ПРИЕМНИК СКВАЖИННОГО ПРИБОРА КРОССДИПОЛЬНОГО АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА

Полезная модель относится к области геологических исследований скважин и предназначена для одновременной регистрации продольных и поперечных акустических волн в открытом или закрытом стволе скважин.
Как известно, экстремальные условия в скважинах оказывают негативное влияние на приборы каротажа: бурильные трубы, бурильная колонна бьются о стенки скважины, подвергая ударам оборудование, в т.ч. чувствительные пьезоэлементы. Внутрискважинная буровая среда также создает неблагоприятные условия для работы приборов каротажа. Поэтому одной из важных задач является повышение прочности и надежности работы приборов в условиях внешних воздействий (высокие температуры, ударные нагрузки, агрессивное воздействие буровой жидкости на конструкцию и др.).
Известен чувствительный пьезокерамический элемент с накладками, предназначенный для применения в скважинном акустическом преобразователе при геофизических исследованиях в скважинах (см. патент на изобретение RU 2012020, МПК G01V 1/40, опубл. 30.04.1994). Чувствительный пьезокерамический элемент выполнен в виде продольно поляризованной трубки с сигнальным кольцевым электродом, размещенным по ее середине, при этом корпус выполнен из материала с акустической жесткостью, соизмеряемой с акустической жесткостью жидкости, заполняющей трубчатый корпус, длина последнего равна или более четверти длины волны на низшей частоте принимаемого сигнала, а отражатели соединены между собой по оси преобразователя несущей штангой.
Известен приемник, предназначенный для применения в модуле акустического каротажа при геофизических исследованиях в скважинах (см. патент на полезную модель RU 17633, МПК G01V 1/40, опубл. 10.04.2001). Каждый приемник выполнен в форме пьезокерамической сферы и закреплен в герметичном контейнере, образованном оболочкой из фторопласта, в один торец которой ввинчена заглушка с заливочным отверстием и винтом уплотнителя электроввода, а во второй вставлен подвижный поршень.
Недостатком данных аналогов является сложность конструкции и, как следствие, недостаточная прочность приемников.
Известен пьезоэлектрический датчик давления, предназначенный для применения в аппаратуре для выявления заколонных перетоков флюидов в обсаженных скважинах (см.
патент на изобретение RU 2069373, МПК G01V 1/16, G01V 1/40, опубл. 20.11.1996). Пьезоэлектрический датчик давления содержит корпус с электровыводами и пьезоэлемент, токопроводящие поверхности которого соединены с электровыводами. Пьезоэлемент выполнен в виде тонкостенного радиально-поляризованного цилиндра из керамики и размещен внутри оболочки из компаунда с наполнителем, прикрепленной к корпусу, и имеет сквозной паз 6 по образующей цилиндра.
Недостатком известного решения также является низкая прочность и высокий расход компаунда при изготовлении.
Наиболее близким к предлагаемоту техническому решению является приемник аппаратуры акустического каротажа (А.с. №1702335, МПК: G01V 1/40), содержащий размещенные в защитном колпаке пьезокерамическую сферу с горловиной, закрепленную на стержне эпоксидной смолой, и корпус, заполненный диэлектрическим материалом, при этом стержень закреплен на фторопластовой втулке, которая удерживается на корпусе приемника. Защитный колпак из фторопласта через уплотнение закреплен на корпусе. Сфера и колпак заполнены диэлектрической жидкостью.
Недостатком данного приемника является низкая прочность и сложность конструкции.
