого диапазона информации, касающейся прилегающей формации и скважинных параметров, основным использованием акустических скважинных измерений является оценка медленности формации (величина, обратная скорости волны). Обычно измерения производятся в акустической области на частотах в диапазоне от 500 Гц до 25 кГц.

Компрессионная или продольная медленность волны формации обычно оценивается с использованием времени прохождения, получаемого посредством процесса обнаружения движения. В случае инструмента с одним источником и двумя приемниками, известного из предшествующего уровня техники, медленность формации оценивается путем вычитания времени прохождения между двумя приемниками и деления на расстояние между приемниками. Эта оценка, однако, может быть неточной из-за наклона инструмента, размытия скважины, граничных влияний и так далее. Дополнительные акустические источники и приемники и более надежные способы, такие как STC (Медленность-Время-Когерентность анализ), используются для уменьшения неточностей, вносимых влияниями среды.

Один пример известного акустического инструмента показан на Фиг.1. Инструмент 100 дипольной акустический визуализации (DSI) содержит блок 102 обработки и телеметрии, блок 104 акустического приемника и блок 106 акустического передатчика. Блок 102 обработки и телеметрии может включать в себя компьютерный процессор для управления запуском акустических передатчиков из блока 106 акустического передатчика, приемом волновых измерений блоком 104 акустического приемника и связью с наземными устройствами управления и оборудованием.

Как показано на Фиг.1, блок 104 акустического приемника содержит матрицу отдельных акустических приемников 108. Блок 106 акустического передатчика содержит монопольный передатчик 110 и верхний и нижний дипольные передатчики 112, 114, соответственно. Монопольный передатчик 110 и верхний и нижний дипольные передатчики 112, 114, так же как и звуковые приемники 108, облегчают компрессионные и сдвиговые измерения через прилегающие формации. Инструмент 100 может работать в нескольких режимах сбора данных для получения разных форм волн. Режимы могут включать в себя верхний и нижний дипольный режимы, перекрестный дипольный режим, режим Стоунли, P и S режимы и режим первого вступления.

Однако общей проблемой, связанной со звуковым каротажем, является распространение генерируемых сигналов вдоль самого инструмента 100. Сигналы, распространяющиеся вдоль инструмента 100, обычно известны как «вступления инструмента» и считаются «шумом», который может интерферировать с обнаружением сигналов, связанных с формацией. В связи с этим был предложен целый ряд методик для устранения или уменьшения вступления инструмента. Наиболее общий подход к уменьшению эффектов вступлений инструмента является вставка изолятора между блоком 106 передатчика и блоком 104 приемника (Фиг.1). Назначением изолятора является предотвращение, ослабление и/или задержка распространения вступления инструмента. В соответствии с Фиг.1 изолятор является изолирующим соединением 116, дополнительно описанным в патентах США № № 4872825 и 5036945.

Кроме того, во время акустического каротажа имеет место повторное соединение сигналов из скважины в инструмент 100. Из-за этого повторного соединения является полезным конструировать слабо и/или сильно демпфированный блок, так чтобы повторно соединенные сигналы инструмента не взаимодействовали с сигналами формации. Блок 104 приемника содержит щелевой корпус 111, который функционирует как замедляющий элемент конструкции. Щелевой корпус 111 дополнительно описан в патентах США № № 4850450 и 6494288. Щелевой корпус 111 обычно обеспечивает механическую прочность, необходимую для акустического каротажа, и уменьшает вступления инструмента. Однако является очень трудно или невозможно использовать щелевой корпус 111 и измерять медленность формации большую, чем 700 с/фут, особенно при обеспечении достаточной механической прочности. Кроме того, некоторые скважинные режимы, такие как режим Стоунли и компрессионные (P) режимы с утечкой, не являются достаточно возбужденными из-за негладкой поверхности щелевого корпуса 111.

