Скважинный акустический излучатель
WELL ACOUSTIC TRANSMITTER

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено, в частности, для обработки нефтяных и газовых скважин.
Известно устройство для акустического воздействия на призабойную зону продуктивных пластов по патенту РФ № 2026970, содержащее наземный блок, соединенный посредством кабеля со скважинным прибором, состоящим из генератора, акустического излучателя и датчика, при этом скважинный прибор выполнен трехсекционным с локатором муфт, при этом в нижней секции размещен акустический излучатель, в средней секции - генератор, в верхней секции - локатор муфт и датчик. Нижняя секция скважинного прибора заполнена трансформаторным маслом и вакуумирована, средняя секция - заполнена трансформаторным маслом не более чем на 3/4 ее объема и находится под атмосферным давлением, а верхняя секция сообщена с окружающей средой в месте размещения датчика.
Недостатком устройства по патенту № 2026970 является то, что излучение от торцевых поверхностей акустического излучателя происходит в обе стороны, причем, излучение происходит в жидкость, которой заполнен прибор и через стенку корпуса прибора акустическое поле распространяется в скважину, что вызывает потери  акустической мощности,  в результате мощность излучения, а, следовательно, и эффективность воздействия на призабойную зону резко уменьшаются.
Известен скважинный акустический излучатель по патенту РФ № 2196217, содержащий опорный корпус, состоящий из открытой части, контактирующей со скважинной жидкостью посредством выполненных в открытой части опорного корпуса окон, и герметичной части, заполненной электроизоляционной жидкостью и имеющей воздушную полость, находящуюся под атмосферным давлением, при этом в опорном корпусе расположен стержневой магнитострикционный преобразователь, причем верхняя излучающая поверхность магнитострикционного преобразователя взаимодействует с воздушной полостью, при этом в опорном корпусе дополнительно установлен акустический волновод, выполненный в виде металлического цилиндра, жестко и соосно соединенного своей верхней торцевой поверхностью с нижней излучающей поверхностью магнитострикционного преобразователя, кроме того, акустический волновод в своей средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с опорным корпусом, разделяя его на открытую и герметичную части, причем нижняя торцевая поверхность акустического волновода расположена в открытой части опорного корпуса.
Недостатком акустического излучателя по патенту № 2196217 является его недостаточная эффективность в эксплуатации, ограниченные функциональные возможности.
Акустический излучатель по патенту РФ № 2196217 выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением – создание  эффективного, надежного и удобного в эксплуатации скважинного акустического излучателя.
Технический результат, достигаемый изобретением – повышение эффективности и расширение функциональных возможностей.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в скважинном акустическом излучателе, содержащем корпус с герметичным участком, заполненным электроизоляционной жидкостью, источник акустического излучения, размещенный в полости герметичного участка корпуса, источник акустического излучения снабжен волноводом, жестко и соосно соединенным с излучающей поверхностью источника акустического излучения, с противоположной стороны часть волновода размещена в открытой полости корпуса,  сообщенной с внешней средой, волновод в средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с корпусом, разделяя его полости на открытую и герметичную, при этом открытый участок корпуса выполнен с возможностью обеспечения прохождения акустического излучения к скважине, согласно изобретению корпус содержит второй герметичный участок, при этом открытый участок корпуса расположен между герметичными участками, полость второго герметичного участка заполнена электроизоляционной жидкостью, в полости второго герметичного участка аксиально первому источнику акустического излучения расположен второй источник акустического излучения, снабженный волноводом, жестко и соосно соединенным с излучающей поверхностью второго источника акустического излучения и обращенным к первому волноводу, часть второго волновода размещена в открытой полости корпуса напротив первого волновода,  второй волновод в средней части, совпадающей с нулевой точкой своего колебания, по периметру жестко и герметично соединен с корпусом, отделяя открытую полость от второй герметичной полости, волноводы расположены на расстоянии друг от друга, при этом каждый волновод выполнен со сквозным отверстием, выходящим на противоположные торцы волновода и сообщенным с внутренней герметичной полостью корпуса, оба волновода соединены полой соединительной трубкой, установленной в сквозных отверстиях волноводов, при этом внутренняя полость соединительной трубки изолирована от открытой полости корпуса, источник акустического излучения и соединительная трубка установлены с возможностью изменения расстояния между волноводами.
