Автономный скважинный спектральный шумомер

Полезная модель «Автономный скважинный спектральный шумомер» относится к области геофизики, а именно к исследованию акустического поля в нефтяных и газовых скважинах.
Известен «Комплексный скважинный прибор» по патенту на полезную модель RU21419U1 (опубликовано: 20.01.2002) [1], содержащий датчики расхода, давления, температуры, влагомера, индукционного резистивиметра, термоанемометра, шумомера, гамма-каротажа и локатора муфт, причем датчик шумомера размещен на нижнем конце прибора и отделен от корпуса прибора акустическим изолятором, также в другом варианте прибор имеет роликовые акустические изоляторы корпуса прибора от стенок скважины, оси вращения которых пересекаются с осью корпуса прибора.
Задачей полезной модели «Комплексный скважинный прибор» является повышение эффективности канала шумомера за счет снижения уровня акустических помех, связанных с трением корпуса прибора об стенки скважины, а также упрощение конструкции и повышение надежности прибора.
Однако недостаток полезной модели «Комплексный скважинный прибор» заключается в том, что прибор не является автономным, а также то, что он является комплексным.
Известен также патент на изобретение «Способ и устройство для скважинной спектральной шумометрии» RU 2499283 C1 (опубликовано: 20.11.2013.) [2].
У этого изобретения имеются признаки, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, например, является автономным и спектральным; содержит акустический детектор в виде датчика импульса давления или гидрофона, а его гидрофон может содержать пьезоэлектрический материал, установленный внутри камеры, а пьезоэлектрический материал может содержать пьезокерамику, при этом камера с акустическим детектором предпочтительно заполнена маслом, содействующим передаче акустического шума к пьезоэлектрическому материалу; блок компьютерной обработки может обеспечивать быстрое преобразование Фурье оцифрованного выходного сигнала из аналого-цифрового преобразователя.
Однако недостаток изобретения «Способ и устройство для скважинной спектральной шумометрии» заключается в том, что, например, его корпус имеет наибольший наружный диаметр 38 мм, что не позволит использовать его в узком межтрубном пространстве; также этот шумомер имеет длину 800 мм и большую массу - 5 кг; шумомер рассчитан на максимальное рабочее давление 60 МПа, а в некоторых скважинах давление достигает 100 МПа; шумомер рассчитан на максимальную температуру 120°С и более, а в некоторых скважинах температура достигает 150°С и более.
Известен также патент на полезную модель «Скважинный спектральный шумомер» RU 162515 U1, МПК G01V 13/00 (опубликовано: 10.06.2016) [3], который близок к заявляемой полезной модели по технической сущности. Эта полезная модель выбрана в качестве прототипа. Этот шумомер конструктивно выполнен в виде герметичного корпуса цилиндрической формы, внутри которого расположены два гидрофона, расстояние между которыми выбрано с учетом максимального значения длины волны анализируемого диапазона акустических колебаний, печатные платы с установленными на них интегральными микросхемами: операционных усилителей, цифровых потенциометров, программируемых фильтров, аналого-цифровых преобразователей, причем все эти элементы образуют два идентичных независимых функциональных блока аналоговой обработки, использование которых позволяет оценивать спектральную плотность сигнала, включая его фазовую составляющую, тем самым обеспечивается повышение точности и разрешения спектрального анализа, при этом печатные платы также содержат микроконтроллер и внутреннюю энергонезависимую память, в которую производится непрерывное сохранение оцифрованного сигнала, что повышает достоверность его интерпретации.
Недостатки патента RU162515U1: применение двух гидрофонов и двух идентичных независимых функциональных блоков аналоговой обработки усложняет конструкцию скважинного спектрального шумомера и увеличивает массу устройства и объем, необходимый для их размещения в корпусе (уменьшение массы и объема устройства); также патент RU 162515 U1 не исключил следующие недостатки патента RU 2499283 C1: 1) большой наружный диаметр корпуса шумомера (38 мм), что не позволяет применять его в узком межтрубном пространстве; 2) шумомер имеет большую длину 800 мм и большую массу - 5 кг, его корпус имеет большую величину толщины - 4 мм;
3) шумомер рассчитан на максимальное рабочее давление 60 МПа, а в некоторых скважинах давление достигает 100 МПа и более; 4) шумомер рассчитан на максимальную рабочую температуру 120°С, а в некоторых скважинах температура достигает 150°С и более.
Полезная модель «Автономный скважинный спектральный шумомер» (далее по тексту «шумомер») устраняет некоторые из вышеуказанных недостатков аналогов и прототипа.