В щелевом корпусе 111 также обычно размещены и механически защищены отдельные акустические приемники 108 и сопряженная электроника. И, несмотря на то, что щелевой корпус обеспечивает акустическую задержку между элементами передатчика и приемника, он одновременно является источником вредных акустических отражений и другой нежелательной вторичной акустической энергии или шума поблизости от приемников.

Нежелательная вторичная акустическая энергия или шум формируются, в основном, из-за прерывистой структуры, сформированной в корпусе, окружающем приемники. Акустические волны, перемещающиеся вдоль извилистого пути покрытий щелевого корпуса, формируют отраженные рассеивающие структуры, когда сталкиваются с изменением в структуре от прерывистых щелей к открытым прямоугольным окнам вокруг или поблизости от приемников. Дополнительный шум формируется в первичных корпусах из-за «звона» коротких цилиндрических элементов, которые составляют щелевой корпус. Шум, производимый, по сути, из-за конструкции покрытий щелевого корпуса, ограничивает их эффективность, особенно в работах по каротажу формы полной волны в широком диапазоне частот.

Из-за того, что предшествующие методики не были совершенно успешными для устранения интерферирующих сигналов и обеспечения адекватной механической прочности, настоящее изобретение направлено на преодоление или, по меньшей мере, уменьшение эффекта одной или более указанных проблем.

Краткое изложение существа изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение указанных выше недостатков. В частности, согласно изобретению, предложено устройство для защиты акустических датчиков, электроники и/или других элементов каротажного инструмента и улучшения при этом акустических свойств каротажного инструмента. Настоящее изобретение содержит корпус с предпочтительно прерывистой, чередующейся структурой, которая является акустически непрозрачной в одних зонах и акустически прозрачной в других. Корпус может быть модульным, с несколькими ступенями, подсоединенными одна к другой. Множество ступеней составляют корпус, который может использоваться в различных скважинных каротажных инструментах.

В соответствии с другим вариантом осуществления предложено скважинное устройство акустического инструмента, содержащее блок акустического источника и блок акустического приемника. Блок акустического приемника содержит шпиндель и внешний корпус с чередующимися зонами высокого и низкого акустического импеданса. Высокий и низкий акустический импеданс предпочтительно различаются в несколько раз или более и могут различаться, по меньшей мере, в два раза. Блок акустического приемника может содержать один или более акустических приемников, прикрепленных к шпинделю и закрытых внешним корпусом. Приемники предпочтительно совмещены с одной из чередующихся зон низкого сопротивления, которые имеют акустическое сопротивление, по существу, соответствующее скважинному флюиду.

В соответствии с другим вариантом осуществления имеется объем масла, расположенного в кольцеобразном зазоре между центральным шпинделем и внешним корпусом, при этом масло имеет акустическое сопротивление, по существу соответствующее сопротивлению скважинного флюида, и предназначено для уравновешивания гидростатического давления внутри и снаружи внешнего корпуса.

В соответствии с вариантами осуществления приемники косвенно прикреплены к шпинделю через множество массивных блоков, напрямую закрепленных вокруг шпинделя. Соответственно, массивные блоки могут иметь внутренний диаметр опорной поверхности, равный диаметру внешней поверхности шпинделя для неподвижной посадки. Шпиндель и массивные блоки могут выполнять роль системы масс и пружин и служить фильтром нижних частот для подавления вступлений инструмента, упрощая диапазон частот каротажа от 500 Гц до 25 кГц.

В соответствии с другими вариантами осуществления внешний корпус содержит множество модулей. Каждый из множества модулей содержит первый полый металлический цилиндр, первое поддерживающее кольцо, расположенное коаксиально и прикрепленное к первому полому металлическому цилиндру, второе поддерживающее кольцо, расположенное коаксиально и смещенное по оси относительно первого поддерживающего кольца, и второй полый цилиндр, содержащий эластомер, полимер или эластомер и полимер, расположенные между первым и вторым поддерживающими кольцами.

