акустический изолятор между скважинными излучателями и приемниками

Формула изобретения

1. Скважинная акустическая приборная установка (вариант 1), содержащая:

акустический источник;

акустический приемник; и

акустический изолятор, расположенный между акустическим источником и акустическим приемником, при этом акустический изолятор содержит:

наружный корпус,

элемент, выполненный продолжающимся внутри наружного корпуса,

пружинную сборку, расположенную между элементом и внутренней стенкой наружного корпуса,

причем элемент выполнен с возможностью осевого скольжения и качательного движения в поперечном направлении в наружном корпусе; и

элемент и пружинная сборка выполнены с возможностью ослабления акустической энергии, проходящей через установку.

2. Установка по п.1, в которой наружный корпус имеет первую часть и вторую часть,

один конец элемента, продолжающийся в первую часть корпуса и выполненный с возможностью скольжения и качательного движения в нем;

другой конец элемента прикреплен к внутренней части второй части корпуса таким образом, что вторая часть перемещается с элементом; и

пружинная сборка содержит набор пружинных дисков, выполненных с возможностью гашения качательного и осевого движений элемента.

3. Установка по п.1, в которой, по меньшей мере, один конец элемента подвижно прикреплен к наружному корпусу посредством сборки шарового соединения;

причем сборка шарового соединения содержит:

кольцо, расположенное вокруг конца элемента;

первый шарик, расположенный между внутренней поверхностью кольца и внешней поверхностью конца элемента, для обеспечения возможности качания элемента.

4. Установка по п.3, дополнительно содержащая первую выемку, обозначенную между внутренней поверхностью кольца и внешней поверхностью конца элемента, при этом первый шарик расположен в первой выемке; и также содержащая второй шарик, расположенный во второй выемке, обозначенной между внутренней поверхностью кольца и внешней поверхностью конца элемента.

5. Установка по п.4, в которой первый и второй шарики расположены по существу напротив друг друга.

6. Установка по п.5, в которой элемент содержит первую ось и в которой первый и второй шарики обеспечивают возможность качания элемента как маятника против усилия пружинной сборки.

7. Установка по п.3, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один дополнительный шарик, расположенный между внешней поверхностью кольца и фитингом установки, для обеспечения возможности осевого скольжения элемента и кольца против усилия пружинной сборки.

8. Установка по п.7, в которой, по меньшей мере, один дополнительный шарик представлен, по меньшей мере, двумя шариками, расположенными в аксиально выровненных выемках, расположенных между внешней поверхностью втулки и фитингом установки, ограничивающим осевой поворот элемента относительно прибора.

9. Установка по п.1, в которой один конец элемента подвижно прикреплен к наружному корпусу со сборкой шарового соединения и другой конец элемента прикреплен к части наружного корпуса так, что часть наружного корпуса перемещается с перемещением элемента.

10. Установка по п.1, в которой наружный корпус имеет первую часть и вторую часть, первая часть наружного корпуса имеет секцию приемников акустической установки, а вторая часть корпуса имеет акустический изолятор, причем один конец акустического изолятора соединен с секцией приемников.

11. Установка по п.1, в которой наружный корпус имеет первую часть и вторую часть, первая часть корпуса имеет секцию излучателей акустической установки, а вторая часть корпуса имеет акустический изолятор, причем один конец акустического изолятора соединен с секцией излучателей.

12. Скважинная акустическая приборная установка (вариант 2), содержащая:

акустический источник;

акустический приемник; и

акустический изолятор, расположенный между акустическим источником и акустическим приемником, при этом акустический изолятор содержит:

наружный корпус,

множество взаимно соединенных ступеней, причем каждая ступень содержит:

элемент, выполненный продолжающимся внутри наружного корпуса,

пружинную сборку, расположенную между элементом и наружным корпусом,

причем элемент выполнен с возможностью осевого скольжения и качательного движения в поперечном направлении в наружном корпусе так, что часть наружного корпуса перемещается с перемещением элемента; и

элемент и пружинная сборка выполнены с возможностью ослабления акустической энергии, проходящей через установку.

13. Установка по п.12, в которой первая ступень прикреплена посредством сильфонного соединения ко второй ступени.

14. Установка по п.13, в которой сильфонное соединение содержит гибкий металлический сильфон, заполненный текучей средой.

15. Установка по п.13, в которой сильфонное соединение содержит внутреннюю металлическую сетчатую пружину для предотвращения контакта металл-металл между компонентами сильфонного соединения в случае, когда прибор отклоняется от стандартного положения.