В статье «Каротаж, ПВР и испытания в скважинах при высоких давлениях и температурах» [4] скважинная температура выше 149° принята как высокая, а давление принята высокой, когда требовалось оборудование для контроля давления, рассчитанное более чем на 69 МПа или ожидалось максимальное поровое давление с гидростатическим градиентом выше 18 кПа/м.
В нормативных документах компании Schlumberger скважины с высокими давлениями и с высокими температурами (далее «ВДВТ») делятся на три категории [5], исходя из повсеместно существующих технологических ограничений (1 - «скважины ВДВТ», 2 - «скважины ультра ВДВТ», 3 - «скважины ВДВТ-hc»). По этой классификации диапазон «скважин ВДВТ» начинается с температуры 150°С или давления 69МПа на забое. Даже если один из двух параметров попадает в пределы одной из принятых категорий ВДВТ, то скважина классифицируется как принадлежащая к этой категории.
Все три категории скважин ВДВТ нуждаются в оценке и испытаниях, требующих применения все более совершенных приборов и оборудования. Например, высокие температуры в скважинах ВДВТ выводят из строя электронику приборов. Высокие значения температуры и давления, как известно, влияют на показания датчиков приборов [4].
Целью полезной модели «Автономный скважинный спектральный шумомер» является расширение арсенала технических средств измерения шума путем разработки шумомера, надежно работающего при температурах до 150°С и при давлениях до 100 МПа, и имеющего уменьшенную массу и объем, а также пригодного для применения в скважинах с узким межтрубным пространством.
Техническим результатом полезной модели являются уменьшение массы и объема шумомера, и пригодность шумомера для проведения замеров в узком межтрубном пространстве.
Технический результат достигается за счет того, что автономный скважинный спектральный шумомер конструктивно выполнен в виде герметичного корпуса цилиндрической формы, внутри которого расположены гидрофон, печатная плата с установленным на ней интегральной микросхемой (операционного усилителя, цифрового потенциометра, программируемого фильтра, аналого-цифрового преобразователя), микроконтроллером, внутренней энергонезависимой памятью; а для уменьшения массы и объема его цилиндрический корпус имеет наружный диаметр не более 28 мм, при толщине не более 4 мм, а напротив гидрофона на корпусе шумомера предусмотрен суженный участок корпуса с наружным диаметром не более 25 мм, благодаря этому стенка корпуса на этом участке имеет толщину не более 1,5 мм.
Осуществление полезной модели. Надежная работа шумомера при температурах до 150°С достигается за счет того, что шумомер содержит высокотемпературные электрические и электронные компоненты типа элемента питания и печатных плат. Надежная работа шумомера при высоких давлениях до 100 МПа обосновывается следующими суждениями. Чем меньше диаметр цилиндрического корпуса, тем меньше сила давления, действующая на корпус, так как сила давления равна произведению давления на площадь корпуса. Поэтому наличие у заявляемого шумомера меньшего диаметра корпуса (28 мм в большей части корпуса и 25 мм напротив гидрофона) позволяет выдерживать большие значения давлений в скважине по сравнению с аналогами и с прототипом. Маленький диаметр корпуса также позволяет иметь меньшую массу и объем шумомера по сравнению с аналогами и с прототипом. Список научно технических источников, процитированных в заявке:
1. Патент на полезную модель RU 21419 U1, МПК Е21В 47/10, «Комплексный скважинный прибор». Опубликовано: 20.01.2002. Дата начала отсчета срока действия патента: 29.06.2001. / Фахреев И.А., Парфенов А.И.
2. Патент на изобретение RU 2499283 C1, МПК G01V 1/48, Способ и устройство для скважинной спектральной шумометрии. Опубликовано: 20.11.2013. / Давыдов Д.А., Асланян A.M.
3. Патент на полезную модель RU 162515 U1, МПК G01V 13/00, «Скважинный спектральный шумомер». Дата начала отсчета срока действия патента: 19.01.2016. Опубликовано: 10.06.2016. / ООО "Газпром георесурс".
4. Бэйрд Т., Филдс Т., Драммонд Р., Матисон Д., Лангсет Б., Мартин Э., Силипиньо Л. «Каротаж, ПВР и испытания в скважинах при высоких давлениях и температурах», Нефтегазовое обозрение, (весна 2000): с. 16-33.
5. ДеБрейн Г., Гринуэй Р., Харрисон Д., Пэррис М., Джеймс С., Мюллер Ф., Рэй Ш., Ридинг М., Темпл Л., Вутерих К. «Технологии высоких давлений и температур». Нефтегазовое обозрение, (осень 2008): с. 58-76.