В соответствии с вариантами осуществления внешний корпус содержит эластомерную или полимерную трубу, по меньшей мере, с двумя прикрепленными к ней металлическими кольцами, при этом, по меньшей мере, два металлических кольца расположены со смещением друг относительно друга. Металлические кольца расположены в стыковочном пазу вдоль внутренней поверхности полимерной трубы. Возможно, чтобы металлические кольца были приклеены к и выступали из внутренней или внешней поверхности полимерной трубы.

Согласно другому аспекту изобретения предложен зонд акустического приемника, содержащий шпиндель, множество расположенных на расстоянии друг от друга массивных блоков, прикрепленных к шпинделю, множество акустических приемников, расположенных, по меньшей мере, на одном из множества расположенных на расстоянии друг от друга массивных блоков, и внешний корпус, закрывающий множество расположенных на расстоянии друг от друга массивных блоков и акустических приемников. Внешний корпус содержит первую и вторую зоны, при этом первая зона имеет акустическое сопротивление, по меньшей мере, вдвое большее, чем у второй зоны. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления вторая зона является по существу акустически прозрачной и аксиально совмещена с множеством акустических приемников.

В соответствии с одним вариантом выполнения зонда, первая и вторая зоны содержат чередующиеся кольцевые непрерывные полосы. Первая зона является металлической полосой, и вторая зона содержит эластомерную полосу. Например, первая зона может быть стальной полосой, и вторая зона может быть пластмассовой полосой. Внешняя поверхность внешнего корпуса, включающего в себя и первую и вторую зоны, является акустически гладкой относительно длины волны акустических сигналов, принимаемых звуковыми приемниками.

В соответствии с другим аспектом зонда, внешний корпус содержит множество модулей корпуса. Каждый из модулей корпуса может включать в себя первый полый металлический цилиндр, второй полый цилиндр, содержащий эластомер, полимер или эластомер и полимер, и первое и второе поддерживающие кольца. В соответствии с другими вариантами выполнения зонда, внешний корпус не является модульным и содержит полимерную трубу, по меньшей мере, с двумя металлическими кольцами, прикрепленными к ней, причем, по меньшей мере, два металлических кольца находятся на расстоянии друг относительно друга.

Согласно другому аспекту изобретения предложен корпус акустического приемника, содержащий первый полый металлический цилиндр, первое поддерживающее кольцо, расположенное коаксиально и прикрепленное к первому полому металлическому цилиндру, второе поддерживающее кольцо, расположенное коаксиально и смещенное по оси относительно первого поддерживающего кольца, и второй полый цилиндр, содержащий эластомер, полимер или эластомер и полимер, расположенные между первым и вторым поддерживающими кольцами. Корпус может дополнительно включать в себя третий полый металлический цилиндр, прикрепленный ко второму поддерживающему кольцу напротив второго полого цилиндра, третье поддерживающее кольцо, расположенное коаксиально и прикрепленное к третьему полому металлическому цилиндру, четвертое поддерживающее кольцо, расположенное коаксиально и смещенное по оси относительно третьего поддерживающего кольца, и четвертый цилиндр, содержащий эластомер, полимер или эластомер и полимер, расположенный между первым и вторым поддерживающими кольцами. Второй и четвертый полые цилиндры предпочтительно совмещены с акустическими приемниками акустического каротажного инструмента, и первый и третий полые металлические цилиндры, каждый имеет акустическое сопротивление, по меньшей мере, в два раза большее, чем у второго и четвертого полых цилиндров.

Согласно изобретению также предложен зонд акустического приемника, содержащий центральный жесткий шпиндель, множество расположенных на расстоянии друг от друга блоков приемников, жестко закрепленных вокруг шпинделя, множество акустических приемников, прикрепленных к каждому из множества расположенных на расстоянии друг от друга блоков приемников, и множество аксиально прерывистых кольцевых непрерывных зон с чередующимся акустическим сопротивлением, покрывающих множество расположенных на расстоянии друг от друга блоков приемников и акустических приемников. Зоны с чередующимся акустическим сопротивлением различаются, по меньшей мере, в два раза.

Краткое описание чертежей

Дополнительные преимущества и признаки изобретения изложены в следующем описании со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает вид вертикального сечения известного акустического каротажного инструмента.