16. Скважинная акустическая приборная установка (вариант 3), содержащая:

приборную колонну;

секцию акустических приемников;

секцию акустических излучателей; и

по меньшей мере, одну изоляторную ступень, отделяющую секцию акустических приемников от секции акустических излучателей, при этом, по меньшей мере, одна изоляторная ступень содержит:

наружный корпус,

элемент, имеющий первый конец, прикрепленный к части корпуса, и второй конец, выполненный с возможностью перемещения;

пружинную сборку между элементом и корпусом,

выполнены таким образом, что часть корпуса, прикрепленная к элементу, перемещается с элементом; и

элемент и пружинная сборка выполнены с возможностью ослабления акустической энергии, проходящей через установку.

17. Установка по п.16, дополнительно содержащая:

шаровое соединение на втором конце элемента;

сильфонное соединение на одном конце изоляторной ступени;

и набор дисковых пружин между шаровым соединением и сильфонным соединением.

18. Установка по п.17, в которой шаровое соединение содержит шариковый подшипник двойного движения, способствующий качательному движению элемента и осевому движению элемента, каждое против набора дисковых пружин.

19. Установка по п.18, в которой шаровое соединение содержит кольцо, расположенное вокруг второго конца элемента; первый и второй шариковые подшипники, расположенные между кольцом и вторым концом элемента, и третий и четвертый шариковые подшипники, расположенные между кольцом и сильфонным соединением или фитингом приборной колонны.

20. Установка по п.16, дополнительно содержащая две изоляторные ступени, при этом шаровое соединение второй из двух изоляторных ступеней соединено с сильфонным соединением первой из двух изоляторных ступеней.

21. Установка по п.20, дополнительно содержащая четыре изоляторные ступени, при этом шаровое соединение третьей из четырех изоляторных ступеней соединено с сильфонным соединением второй из четырех изоляторных ступеней, и при этом шаровое соединение четвертой из четырех изоляторных ступеней соединено с сильфонным соединением третьей из четырех изоляторных ступеней.

22. Установка по п.17, в которой набор дисковых пружин дополнительно содержит множество дисковых пружин, при этом каждая из дисковых пружин отделена от соседнего диска звукопоглощающими пластиковыми кольцами.

23. Установка по п.22, в которой множество дисковых пружин представляет собой набор из семи дисковых пружин.

24. Установка по п.17, дополнительно содержащая металлическую сетчатую пружину на сильфонном соединении, предотвращающую контакт металл-металл компонентов сильфонного соединения при отклонении установки от стандартного осевого положения.

25. Установка по п.17, в которой каждое из шарового соединения и сильфонного соединения обеспечивает возможность качательного движения и осевого движения, но предотвращает поворот.

26. Установка по п.17, в которой набор дисковых пружин и сильфонное соединение поглощают акустическую энергию волн сжатия и изгиба вдоль установки от секции излучателей в заданном частотном диапазоне.

27. Установка по п.12, в которой наружный корпус имеет первую и вторую части, первый конец элемента прикреплен к первой части корпуса и второй конец элемента подвижно прикреплен внутри второй части корпуса.

28. Акустический изолятор, содержащий:

изоляторную ступень, при этом изоляторная ступень содержит:

корпус, имеющий первый и второй концы;

набор дисковых пружин, расположенный в корпусе;

качающуюся втулку, содержащую первый и второй концы и опирающуюся на набор дисковых пружин на первом конце корпуса;

причем качающаяся втулка может скользить в корпусе и может качаться в поперечном направлении вокруг шарового соединения.

29. Изолятор по п.28, в котором качающаяся втулка не является аксиально поворотной вокруг шарового соединения.

30. Изолятор по п.28, дополнительно содержащий сильфонное соединение на втором конце корпуса.

31. Изолятор по п.30, дополнительно содержащий еще одну изоляторную ступень, соединенную с сильфонным соединением.

32. Изолятор по п.31, к тому же содержащий ряд из четырех изоляторных ступеней, соединенных друг с другом.

33. Изолятор по п.28, в котором корпус имеет полированную наружную поверхность.

34. Изолятор по п.31, в котором корпус имеет внутреннюю периферию с единым диаметром, окружающую набор дисковых пружин и сильфонное соединение.

35. Изолятор по п.28, в котором изоляторная ступень имеет прочность на растяжение, по меньшей мере, 1000 фунтов, обеспечивая в то же время уровень ослабления по меньшей мере 20 дБ для звуковых частот волн сжатия и сдвига.

36. Каротажный прибор, содержащий:

приборную колонну;

секцию звуковых приемников;

секцию звуковых излучателей;

по меньшей мере одну изоляторную ступень, отделяющую секцию звуковых приемников от секции звуковых излучателей, при этом, по меньшей мере, одна изоляторная ступень содержит: шаровое соединение на первом конце, сильфонное соединение на втором конце, и набор дисковых пружин, прилегающий к шаровому соединению, при этом шаровое соединение и сильфонное соединение обеспечивают возможность осевого движения и качательного маятникового движения, но ограничивают осевой поворот; и

компьютер, связанный с секцией звуковых приемников и секцией звуковых излучателей и запрограммированный на вычисление и обновление результатов измерений медленности звуковых волн, генерируемых звуковым излучателем и принимаемых секцией звуковых приемников.

