АКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
WELL ACOUSTIC PROGRESSIVE WAVE EMITTER

Изобретение относится к области геофизики и прикладной гидроакустики и может быть использовано в мощных звуковых устройствах обработки продуктивных зон нефтяных и водяных скважин для повышения их производительности, а также для акустического профилирования верхнего слоя земной коры.
Известен акустический скважинный излучатель по патенту РФ № 2169383 (МПК 7 Н04R 1/44, 20.06.01). Данный акустический скважинный излучатель содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем.
Недостатком такого акустического скважинного излучателя является его направленность в вертикальной плоскости, в результате чего практически все излучение локализовано в горизонтальном направлении. Этот недостаток акустического скважинного излучателя затрудняет его использование для вертикального зондирования грунта или профилирования.
Известен акустический скважинный излучатель по патенту РФ № 2276475 (МПК H04R 1/44, 04.10.2004). Данный акустический скважинный излучатель содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем. Кроме того, N (по числу пьезопакетов) акустически мягких цилиндрических экранов размещены между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса. Торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1.2-1.3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде. Расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0.2-0.25)λ, где λ-длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде. Источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором. При этом первые N входов-выходов коммутатора соединены с электрическими входами-выходами N пьезопакетов, а симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N позиционного коммутатора, причем N позициям коммутатора соответствуют N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках жесткого герметичного цилиндрического корпуса. Расстояние между центрами звукопрозрачных промежутков равно (0.8-0.85) λ.
Такой акустический скважинный излучатель обладает значительно большими функциональными возможностями и является наиболее близким к предлагаемому изобретению.
Недостатком известного акустического скважинного излучателя является то, что он не может формировать однонаправленное излучение в вертикальном направлении, что затрудняет его использование для целей профилирования верхнего слоя земной коры в задачах геофизики и прикладной гидроакустики.
Задачей настоящего изобретения является разработка такого акустического скважинного излучателя бегущей волны, который формирует однонаправленное излучение в вертикальном направлении.
peз
1
1
Для достижения поставленной задачи в акустическом скважинном излучателе бегущей волны, содержащем активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, со звукопрозрачными окнами, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, набор мягких экранов, источник питания, электрически соединенный с излучателем, содержащий задающий генератор и усилитель мощности с симметричным выходом, причем торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде, звукопрзрачные окна размещены между торцевыми накладками и узловой плоскостью пьезопакетов, каждый пружинный элемент выполнен в виде короткого цилиндра таких размеров, что резонансная частота изгибных колебаний торцевой накладки, опертой на пружинный элемент, составляет f=(0.8-0.9)f, где f-частота полуволнового резонанса пьезопакета. Кроме того, мягкие экраны, толщина которых на порядок меньше толщины пьезопакетов, расположены между торцевыми накладками соседних модулей и между торцевыми накладками концевых модулей и торцевыми крышками корпуса, в источник питания введен второй усилитель мощности с симметричным выходом и фазовращатель, сдвигающий фазу входного сигнала на 90°, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен со входом второго усилителя мощности с симметричным выходом. Каждый из пьезопакетов, число которых равно 2N, разделен на две электрически независимые секции, верхнюю и нижнюю относительно узловой плоскости пьезопакета, причем все верхние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом, все верхние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом.