Фиг.2 - сборку акустического каротажного инструмента, согласно изобретению.

Фиг.3 - вид спереди вертикального сечения передающего модуля инструмента на Фиг.2, согласно изобретению.

Фиг.4 - блок приемника инструмента, с частичным вырезом без элементов приемника, согласно изобретению.

Фиг.5 - блок приемника инструмента, с частичным вырезом с элементами приемника, размещенными на своих местах, согласно изобретению.

Фиг.6А - поперечное сечение одной стороны корпуса блока приемника инструмента, согласно изобретению.

Фиг.6В - поперечное сечение одной стороны корпуса блока приемника акустического инструмента в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.

Фиг.7А - вид спереди массивного блока, используемого в блоке приемника, согласно изобретению.

Фиг.7В - поперечное сечение массивного блока согласно изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Согласно настоящему изобретению предложено акустическое каротажное устройство с зондами приемников, имеющими высокую прочность на растяжение, сжатие и кручение. Зонды приемников предназначены для улучшения акустических свойств устройства по сравнению с обычными блоками приемников. В связи с этим устройство может включать в себя корпус, который защищает чувствительные элементы каротажного устройства от скважинных сред и уменьшает или устраняет передачу шума на акустические приемники. Корпус может обеспечивать чередующиеся зоны с разным акустическим сопротивлением для уменьшения или устранения шума. Предложенное устройство облегчает акустический каротаж на всем диапазоне акустических частот и во всех используемых акустических режимах, включая монопольный и дипольный режимы, режим Стоунли, псевдорелеевский режим и компрессионный режим с утечкой.

Термин «шпиндель» используется для характеристики вала, стержня или оси, на которой установлен рабочий инструмент или элементы рабочего инструмента. Термин «звук» относится к акустическим или звуковым волнам, имеющим диапазон частот от около 500 Гц до 25 кГц. Термин «акустическое сопротивление» определяет произведение плотности и сейсмической скорости, обычно обозначаемой как Z. Акустическое сопротивление множества материалов является объемно усредненным для разных материалов. «Акустическая прозрачность» является качеством среды, акустическое сопротивление которой является по существу постоянным на всем протяжении. Исходя из этого «акустически прозрачная» среда, как используется ниже, может включать в себя среду, акустическое сопротивление которой является таким же или по существу таким же, как акустическое сопротивление скважинного флюида. Аналогично, термин «акустически непрозрачная» среда характеризует среду с акустическим сопротивлением, по существу, отличным от акустического сопротивления скважинных флюидов. Термины «эластомер» и «эластомерный» относятся к любому из различных полимеров, которые имеют свойства, сходные с резиной, и также включают в себя пластмассы. Термин «пластик» относится к любому из различных органических составов, полученных путем полимеризации. Термины «высокий» и «низкий» являются относительными показателями и необязательно ограничены любым количественным диапазоном.

На Фиг.2 представлено устройство скважинного акустического инструмента, например, акустического каротажного инструмента 118, согласно настоящему изобретению. Как и многие акустические инструменты, акустический каротажный инструмент 118 используется для каротажа скважины путем выполнения различных волновых измерений и передачи измерений на поверхность. Акустический каротажный инструмент 118 содержит блок 120 акустического передатчика, включающего в себя электронику и схемы управления для акустических источников. Блок 120 акустического передатчика более подробно описан ниже со ссылкой на Фиг.3 и служит источником акустический энергии. Блок 120 акустического передатчика может включать в себя центратор 122 и отклонитель 124.

Блок 126 разделителя подсоединен к блоку 120 акустического передатчика выше блока 120 акустического передатчика. Блок 126 разделителя может иметь части, имеющие различную длину, две из которых показаны на Фиг.2, длинная часть 126а и короткая часть 126b. Длина блока 126 разделителя может быть выбрана в соответствии с ожидаемым акустическим поведением формации, в которой проводится каротаж.