Известные из уровня техники приемники акустического каротажа обладают достаточно сложной конструкцией, обусловленной сложностью форм составных элементов, в т.ч. пьезоэлементов, из чего вытекает необходимость применения дополнительных соединительных деталей и технологических операций для крепления пьезоэлементов, что, в свою очередь, приводит к снижению прочности и надежности приемников. Пьезоэлементы цилиндрической формы характеризуются повышенной хрупкостью. Использование пьезоэлемента в виде цилиндра, например, по патенту RU 2069373, также связано с необходимостью вытачивания паза по образующей цилиндра, что может привести к его легкой деформации и нарушении целостности в процессе эксплуатации. Использование пьезоэлемента в виде сферы по А.с. №1702335 (прототип), связано с необходимостью ее крепления на стержне, который, в свою очередь, крепится на фторопластовой втулке, удерживаемой на корпусе приемника, при этом жесткое соединение сферы со стержнем осуществлено с помощью эпоксидной смолы. Однако за счет малой площади склеиваемых поверхностей данное соединение не обладает достаточной прочностью и надежностью. Кроме того, использование втулки для крепления пьезоэлемента к корпусу, может приводить к дополнительной разбалансировки прибора и потере прочности.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение прочности приемника за счет упрощения его конструкции и обеспечения при этом надежного соединения его элементов.
Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике скважинного прибора кроссдипольного акустического каротажа, содержащем корпус с электровыводами, колпак, пьезоэлемент, прикрепленный к корпусу и расположенный внутри колпака, при этом токопроводящие поверхности пьезоэлемента соединены с электровыводами, между пьезоэлементом и колпаком залита диэлектрическая жидкость, а между корпусом и колпаком расположено уплотнительное кольцо, согласно предлагаемому решению, пьезоэлемент выполнен в форме диска и прикреплен к торцу, корпуса посредством маслобензостойкого силиконового клея.
Корпус выполнен из полиэфирэфиркетона.
- Использование пьезоэлемента в виде диска позволяет осуществить его крепление непосредственно к торцу корпуса приемника, исключив использование стержней, втулок и других держателей, требующихся для фиксации сферического пьезоэлемента. При этом увеличивается площадь соприкосновения пьезоэлемента с корпусом в месте его крепления, и, тем самым, повышается жесткость соединения пьезоэлемента с корпусом по всей установочной поверхности. Кроме того, при такой реализации соединения большая часть корпуса находится под колпаком, что повышает прочность приемника, в отличие от прототипа, где корпус стыкуется с защитным колпаком. Использование в качестве компаунда для крепления пьезоэлемента - маслобензостойкого силиконового клея, имеющего хорошую адгезию к керамике и отверждающегося в процессе полимеризации его компонентов, обеспечивает прочность клеевого соединения. При этом соединение остается прочным в течение длительного времени и не разрушается при долговременном воздействии на него диэлектрической жидкости. Как известно, силиконовый клей обладает высоким температурным коэффициентом расширения (в 5-10 раз больше по сравнению с эпоксидным и термопластичным), при этом является эластичным и обладает невысокой твердостью. Относительное удлинение (сжатие) силиконового клея может достигать 700%, что позволяет с легкостью поглощать (демпфировать) удары и вибрации, в связи с чем силиконовый клей не вызывает отрыва компонентов, деформации, разрушения конструкции. Кроме того, силиконовый клей, в отличие от других (полиуретановых, эпоксидных, циано-крилатных, термопластичных и т.д.), способен продолжительно работать в широком диапазоне температур от -45°С до + 200°С (А. Савельев. Выбор силиконовых клеев-герметиков для сборки электроники. Информационный бюллетень «Поверхностный монтаж», декабрь 2010, №6; Е.Б. Свиридов, В.К. Дубовый. Книга о полимерах: свойства и применение, история и сегодняшний день материалов на основе высокомолекулярных соединений. Сев. (Арктич.) федер. ун-т - 2-е изд., испр. и доп. - Архангельск: САФУ, 2016. - 392 с).
Дополнительную прочность приемнику может придавать выполнение корпуса из полиэфирэфиркетона (PEEK), который представляет собой прочный термопластичный полимер, обладающий хорошим собственным демпфированием и являющийся устойчивым к механическим и химическим воздействиям, а также к воздействиям температур и давлений (И.А, Барвинский, И.Е. Барвинская. Справочник по литьевым термопластичным материалам; http://www.engplast.ru/content.php?663-PEEK). Материал PEEK по сравнению с фторопластом, используемым в А.с..№1702335, имеет прочность в три раза большую: предел прочности до 100 МПа у PEEK против 30 МПа у фторопласта 4, при этом плотность материала PEEK ниже чем у фторопласта, что обеспечивает лучшую акустическую изоляцию пьезоэлемента от корпуса скважинного прибора.