37. Каротажный прибор по п.36, в котором изоляторная ступень гасит звуковые волны, генерируемые звуковыми излучателями, для предотвращения прохождения звуковых волн через каротажный прибор.

38. Каротажный прибор по п.37, в котором набор дисковых пружин гасит звуковые волны путем противодействия осевому и качательному движению изоляторной ступени в ответ на волны сжатия и изгиба через каротажный прибор.

39. Каротажный прибор по п.36, дополнительно содержащий четыре изоляторные ступени, соединенные друг с другом между шаровыми соединениями и сильфонными соединениями.

40. Каротажный прибор по п.36, в котором, по меньшей мере, одна изоляторная ступень содержит заполненный текучей средой наружный корпус и в котором внутренний участок изоляторной ступени содержит фасонный пластик.

41. Каротажный прибор по п.36, в котором, по меньшей мере, одна изоляторная ступень имеет прочность на растяжение, по меньшей мере, 2000 фунтов, обеспечивая в то же время уровень ослабления, по меньшей мере, 20 дБ для звуковых частот волн сжатия и сдвига.

42. Способ ослабления прохождения акустических волн через акустический прибор, включающий в себя этап, на котором между секциями излучателей и приемников акустического прибора вводят подвижную механическую втулку, прилегающую к набору дисковых пружин.

43. Способ по п.42, в котором между секциями излучателей и приемников акустического прибора дополнительно вводят множество подвижных, шарнирно соединенных механических втулок, каждая из которых прилегает к набору дисковых пружин.

44. Способ по п.43, в котором дополнительно изолируют каждый диск каждого набора дисковых пружин от соседних дисков индивидуальными пористыми пластиковыми кольцами.

45. Способ по п.43, в котором дополнительно соединяют множество подвижных механических втулок с сильфонными соединениями.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

В общем настоящее изобретение относится к способам исследования подземных пластов путем использования результатов звуковых измерений, осуществляемых в стволе скважины. Более конкретно, это изобретение касается способов и установки для акустической изоляции между излучателями и приемниками в скважинном акустическом приборе.

Уровень техники

Генерирование и регистрация акустических волн является ключевым принципом измерений, используемых при нефтепромысловом кабельном каротаже. Для осуществления акустических измерений в настоящее время имеются многочисленные скважинные приборы и способы. Некоторые приборы включают в себя единственный источник звуковых волн и два или более приемников; однако большая часть приборов в настоящее время включает в себя много приемников, скомпонованных в группу. Хотя имеющиеся в настоящее время акустические приборы являются пригодными для получения большого объема информации, относящейся к характеристикам прилегающего пласта и ствола скважины, акустические скважинные измерения в основном используют для оценивания медленности пласта для волн сжатия.

Медленность пласта для волн сжатия или продольных волн, обычно оценивают, используя времена пробега волн, регистрируемые с помощью процесса обнаружения первого вступления. В случае прибора с единственным источником и двумя приемниками, предложенного в предшествующем уровне техники, медленность пласта оценивают путем вычитания времен вступлений между двумя приемниками и деления на расстояние между приемниками. Однако для такой оценки характерны неточности, обусловленные наклоном прибора, расширениями ствола скважины, плохими граничными эффектами и т.д. Для снижения неточностей, вносимых такими влияниями внешних условий, используют, наряду с прочим, дополнительные акустические источники и приемники и более робастные способы, такие как анализ медленности и времени вступления когерентных волн (STC).

Описанный выше способ измерения времен пробега для определения медленности пласта также имеет и другие недостатки. Многие существующие способы обеспечивают получение только одномерных значений медленности пласта вдоль оси ствола скважины, но при этом исключается ценная информация, присущая сигналам, относящимся к свойствам пласта по другим направлениям, таким как радиальное (то есть сдвиг), и/или азимутальным направлениям, которые перпендикулярны к оси ствола скважины. Однако полезно возбуждать изгибную или дипольную моду, чтобы обеспечивать возможность измерений сдвиговых волн.