Блок 126 разделителя подсоединен верхним концом к блоку акустического приемника или зонда 128. В соответствии с описываемым вариантом осуществления зонд 128 акустического приемника может включать в себя приемник и блок 130 ближнего монопольного передатчика, компенсатор 132 объема масла и блок 134 электроники зонда приемника, который содержит пару эластомерных отклонителей или распорок 136. Приемник и блок 130 ближнего монопольного передатчика закрыты внешним корпусом 138, который более подробно описан ниже со ссылкой на Фиг.4-6В.

Блок 134 электроники зонда приемника подсоединен верхним концом к компенсатору 132 объема масла и может включать в себя передние источники питания и повышающие преобразователи (не показаны) для монопольных источников. Провод 140 предназначен для облегчения передачи энергии и взаимодействий между различными секциями зонда 130 приемника. Первый или верхний конец 142 зонда 130 приемника может также включать в себя разъем 144 для соединения с главным блоком 146 электроники. Главный блок 146 электроники может включать в себя центратор 148 и стандартные соединители 150, которые облегчают соединение и передачу энергии между другими инструментами в колонне каротажного инструмента или с телеметрическим блоком, который может соединяться с наземными системами посредством проводного кабеля или другим интерфейсом связи.

Акустический каротажный инструмент 118 предпочтительно содержит блок 120, который более подробно показан на Фиг.3. Блок 120 передатчика содержит модуль 152 электроники, компенсатор 154 объема масла и акустический источник. Акустический источник содержит первый дипольный источник 156, второй дипольный источник 158 и монопольный источник 160. Дипольные источники 156, 158 могут содержать источники, описанные в патенте США № 6474439, или другие дипольные источники. Монопольный источник 160 может содержать источник, описанный в патенте США № 5036945, или другой монопольный источник. Блок 120 передатчика также содержит провод 162 для облегчения питания и передачи в и из блока 120 передатчика или других элементов акустического каротажного инструмента 118 (Фиг.2).

На Фиг.4 более подробно показано сечение зонда 128 приемника (без каких-либо элементов приемника для ясности). Зонд 128 приемника содержит шпиндель для обеспечения прочности на растяжение, сжатие и кручение. Шпиндель является жестким центральным титановым валом 164 с внутренним проходным отверстием 166. Центральный титановый вал 164 может также содержать другие жесткие материалы. Внутреннее проходное отверстие 166 может быть снабжено кабелепроводом для облегчения передачи энергии и/или связи между зондом 128 приемника и поверхностью.

Несмотря на то, что центральный титановый вал 164 обеспечивает прочность зонду 128 приемника, он также обеспечивает нежелательную среду распространения акустических волн. Для уменьшения, устранения, ясного различения вступлений инструмента через центральный титановый вал 164, на центральном титановом валу 164 установлено множество массивных блоков. В соответствии с описываемым вариантом осуществления массивные блоки содержат блоки 168 приемников. Блоки 168 приемников более подробно описаны ниже со ссылкой на Фиг.7А-7В. Предпочтительно, блоки 168 приемников содержат металл, такой как сталь. Геометрия центрального титанового вала 164 и блоков 168 приемников наряду со свойствами материала каждого из них (например, модуль Юнга, коэффициент Пуассона и плотность) модифицируют распространение волны вдоль центрального титанового вала 164 таким образом, что вступления инструмента устраняются или легко идентифицируются и фильтруются. Блоки 168 приемников предпочтительно жестко закреплены на центральном титановом валу 164 посадкой с натягом сварного соединения или иным способом жесткого крепления. Например, блоки 168 приемников могут иметь внутренний диаметр, который является номинально меньшим, чем внешний диаметр центрального титанового вала 164. Блоки 168 приемников могут быть нагреты для расширения внутреннего диаметра, размещены на центральном титановом валу 164, а затем оставлены охлаждаться, так что внутренний диаметр плотно прилегает к внешнему диаметру центрального титанового вала 164 в натяг. Разделители 126 (Фиг.2) могут также иметь идентичную конфигурацию, включающую шпиндель и множество массивных блоков.