Таким образом, заявляемый технический результат достигается за счет использования пьезоэлемента более простой дисковой формы, позволяющей минимизировать количество составных деталей (упростить конструкцию приемника), исключив дополнительные элементы для крепления пьезоэлемента на корпусе. При этом жесткое и прочное соединение дискового пьезоэлемента с корпусом осуществляется при помощи обычной операции склейки посредством маслобензостойкого силиконового клея. Следует отметить, что выполнение данного соединения не требует затрат квалифицированного труда и высокой точности обработки соединяемых деталей, что безусловно позволяет существенно снизить трудоемкость при изготовлении приемника и, как следствие, снизить его стоимость. Кроме того, в отличие от сферических и цилиндрических пьезоэлементов, плоские пьезокерамические изделия проще в изготовлении, могут быть получены любой формы и размером, в частности, при резке пьезокерамической пластины (листа) фокусированным лазерным лучом по контуру вырезаемой детали или методом прессования.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена конструкция приемника. Позициями на чертеже обозначены:
1 - корпус;
2 - пьезоэлемент;
3 - электровывод;
4 - колпак;
5 - уплотнительное кольцо;
6 - компаунд;
7 - диэлектрическая жидкость.
Заявляемый приемник предназначен для регистрации акустических колебаний при установке в скважинный прибор кроссдипольного акустического каротажа (на чертеже не показан), состоящий из трех модулей - модуля излучателей, модуля памяти и модуля приемников.
Приемник содержит корпус 1 с цилиндрической частью и электровыводами 3, а также пьезоэлемент 2, имеющий форму диска и прикрепленный к торцу цилиндрической части корпуса 1 при помощи компаунда 6. Токопроводящие поверхности пьезоэлемента 2 соединены с электровыводами 3 корпуса 1. Приемник содержит колпак 4, выполненный в форме стакана, внутри которого вблизи дна расположен пьезоэлемент 2 и, соответственно, прикрепленная к пьезоэлементу цилиндрическая часть корпуса 1. Между пьезоэлементом 2 и колпаком 4 залита диэлектрическая жидкость 7, а для препятствия ее вытекания пространство между корпусом 1 и колпаком 4 герметизировано при помощи уплотнительного кольца 5.
Корпус 1 изготовлен из полиэфирэфиркетона (PEEK), обеспечивающего гашение паразитной акустической волны, идущей от модуля излучателей по корпусу скважинного прибора акустического каротажа. Компаунд 6 представляет собой маслобензостойкий силиконовый клей, обеспечивающий дополнительное замедление паразитной акустической волны. Применяемые материалы позволяют использовать приемник при высоких температурах до 200°С. Конструкция приемника позволяет при необходимости легко его заменить, не разбирая модуль приемников прибора акустического каротажа, а нахождение диэлектрической жидкости в герметичном пространстве под колпаком устраняет необходимость сливать и прокачивать весь модуль приемников диэлектрической жидкостью. Кроме того, колпак 4 придает конструкции приемника дополнительную механическую прочность и защиту от агрессивной среды. Дисковый пьезоэлемент 2 проще в изготовлении и надежнее в работе, чем цилиндрический или сферический.
Принцип работы скважинного прибора кроссдипольного акустического каротажа состоит в исследовании характеристик горных пород с помощью звуковых колебаний. Излучаемый модулем излучателей звук распространяется в околоскважинном пространстве, в результате чего образуются волны сжатия и сдвига внутри пласта. Звуковые волны из околоскважинного пространства воздействуют на пьезоэлемент 2, что приводит к появлению сигнала на электровыводах 3. При этом благодаря конструкции приемника воздействие паразитных волн на пьезоэлемент минимально. Модуль приемников регистрирует время прохождения звуковой волны от излучателя до приемника, а также амплитуду звуковых колебаний. Обработка зарегистрированных волновых картин в компьютерной программе позволяет получить геофизические данные о скорости распространения акустической волны в горных породах, петрофизические данные о пористости, литологии разреза, геомеханические данные о наличии анизотропии и ее ориентации, данные о механических напряжениях в породе.