Для преодоления трудностей при оценивании распределения медленности в осевом и радиальном направлениях может быть использована томографическая инверсия времен пробега (то есть «томография»). Цель томографической инверсии времен пробега заключается в нахождении решения или модели (то есть распределения медленности пласта вдоль и вокруг ствола скважины), которая минимизирует различие между измеренными временами пробега и вычисленными временами пробега для всех пар источник-приемник. Основное уравнение томографии времен пробега обычно является нелинейным, но может быть решено с помощью алгоритма итеративного решения, начиная с исходной модели. При каждой итерации этого процесса решения выполняют два следующих этапа: прямое моделирование и инверсию. Путем «прямого моделирования» время пробега вычисляют для каждой пары источник-приемник с помощью установленной модели (на основании начального приближения или результата предшествующей итерации). Однако, поскольку маловероятно, что используемая модель будет истинной моделью геологической среды, вычисленные времена пробега обычно не согласуются с действительными, измеренными временами пробега. Поэтому после этого этапа «прямого моделирования» вычисляют различия между действительными измеренными и вычисленными временами пробега и затем минимизируют их методом оптимизации/минимизации (например, методом обратной проекции или сопряженных градиентов), чтобы обновить/скорректировать предыдущую результирующую модель. Эти два этапа выполняют итерационно до тех пор, пока не достигают наилучшего соответствия (то есть сходимости ошибок времен пробега). Таким образом получают конечную модель решения.

В патенте США № 5081611 (B.Hornby, 1992) предложен такой способ томографии, основанный на инверсии времен пробега, измеряемых звуковым прибором. Hornby утверждает, что его способом можно определять распределения медленности на расстоянии от ствола скважины. Однако способ, раскрытый Hornby, не является часто используемым, вероятно, потому, что модельное ядро, основанное на методе трассирования лучей для преломленных волн, является недостоверным. В дополнение к этому для способа Hornby требуются неявно наложенные виртуальные слои вдоль оси ствола скважины, которые не имеют робастности относительно предшествующей информации и геологического подтверждения. Кроме того, способ, предложенный Hornby, ограничен исключительно двумя измерениями, то есть вдоль оси ствола скважины и по одному из радиальных направлений.

Как описывалось ранее, моделирование является необходимым этапом при этой томографической инверсии, а его робастность и эффективность являются принципиальными для удачного завершения инверсии. Хотя трассирование лучей представляет собой хорошо известный способ числового моделирования и широко используется в области акустики для вычислений времен пробега, имеются многочисленные ограничения этого способа, препятствующие робастному использованию его для звуковой томографии. Например, в звуковом приборе сама по себе создается прямая связь между излучателем и приемниками. Прохождение волн через приборную колонну вносит помеху в измеряемые сигналы. В соответствии с этим кое-кто вводит внутриприборные акустические изоляторы между излучателями и приемниками для уменьшения помехи сигналу. Один способ акустической изоляции заключается в увеличении расстояния между излучателями и приемниками. Однако, чем больше расстояние между передатчиками и приемниками, тем меньше амплитуда акустического сигнала. Поэтому желательно ограничивать расстояние между излучателями и приемниками и все же акустически изолировать их друг от друга вдоль приборной колонны.

Кроме того, для большей части скважинных приборов требования к механической прочности акустических изоляторов являются жесткими. Многие скважинные приборы продолжаются на тысячи метров до забоя скважины, и поэтому изолятор должен иметь соответствующую прочность, чтобы выдерживать любые части прибора, подвешиваемые к нему. К тому же, могут быть искривления скважины, в которые изолятор должен быть способен вписываться, все это при сохранении структурной целостности и акустической изоляции приемников и излучателей. Однако типичные изоляторы не являются в достаточной степени механически прочными, чтобы выдерживать высокие рабочие растягивающие нагрузки, вписываться в искривления скважины и вдобавок обеспечивать акустическую изоляцию при измерениях продольных и изгибных волн на заданных частотах.

Настоящее изобретение направлено на исключение или по меньшей мере на уменьшение последствий одной или нескольких проблем, изложенных выше.

Сущность изобретения

Настоящим изобретением удовлетворяются описанные выше потребности и другие. А именно, настоящим изобретением предоставляются установка и способы для изоляции акустических излучателей и приемников и также обеспечивается высокая прочность на растяжение. В настоящем изобретении используется массопружинный механический фильтр для ослабления прохождения волн через акустические каротажные приборы. Массопружинный механический фильтр имеет высокую прочность на растяжение и является работоспособным в условиях высокой температуры и высокого давления. Массопружинный механический фильтр может быть модульным с несколькими ступенями, соединенными друг с другом. Несколько ступеней обеспечивают более низкую частоту среза, чем та, которая была доступна ранее.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящим изобретением предоставляется скважинная акустическая приборная установка, включающая в себя: акустический источник, акустический приемник и акустический изолятор, расположенный между акустическим источником и акустическим приемником. Акустический изолятор включает в себя модульный массопружинный механический фильтр, который может иметь две или более ступеней. В соответствии с одним вариантом осуществления каждая ступень содержит корпус, качающуюся втулку, имеющую первый конец, прикрепленный к приборной колонне через посредство первого шарового соединения и продолжающийся в корпус, и первый набор пружинных дисков, прилегающий к качающейся втулке, для гашения качательного и осевого движений расширяемой втулки. Первое шаровое соединение включает в себя кольцо, расположенное вокруг первого конца качающейся втулки, и первый и второй шарики, расположенные между внутренней поверхностью кольца и внешней поверхностью первого конца качающейся втулки, для обеспечения возможности качания качающейся втулки. Качающаяся втулка имеет первую ось, а первый и второй шарики обеспечивают возможность качания качающейся втулки подобно маятнику против усилия первого набора пружинных дисков. Установка может также включать в себя по меньшей мере один дополнительный шарик, расположенный между внешней поверхностью кольца и фитингом прибора, для обеспечения возможности осевого скольжения качающейся втулки и кольца против усилия первого набора пружинных дисков. Однако первое шаровое соединение не обеспечивает возможности осевого поворота и тем самым обеспечивает выравнивание, необходимое для точных дипольных измерений. Варианты осуществления с использованием второй ступени включают в себя сильфонное соединение, прикрепляющее последующие ступени к предыдущим ступеням. Сильфонное соединение содержит гибкий металлический сильфон, заполненный текучей средой, и внутреннюю металлическую сетчатую пружину для предотвращения контакта металл-металл между компонентами сильфонного соединения в случае, когда прибор отклоняется от стандартного положения.