Блоки 168 приемников отделены один от другого на заданное расстояние, которое предпочтительно точно отрегулировано. В соответствии с другими вариантами осуществления, точность расстояния между блоками 168 приемников составляет порядка 0,0001 м. Точно разделенные соседние блоки 168 приемников обеспечивают постоянное расстояние между приемниками и также обеспечивают прочность на изгиб. В связи с этим, если зонд 128 приемника начинает изгибаться, например, если он проходит через отклоняющуюся скважину, расстояние между соседними блоками 168 приемников уменьшается до тех пор, пока блоки не придут в соприкосновение. Исходя из этого, жесткость при изгибе увеличивается при соприкосновении блоков 168 приемников для предотвращения искривления зонда 128 приемника.

Каждый из блоков 168 приемников содержит одну или более монтажных опор 170 приемников для установки акустических приемников 172 (Фиг.5). Монтажные опоры 170 приемников могут быть выполнены из полимера и/или эластомера. Одна или более монтажных опор 170 приемников несет на себе кольцевую матрицу акустических приемников 172, расположенных вокруг ее внешней стороны. Акустические приемники 172 находятся предпочтительно в непосредственном соприкосновении с эластомером монтажных опор 170 приемников. Прикрепление акустических приемников 172 к блокам 168 приемников посредством эластомера монтажных опор 170 приемников минимизирует генерацию напряжения между акустическими приемниками 172 и монтажными опорами 170 приемников, а также оказывает сопротивление механическому удару и вибрации. Электроника 174 зонда приемника размещена и установлена в полостях 174 (Фиг.4), образованных двумя соседними блоками 168 приемников.

В соответствии с описываемым вариантом осуществления одна диаметрально расположенная пара элементов 172 приемников в каждом гнезде или блоке 168 приемника совмещены путем вращения с соответствующим одним из дипольных источников 156, 158 (Фиг.3). В описываемом варианте осуществления имеются восемь принимающих элементов 172 в одной или более монтажных опорах 170. Тем не менее, специалистам в данной области техники ясно, что количество гнезд приемников и элементов 172 приемников на одно гнездо может быть изменено в соответствии с требованиями и предпочтениями.

Элементы 172 приемника являются предпочтительно пьезоэлектрическими датчиками давления, такими как пьезоэлектрический цилиндр с концевыми заглушками, подсоединенными с помощью винта, проходящего через цилиндр. Принимающие элементы 172 также содержат поляризованный пакет пьезоэлектрических пластин, прикрепленных одна к другой с помощью крепежа или отделенных одна от другой с помощью электродов. Могут быть использованы другие варианты осуществления принимающих элементов 172.

Принимающие элементы 172 и электроника 174 зонда приемника изолированы от скважинных сред с помощью внешнего корпуса 178. Кольцевой зазор между центральным титановым валом 164 и внешним корпусом 178 может быть заполнен маслом, предпочтительно имеющим акустическое сопротивление, по существу сопоставимое со скважинным флюидом, и предназначенным для выравнивания гидростатического давления внутри и снаружи внешнего корпуса 178.

Внешний корпус 178 имеет две или более чередующихся зон 180, 182 с высоким и низким акустическим сопротивлением. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления зоны 180 с высоким акустическим сопротивлением имеют акустическое сопротивление, по меньшей мере, в два раза больше, чем зоны 182 с низким акустическим сопротивлением. Предпочтительно, акустическое сопротивление зон 180 с высоким акустическим сопротивлением, по меньшей мере, в пять раз больше по сравнению с зонами 182 с низким акустическим сопротивлением. Более предпочтительно, акустическое сопротивление зон 180 с высоким акустическим сопротивлением, по меньшей мере, в десять раз больше по сравнению с зонами 182 с низким акустическим сопротивлением. Несмотря на то, что на Фиг.4-5 показано много чередующихся зон 180, 182, эти зоны могут чередоваться только между одной зоной 180 с высоким акустическим сопротивлением и зоной 182 с низким акустическим сопротивлением.