В заявленном акустическом скважинном излучателе бегущей волны общими существенными признаками для него и прототипа являются:
- содержат активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками;
- активные модули размещены по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса;
- корпус заполнен электроизоляционной жидкостью и содержит звукопрозрачные окна;
- пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса;
- набор мягких экранов;
- источник питания, электрически соединенный с излучателем, содержащий задающий генератор и усилитель мощности с симметричным выходом;
- торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного акустического скважинного излучателя и прототипа показывает, что первый, в отличие от прототипа, имеет следующие отличительные признаки:
- звукопрзрачные окна размещены между торцевыми накладками и узловой плоскостью пьезопакетов;
peз
1
1
- каждый пружинный элемент выполнен в виде короткого цилиндра таких размеров, что резонансная частота изгибных колебаний торцевой накладки, опертой на пружинный элемент, составляет f=(0.8-0.9)f, где f-частота полуволнового резонанса пьезопакета;
- мягкие экраны, толщина которых на порядок меньше толщины пьезопакетов, расположены между торцевыми накладками соседних модулей, а также между торцевыми накладками концевых модулей и торцевыми крышками корпуса;
- в источник питания дополнительно введен второй усилитель мощности с симметричным выходом и фазовращатель, сдвигающий фазу входного сигнала на 90°, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен со входом второго усилителя мощности с симметричным выходом;
- каждый из пьезопакетов, число которых равно 2N, разделен на две электрически независимые секции, верхнюю и нижнюю относительно узловой плоскости пьезопакета, причем все верхние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом, все верхние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом.
Наличие в составе акустического скважинного излучателя бегущей волны двух усилителей мощности с симметричным выходом, на входы которых подаются сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, позволяет получить на выходе источника питания излучателя четыре сигнала, фазы которых отличаются на 90° во всем диапазоне и составляют 0°, 90°, 180°, 270°. В качестве идеального фазовращателя можно использовать цифровое устройство, реализующее преобразование Гильберта [3] или аналоговый вариант типа R-C цепочки. В свою очередь, наличие в составе излучателя 2N пьезопакетов четных и нечетных номеров, каждый из которых разделен на две электрически независимые секции, верхнюю и нижнюю, позволяет объединить все секции в четыре электрически независимые группы, пространственный сдвиг которых в направлении излучения составляет примерно половину длины пьезопакета. При такой организации возбуждения пьезопакетов и при условии, что на половине длины пьезопакета укладывается примерно четверть длины волны во внешней рабочей среде, на всей длине скважинного акустического излучателя устанавливается режим бегущей волны.
peз
1
1
эфф
эфф
Для выполнения этого условия эффективная скорость звука в пьезопакетах, определяющая частоту продольного резонанса, уменьшена частотопонижающими накладками до значения (1.2-1.3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде. Кроме того, рабочая частота пьезопакета с частотопонижающими накладками уменьшена дополнительно тем, что накладки оперты на пружинные элементы, каждый из которых выполнен в виде короткого цилиндра таких размеров, что резонансная частота изгибных колебаний торцевой накладки, опертой на пружинный элемент, составляет f=(0.8-0.9)f, где f-частота полуволнового резонанса пьезопакета. Для выполнения этого условия достаточно подобрать материал цилиндра (сплавы А1, сталь) и его внутренний радиальный размер, сохраняя неизменной его толщину (высоту), которая будет определяться толщиной мягких экранов. При выполнении этих двух условий скорость распространения бегущей волны вдоль скважинного акустического излучателя близка к скорости звука во внешней рабочей среде, а излучатель формирует однонаправленное излучение вдоль своей оси. Угол максимума характеристики направленности определяется выражением (β=arccos(C/C), где С-эффективная скорость звука в пеьзопакетах (скорость распространения бегущей волны), а ширина характеристики направленности определяется апертурой акустического скважинного излучателя в направлении излечения, т.е. его длиной.
Акустически мягкие экраны, толщина которых на порядок меньше толщины пьезопакетов, расположенные между торцевыми накладками соседних модулей и между торцевыми накладками концевых модулей и торцевыми крышками корпуса, уменьшают паразитную акустическую связь между соседними модулями и между концевыми модулями и корпусом излучателя. При этом продольно-изгибные колебания отдельных модулей трансформируются в радиальные колебания электроизоляционной жидкости в корпусе излучателя, энергия которых через звукопрозрачные окна выводится во внешнюю рабочую среду в виде сфазированного в направлении оси излучения.