В соответствии с другими вариантами осуществления предложен акустический изолятор, включающий в себя изоляторную ступень; при этом изоляторная ступень содержит корпус, имеющий первый и второй концы, набор дисковых пружин, расположенный в корпусе, и качающуюся втулку, содержащую первый и второй концы и опирающуюся на набор дисковых пружин на первом конце корпуса. Качающаяся втулка является аксиально скользящей в корпусе и может качаться в поперечном направлении вокруг шарового соединения. Качающаяся втулка не является аксиально поворотной вокруг шарового соединения. Изоляторная ступень также включает в себя сильфонное соединение на втором конце корпуса и в соответствии с некоторыми вариантами осуществления еще одну изоляторную ступень, соединенную с сильфонным соединением. Корпус обычно имеет полированную наружную поверхность для уменьшения деструкции дипольных изгибных мод. Изоляторная ступень имеет прочность на растяжение по меньшей мере 1000 фунтов, предпочтительно, чтобы она была 2000 фунтов, обеспечивая в то же время уровень ослабления по меньшей мере 20 дБ для звуковых частот волн сжатия и сдвига. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления изоляторная ступень обеспечивает уровень ослабления по меньшей мере 50 дБ.

Согласно другому объекту изобретения предложен способ ослабления прохождения акустических волн через акустический прибор, содержащий этап, на котором между секциями излучателей и приемников акустического прибора вводят подвижную механическую втулку, прилегающую к набору дисковых пружин. Способ может включать в себя введение между секциями излучателей и приемников акустического прибора множества подвижных, шарнирно соединенных механических втулок, при этом каждая прилегает к набору дисковых пружин. Для улучшения характеристики изоляции каждый диск каждого набора дисковых пружин может быть изолирован от соседних дисков пористыми пластиковыми кольцами.

Дополнительные преимущества и новые признаки изобретения будут изложены в описании, которое следует ниже, или могут быть усвоены специалистами в данной области техники путем чтения этих материалов или практического использования изобретения. Преимущества изобретения могут быть получены с помощью средств, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения.

Краткое описание чертежей

Сопровождающими чертежами иллюстрируются предпочтительные варианты осуществления, и они являются частью описания изобретения. Совместно с нижеследующим описанием чертежами демонстрируются и поясняются принципы настоящего изобретения. На чертежах:

фиг.1 - вид спереди звукового каротажного прибора с модульным изолятором в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - перспективный вид с местным разрезом нескольких модульных изоляторных ступеней, показанных на фиг.1;

фиг.3 - перспективный вид в сечении одной из модульных изоляторных ступеней, показанных на фиг.2; и

фиг.4 - детализированный перспективный вид шарового соединения модульной изоляторной ступени, показанной на фиг.3.

Повсюду на чертежах идентичные элементы обозначаются одинаковыми позициями.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Ниже описываются иллюстративные варианты осуществления и объекты изобретения. Конечно, должно быть понятно, что при разработке любого такого реального варианта осуществления для достижения конкретных целей разработчика должны быть приняты многочисленные специфические для реализации решения, например, связанные с системными ограничениями, и связанные с экономическими ограничениями, которые будут изменяться от одной реализации к другой. Кроме того, должно быть понятно, что такие работы могут быть сложными и требующими больших затрат времени, но тем не менее должны быть обычным делом для специалистов в данной области техники, имеющих пользу от этого раскрытия.