Зоны 180, 182 с высоким и низким акустическим сопротивлением могут содержать чередующиеся полосы или блоки высокого и низкого акустического сопротивления. Например, первый, второй и третий блоки 184, 186, 188 могут каждый иметь высокое акустическое сопротивление, и четвертая полоса 190 может иметь низкое акустическое сопротивление. В соответствии с показанным вариантом осуществления чередующиеся блоки являются непрерывными по окружности, но аксиально прерываются на границе между первым и четвертым блоками 184, 190.

В соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг.4-6А, внешний корпус 178 содержит множество модулей, каждый из которых содержит четыре повторяющихся блока 184, 186, 188, 190. Четыре повторяющихся блока 184, 186, 188, 190 наилучшим образом показаны на Фиг.6А. Повторяющиеся блоки 184, 186, 188, 190 являются съемными, так что каждый из них может быть заменен или подвергнут ремонту во время периодического обслуживания или ремонта акустического каротажного инструмента 118 (Фиг.2). Первый блок 184 предпочтительно содержит первый полый металлический цилиндр, расположенный коаксиально с центральным титановым валом 164. Первый блок 184 упирается торцом и прикрепляется ко второму блоку 186. Второй блок 186 содержит первое поддерживающее кольцо, расположенное коаксиально с первым блоком 184. Третий блок 188 является также поддерживающим кольцом и расположен коаксиально с первым и вторым блоками 184, 186. Однако третий блок аксиально смещен относительно второго блока 186. Второй и третий блоки 186, 188 являются предпочтительно металлическими. Четвертый блок 190 является вторым полым цилиндром, размещенным между поддерживаемым и размещенным коаксиально со вторым и третьим блоками 186, 188. Четвертый блок 190 является предпочтительно не металлическим и может быть выполнен из эластомера, полимера, или из эластомера и полимера, в зависимости от медленности целевой формации. Внешняя поверхность каждого блока 184, 186, 188, 190 является по существу гладкой относительно друг друга и не имеет острых различий в диаметре больше, чем около 5,0 мм. Исходя из этого, внешняя поверхность внешнего корпуса 178 является акустически гладкой, где гладкость означает изменения в радиусе вдоль продольной оси зонда 128 приемника относительно длины волны или кольцеобразного зазора между внешним корпусом 178 и стенкой скважины. Акустически гладкая внешняя поверхность внешнего корпуса 178 уменьшает интерференцию между зондом 128 приемника и флюид-контактными режимами, такими как компрессионный режим с утечкой и режим Стоунли для монопольного каротажа, изгибной режим для дипольного каротажа.

Четвертый блок 190 используется как акустически прозрачное окно для акустических приемников 172. Исходя из этого, четвертый блок 190 аксиально совмещен с монтажными опорами или гнездами 170 и, следовательно, с акустическими приемниками 172. Пара разрезных колец может быть использована для гарантии надлежащего совмещения. Например, запирающее кольцо 192 используется в соответствии с описываемым вариантом осуществления для расположения внешнего корпуса относительно центрального титанового вала 164. Кроме того, О-образное кольцо 193 центрирует внешний корпус 178 относительно центрального титанового вала 164. Разрезные кольца могут быть размещены в пазу в первом блоке 184 и/или в блоках 168 приемников для гарантии осевого и азимутального совмещения внешнего корпуса 178 с центральным титановым валом 164 и, тем самым, с акустическими приемниками 172. Четвертый блок 190 имеет акустическое сопротивление, подобное скважинному флюиду и маслу в кольцеобразном зазоре 179, чтобы быть акустически прозрачным. Четвертый блок 190 может быть также эластичным для облегчения передачи акустической энергии от скважинного флюида к маслу кольцеобразного зазора 179. Специалисты в данной области техники могут сконструировать акустически прозрачные четвертые блоки 190 путем подбора акустического сопротивления четвертых блоков 190 с акустическим сопротивлением скважинного флюида. Модуль сдвига и геометрия являются ключевыми параметрами для конструкции четвертого блока 190 и могут изменяться от одного скважинного применения к другому, но конструирование четвертого блока 190 будет, тем не менее, стандартной процедурой для специалистов в данной области техники. Акустическое сопротивление полимера, эластомера и скважинного флюида находится обычно в диапазоне около 1-3 МРейл.