Таким образом, данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков позволила реализовать режим бегущей волны и сформировать однонаправленное излучение скважинного акустического излучателя в вертикальном направлении. При использовании излучателя вне скважины однонаправленное излучение формируется вдоль его оси, что также представляет практический интерес в прикладной гидроакустике.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.
Заявленный акустический скважинный излучатель бегущей волны поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схематическая конструкция акустического скважинного излучателя, на фиг.2 - фрагмент излучателя с активным модулем, пружинными элементами, мягкими экранами и звукопрозрачным окном, на фиг.З - схема электрического соединения секций пьезопакетов с выходами усилителей мощности.
Акустический скважинный излучатель бегущей волны содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов 1. Каждый активный модуль состоит из одинаковых пьезокерамических шайб 2, склеенных через металлические электроды 3. На торцах активной части модуля имеются металлические частотопонижающие накладки 4. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической армирующей шпилькой 5, повышающей его механическую прочность. Шпилька помещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули размещены соосно в металлическом корпусе 6, имеющем звукопрозрачные окна 7. Модули акустически развязаны от корпуса с помощью резиновых прокладок 8, а с помощью пружинных элементов 9, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе 6, они образуют механически связанную цепочку. Металлические электроды верхней и нижней секций пьезопакета соединены между собой проводами 10. Первая и последняя гибкие пружины соединены с крышками 11 корпуса 6. Корпус 6 герметизирован резиновыми заглушками 12 и заполнен электроизоляционной жидкостью 13. Корпус 6 снабжен компенсатором 14, защищенным механически колпаком 15. Между металлическими накладками 4 соседних модулей, а также между металлическими накладками 4 и крышками 11 корпуса расположены мягкие экраны 16, например, из жесткого пенопласта.
Схема электрического соединения поясняется фиг.3. Сигнал с задающего генератора 17 подается на вход первого усилителя мощности 18 с симметричным выходом и через фазовращатель 19 на вход второго усилителя мощности 20 с симметричным выходом. Все верхние секции пьезопакетов с нечетными номерами подключаются к выходу (11) первого усилителя мощности 18. Все нижние секции пьезопакетов с нечетными номерами подключаются к выходу (21) второго усилителя мощности 20. Все верхние секции пьезопакетов с четными номерами подключаются к выходу (12) первого усилителя мощности 18. Все нижние секции пьезопакетов с четными номерами подключаются к выходу (22) второго усилителя мощности 20.
Акустический скважинный излучатель работает следующим образом.
Сигнал с задающего генератора 17 поступает на вход усилителя мощности 18 и через фазовращатель 19, изменяющий фазу сигнала на 90°, на вход усилителя мощности 20. На выходах усилителей мощности 18 и 20 формируются четыре сигнала, фазы которых отличаются на 90° и составляют 0°, 90°, 180°, 270°. Эти четыре сигнала подаются по многожильному кабель - тросу - на четыре группы секций пьезопакетов акустического скважинного излучателя, сформированных так, как описано выше. При подаче сигналов звуковой частоты на отдельные секции излучателя возбуждаются резонансные колебания механической системы, состоящей из отдельных секций модулей, каждый из которых оперт частотопонижающими накладками на пружинные элементы, играющие роль элементов упругости. Эти колебания трансформируются в радиальные колебания объема электроизоляционной жидкости, заполняющей корпус излучателя, которые излучаются через звукопрозрачные окна во внешнюю рабочую среду. Фазовые соотношения между колебаниями отдельных секций соответствуют волне, бегущей вдоль оси излучателя. При достаточной апертуре излучателя формируется мощное однонаправленное излучение, направленное вертикально вниз, если излучатель работает в скважине, либо вдоль его оси, если излучатель работает вне скважины.
Источники информации
1. Патент Российской Федерации № 2169383, МПК 7 Н04R 1/44, 20.06.01.
2. Патент Российской Федерации № 2276475, МПК H04R 1/44, 04.10.2004 - прототип.
3. А.Б.Сергиенко. Цифровая обработка сигналов, 2-е издание, СПб. Питер, 2006, с.64-65.