Настоящим изобретением предусматривается акустическая изоляция между излучателями и приемниками акустических приборов, в частности звуковых каротажных приборов. Исторически кое-кто использовал звуковые изоляторы между излучателями и приемниками, но прежние изоляторы способствовали ослаблению каротажной приборной колонны, при этом иногда происходил обрыв на изоляторе еще при спуске вниз по стволу скважины. В дополнение к этому прежние изоляторы были выполнены преимущественно из пластика, который обеспечивает высокое демпфирование в материале, но, кроме того, является сильно зависимым от температуры. При решении многих прикладных задач технического обслуживания в скважине необходимо выполнять работы при высокой температуре и давлении, а высокие температуры и давления существенно ухудшали изоляционные характеристики прежних пластиковых изоляторов. Настоящим изобретением предоставляются способы и установка для осуществления изоляции между акустическими излучателями и приемниками вдоль приборной колонны без существенного ослабления колонны. Способы и установка также обеспечивают лучшие характеристики ослабления волн в более широком диапазоне условий, чем это было возможно ранее. Изоляция осуществляется при относительно небольшом расстоянии между излучателями и приемниками, а меньшее расстояние способствует проведению измерений посредством приемников при более высоких амплитудах. Способами и установкой, описываемыми в настоящей заявке, облегчается создание акустической изоляции между излучателями и приемниками во всем диапазоне звуковых частот и для всех полезных акустических мод, включая монопольные и дипольные моды.

Использованный повсюду в описании и формуле изобретения термин «пружинный диск» означает диск или шайбу конической формы, используемую в качестве пружины для запасания или поглощения энергии, также обычно известную как пружина Бельвиля. Термин «звуковые» относится к акустическим, или звуковым, волнам, имеющим частотный диапазон приблизительно от 1 до 25 кГц. «Маятник» представляет собой деталь, подвешенную к неподвижной опоре так, что она свободно качается. Слова «включающий в себя» и «имеющий», используемые в описании, включая формулу изобретения, имеют тот же смысл, что и слово «содержащий».

Теперь обратимся к чертежам и, в частности, к фиг.1, на которой показан акустический прибор, например звуковой каротажный прибор (100), выполненный согласно принципам настоящего изобретения. Как и многие звуковые приборы, звуковой каротажный прибор (100) используют для каротажа в стволе скважины путем осуществления измерений различных колебательных сигналов и передачи результатов измерений вверх по стволу скважины. Поэтому звуковой каротажный прибор (100) включает в себя блок (102) обработки и телеметрии, секцию (104) звуковых приемников и секцию (106) звуковых излучателей. Блок (102) обработки и телеметрии может включать в себя компьютерный процессор для управления возбуждением звуковых излучателей из секции (106) звуковых излучателей, приема результатов измерений колебательных сигналов, осуществляемых секцией (104) звуковых приемников и передачи в оборудование, установленное около устья скважины.

Предпочтительно, чтобы, как показано на фиг.1, секция (104) звуковых приемников включала в себя группу отдельных звуковых приемников (108) и имелось несколько звуковых излучателей. Например, в соответствии с вариантом осуществления с фиг.1, секция (106) звуковых излучателей включает в себя монопольный излучатель (110) и верхний и нижний дипольные излучатели (112, 114) соответственно. Монопольный излучатель (110) и верхний и нижний дипольные излучатели (112, 114), а также звуковые приемники (108) облегчающие измерения волн сжатия и сдвига, прошедших через прилегающие пласты, и их легко получить от различных поставщиков.

Как упоминалось выше, чтобы снизить помеху, поступающую к звуковым приемникам (108) вследствие прохождения звуковых волн через звуковой каротажный прибор (100), а не через прилегающий пласт, звуковой каротажный прибор включает в себя секцию (116) акустических, или звуковых, изоляторов. В соответствии с вариантом осуществления с фиг.1 секция (116) звуковых изоляторов содержит множество акустических, или звуковых, изоляторов или изоляторных ступеней (118). Как показано на фиг.1, имеются четыре изоляторных ступени (118), хотя в зависимости от конкретных потребностей их может быть столь же мало, как одна, или столь же много, как двадцать или более. В соответствии с вариантом осуществления с фиг.1 для образования модульного звукового изолятора все изоляторные ступени во множестве изоляторных ступеней (118) выполнены по существу идентичными. Однако каждая из изоляторных ступеней (118) также может быть несколько иной. Например, каждая из изоляторных ступеней (118) может иметь иную массу или константу пружины. Как показано на фиг.1, каждая из изоляторных ступеней (118) является гладко отполированной, и все они находятся заподлицо по отношению друг к другу и к периферии наружного диаметра звукового каротажного прибора (100). Поэтому изоляторные ступени (118) не вносят искажений в звуковые сигналы, как некоторые прежние изоляторы с обработанными начерно поверхностями.