С другой стороны, первый блок 184, выполненный из металла, имеет высокое акустическое сопротивление, которое может находиться в диапазоне от 27 до 46 МРейл. При этом первый блок 184 является акустически непрозрачным и содержит экран или фильтр, который изолирует акустические приемники 172 от акустического шума, генерируемого, например, в полостях 176 (Фиг.4), содержащих электронику 174 зонда приемника, и кольцеобразном зазоре 181 между блоками 168 приемников и центральным титановым валом 164. Первый блок 184 также уменьшает интерференцию между полостями инструмента и режимами волн Стоунли, возбужденных в не обсаженных средах. Дополнительно, путем соединения четвертого блока 190, имеющего низкое акустическое сопротивление, с первым блоком 184, имеющим высокое акустическое сопротивление (при помощи второго и третьего блоков 184, 186 (Фиг.5), внешний корпус 178 предотвращает непрерывное распространение акустической волны вдоль продольной оси зонда 128 приемника путем рассеяния акустической волны на границах или поверхностях раздела.

Как показано на Фиг.4-6А, последовательность из четырех блоков 184, 186, 188, 190 может быть повторена любое количество раз для образования модульного внешнего корпуса 178. Может быть использован третий полый металлический цилиндр, третье и четвертое поддерживающие кольца и четвертый полый цилиндр из эластомера и/или полимера, и так далее. Несмотря на то, что внешний корпус 178 показан на Фиг.4-6А как соединение четырех повторяющихся блоков 184, 186, 188, 190, могут быть использованы другие варианты осуществления внешнего корпуса 178. Например, на Фиг.6В показано поперечное сечение одной стороны альтернативного внешнего корпуса 278. Внешний корпус 278 содержит одну эластомерную и/или полимерную трубу 294, по меньшей мере, с двумя металлическими кольцами 296, прикрепленными к ней. В некоторых вариантах осуществления металлические кольца 296 содержат сталь. Металлические кольца 296 углублены во внутреннюю поверхность 298 трубы 294 на расстояние выше и ниже совмещения приемника (показанного линией 299). В качестве альтернативы, металлические кольца 296 могут быть не углублены и могут быть приклеены в качестве выступа на внешней поверхности 297. Металлические кольца 296 могут таким же образом быть углублены во внутреннюю поверхность 297. Если металлические кольца 296 выполнены с возможностью выступать из внешней поверхности 297, ограничение толщины колец 296 менее чем 5,0 мм, и предпочтительно в пределах от 2,0 до 3,0 мм, что обеспечит акустически гладкую поверхность. Труба 294, таким образом, обеспечивает зону с низким акустическим сопротивлением во всех местах, отличных от мест, занимаемых металлическими кольцами 296. Дополнительно, поверхность раздела между металлическими кольцами 296 и трубой 294 предотвращает распространение акустической волны.

На Фиг.7А-7В показаны более подробные вид спереди и поперечное сечение варианта осуществления блоков 168 приемников. Блоки 168 приемников содержат трубчатый корпус 169, имеющий сквозное отверстие 171. Отверстие 171 имеет ступеньку 173, на которой отверстие 171 уменьшается в диаметре и прилегает к внешней поверхности центрального титанового вала 164 (Фиг.4), когда оно смонтировано на нем. Пара расположенных на расстоянии друг от друга выступающих ребер 175 формируют полость 177 для установки приемника. Другие блоки приемников могут быть использованы в соответствии с принципами настоящего изобретения, так же как и акустический каротажный инструмент.

Предшествующее описание было представлено только для иллюстрации и описания изобретения. Оно не ограничивает изобретения. Объем изобретения определяется следующей формулой изобретения.