Каждая из изоляторных ступеней (118) содержит массо-пружинный механический гаситель или фильтр, который ослабляет прохождение акустических волн через прибор (100). Использование нескольких изоляторных ступеней (118) также обеспечивает получение нескольких каскадных фильтров и, следовательно, обеспечивает получение более низкой частоты среза входного сигнала по сравнению с достигавшейся ранее. Однако каждая из изоляторных ступеней (118) имеет высокую прочность на растяжение для поддержания значительной массы, которая может быть подвешена к изоляторным ступеням (118). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления прочность на растяжение каждой из изоляторных ступеней (118) составляет по меньшей мере 1000 фунтов, а изоляторные ступени (118) могут работать в качестве звуковых изоляторов, выдерживая такую нагрузку. Однако предпочтительно, чтобы прочность на растяжение каждой из изоляторных ступеней (118) была по меньшей мере 2000 фунтов, и опять, чтобы они могли бы работать в качестве звуковых изоляторов, выдерживая такую нагрузку. Даже при нагрузках, составляющих по меньшей мере 2000 фунтов, изоляторные ступени (118), сами или в сочетании, ослабляют уровни акустической энергии по меньшей мере на 50 дБ.

Массопружинная механическая конструкция изоляторных ступеней (118) показана более подробно со ссылкой на фиг.2. На фиг.2 показан вид с местным разрезом изоляторных ступеней (118). Ради ясности на фиг.2 для иллюстрации принципов изобретения полностью показаны только две изоляторные ступени (118). Как показано на фиг.2, каждая из изоляторных ступеней (118) включает в себя наружный корпус (120) и множество внутренних компонентов. Предпочтительно, чтобы наружный корпус (120) был изготовлен из нержавеющей стали или из других конструкционных материалов. Внутри наружного корпуса (120) находится качающаяся втулка (122), которая образует массу, или маятник, массо-пружинной фильтрующей конструкции. Качающаяся втулка (122) на первом конце (124) прикреплена к соседней изоляторной ступени (118) посредством шарового соединения (126). Шаровое соединение (126) показано и описано более подробно ниже со ссылками на фиг.3-4. Хотя конкретно указано, что втулка (122) прикреплена к соседней изоляторной ступени (118), качающаяся втулка первой или самой верхней изоляторной ступени (118) может быть прикреплена к сопряженному фитингу колонны звуковых каротажных приборов (100, фиг.1). Шаровое соединение (126) обеспечивает возможность раскачивания качающейся втулки (122) подобно маятнику в любом числе поперечных направлений относительно оси (128) прибора. В дополнение к этому шаровое соединение (126) обеспечивает возможность ограниченного осевого скольжения качающейся втулки (122) внутри наружного корпуса (120) вдоль оси (128) прибора. Поэтому качающаяся втулка может реагировать на звуковые волны сжатия и изгиба и гасить их, не допуская прохождения их к секции (104, фиг.1) приемников.

Однако для гашения и ослабления волны, проходящей через звуковой каротажный прибор (100, фиг.1), акустическая или звуковая энергия, получаемая качающейся втулкой (122), передается к пружинной системе. В соответствии с вариантом осуществления с фиг.2 пружинная система представляет собой набор (130) пружин Бельвиля или дисковых пружин. Набор (130) дисковых пружин создает сосредоточенные и эффективные силы сжатия пружин, которые в соответствии с настоящим изобретением используются для поглощения акустической энергии. В соответствии с вариантом осуществления из фиг.2 набор (130) дисковых пружин содержит комбинацию из семи дисков (132), хотя для оптимизации частотной характеристики и ослабления амплитуды может быть использовано любое число дисков. Набор (130) дисковых пружин прилегает к качающейся втулке (122) и создает силу, противодействующую качанию и осевому движению ее. Поэтому, когда качающаяся втулка (122) стремится передвинуться в ответ на действие волновой энергии, исходящей из секции (106, фиг.1) излучателей, то движение гасится набором (130) дисковых пружин.

В соответствии с показанным вариантом осуществления отдельные диски (132) набора (130) дисковых пружин изолированы друг от друга для предотвращения прохождения волн из одного диска (132) к другому. В случае, если диски (132) непосредственно соприкасаются с общей осью или друг с другом, акустическая энергия будет проходить через них. Поэтому диски (132) отделены друг от друга внешним разделительным кольцом (134) и/или внутренним разделительным кольцом (136). Внешнее и внутреннее разделительные кольца (134, 136) содержат пористый пластичный или другой звукопоглощающий материал.

По другую сторону от шарового соединения (126) каждая из изоляторных ступеней (118) соединена со следующей ступенью через посредство сильфонного соединения (138). Подобно шаровому соединению (126) сильфонное соединение (138) обеспечивает возможность осевого и качательного движений, но предотвращает осевой поворот. Предотвращение осевого поворота может быть желательным в случае, когда, например, осуществляют дипольные волновые измерения. Между сильфонным соединением (138) и следующей изоляторной ступенью (118) также может находиться переходник, например металлическая сетчатая пружина (140), и пористая пластиковая губка (142). Металлическая сетчатая пружина (140) и пористая пластиковая губка (142) могут предотвращать непосредственный контакт металл-металл между сильфонным соединением (138) и другими металлическими компонентами, такими, как качающаяся втулка (122), если звуковой каротажный прибор (100, фиг.1) изгибается, например, вследствие искривления скважины. Непосредственный контакт металл-металл между сильфонным соединением (138) и другими компонентами может создавать путь прохождения волны, что является нежелательным для звукового каротажного прибора (100, фиг.1). В соответствии с некоторыми вариантами осуществления внутренность наружного корпуса (120) может быть заполнена текучей средой, такой, как масло, и она вместе с фасонными пластиковыми вкладышами (144) повышает звукопоглощающую способность набора (130) дисковых пружин. Однако шаровое соединение (126) и сильфонное соединение (138) образуют опорную структуру, которая не нарушается добавлением более слабых звукопоглощающих материалов, таких как пластиковые вкладыши (144).

Далее обратимся к фиг.3-4, на которых отдельная изоляторная ступень (118) показана в сечении. Как показано на фиг.3, качающаяся втулка (122) может скользить в осевом направлении в наружный корпус (120) и из него, а также совершать качательное движение в поперечном направлении. Однако для ослабления прохождения волн, набор (130) дисковых пружин создает звукопоглощающее сопротивление на втором конце (146) качающейся втулки (122). Второй конец (146) качающейся втулки (122) прилегает к набору (130) дисковых пружин показанным способом, так что набор дисковых пружин препятствует как осевому, так и поперечному качательному движениям. Сильфонное соединение (138) обеспечивает гибкость между изоляторной ступенью (118) и соседней изоляторной ступенью. Шаровое соединение (126) обеспечивает возможность качательного и осевого движений и более детально показано на фиг.4.

Обратимся к фиг.4, где шаровое соединение (126) включает в себя кольцо (150) на первом конце (124) качающейся втулки (122). По меньшей мере один шарик расположен, а согласно фиг.4 первый и второй шарики (152, 154) расположены между внутренней поверхностью (156) кольца (150) и внешней поверхностью (158) качающейся втулки (122). Предпочтительно, чтобы первый и второй шарики (152, 154) находились в первой и второй выемках (160, 162), которые создают ограничение осевому повороту, но обеспечивают возможность качательного движения вдоль поверхностей шариков. Кроме того, шаровое соединение (126) может включать в себя дополнительный набор шариков (164), показанных на фиг.4 снаружи кольца (150). Дополнительные шарики (150) обеспечивают возможность скольжения в дополнительных выемках (166). Дополнительные шарики (164) могут быть расположены между выемками (166) кольца и сопряженными выемками в сильфонном соединении (138, фиг.3) или в фитинге колонны звуковых приборов (непоказанном).

В соответствии с этим, когда излучатели секции (106, фиг.1) звуковых излучателей возбуждают, звуковая энергия проходит через акустический каротажный прибор (100, фиг.1) и к секции (104, фиг.1) звуковых приемников. Однако звуковая энергия побуждает массу (122) качающейся втулки перемещаться против силы, создаваемой набором (130, фиг.2) дисковых пружин. Энергия волн сжатия побуждает массу (122) качающейся втулки скользить в осевом направлении по дополнительным шарикам (164, фиг.4) шарового соединения (126, фиг.4), а энергия изгибной волны побуждает качающуюся втулку (122, фиг.3) качаться в поперечном направлении по первому и второму шарикам (152, 154, фиг.4). Движению создает сопротивление и гасит его набор (130) дисковых пружин, значительно или полностью ослабляющий прохождение звука до того, как он достигает секции (104, фиг.1) звуковых приемников. Поэтому более вероятно, что результаты звуковых измерений, осуществляемых посредством приемников (108, фиг.1), включают в себя сигналы от пласта и менее вероятно, что они включают в себя помеху, являющуюся результатом прохождения через прибор (100, фиг.1).

Предшествующее описание представлено только для иллюстрации и описания изобретения. Оно не предполагается исчерпывающим или ограничивающим изобретение какой-либо определенной раскрытой формой. В свете изложенной выше идеи возможны многочисленные модификации и варианты.

Предпочтительные варианты осуществления были выбраны и описаны для наилучшего пояснения принципов изобретения и его практического применения. Предполагается, что предшествующее описание даст возможность другим специалистам в данной области техники наилучшим образом использовать изобретение в различных вариантах осуществления и с различными модификациями, подходящими к предполагаемому конкретному использованию. Предполагается, что объем изобретения ограничивается нижеследующей формулой изобретения.