Источник акустического излучения может быть выполнен в виде магнитострикционного преобразователя стержневого типа.
В качестве электроизоляционной жидкости может быть использовано трансформаторное масло.
В качестве электроизоляционной жидкости может быть использована высокотемпературная кремнийорганическая жидкость.
Давление жидкости внутри каждой герметичной полости может быть равно давлению в скважине.
Каждый волновод может быть выполнен с возможностью концентрирования акустического излучения по направлению от источника акустического излучения к открытому участку корпуса.
Во внутренней полости соединительной трубки могут быть размещены провода питания второго источника акустического излучения и контрольно-измерительной аппаратуры, расположенной за пределами второго герметичного участка корпуса.
Первый герметичный участок корпуса может быть расположен со стороны источника электропитания излучателя.
Каждый источник акустического излучения может быть выполнен с возможностью изменения частоты акустического излучения.
Каждый источник акустического излучения может быть соединен с волноводом посредством пайки.
Герметизация внутренней полости соединительной рубки может быть обеспечена посредством уплотнительных колец.
Уплотнительные кольца могут быть расположены в сквозных отверстиях в средней части каждого волновода.
Давления во внутренних герметичных полостях корпуса могут быть равны между собой.
В полости второго герметичного участка может быть расположен сильфон, предназначенный для выравнивания давления во внутренних герметичных полостях корпуса с давлением в скважине.
В сильфоне может быть выполнено закрывающееся отверстие для заливки в герметичные полости корпуса электроизоляционной жидкости.
За счет регулирования расстояния между волноводами и частоты акустического излучения каждого волновода возможно обеспечивать регулирование значения и направленности акустического поля в промежутке между волноводами.
Скважинный акустический излучатель содержит два стержневых источника акустического излучения (электроакустические преобразователи), расположенных аксиально на расстоянии друг от друга с возможностью изменения указанного расстояния. Корпус скважинного акустического излучателя содержит три аксиальных участка – центральный негерметичный участок, внутренняя полость которого может сообщаться с полостью скважины, а также два участка, смежных с центральным участком, выполненных герметичными. Данные участки, для удобства, можно называть крайними, имея при этом ввиду, что за пределами этих участков могут быть другие участки корпуса, предназначенные для целей, не влияющих на достижение заявленного в настоящей заявке технического результата. Внутренняя полость каждого из двух крайних участков изолирована от внешней среды и заполнена электроизоляционной жидкостью (например, трансформаторным маслом или кремнийорганической высокотемпературной жидкостью), которая находится под давлением, равным давлению в скважине. Во внутренней полости герметичных участков корпуса расположены стержневые источники акустического излучения, выполненные, например, из магнитострикционного материала. Торцы указанных источников акустического излучения (акустических преобразователей), обращенные друг к другу, снабжены волноводами, выходящими во внутреннюю полость центрального негерметичного участка. При этом указанные волноводы расположены на расстоянии друг от друга. Центральный негерметичный участок предназначен для соединения двух крайних участков, расположенных на расстоянии друг от друга и придания жесткости и целостности всей конструкции акустического излучателя. Боковая поверхность центрального участка выполнена с вырезами, обеспечивающими беспрепятственное прохождение акустического излучения, формирующегося в промежутке между волноводами, к стенке скважины.
Внутренние полости двух крайних герметичных участков сообщены между собой посредством полой соединительной трубки, для этого в каждом волноводе выполнено отверстие, выходящее, с одной стороны в соответствующую полость герметичного участка корпуса излучателя, а с другой стороны – в промежуток между волноводами в центральном участке корпуса. Для одновременного обеспечения функции концентрирования акустического излучения сквозное отверстие в каждом волноводе может быть выполнено таким образом, чтобы поперечное сечение волновода на его конце, обращенном к акустическому излучателю было больше, чем поперечное сечение волновода на конце, выходящем в центральный участок корпуса. Или же функцию концентрирования акустического излучения можно обеспечить геометрической формой (например, конусной) каждого волновода.
Соединительная трубка, с одной стороны, соединяет между собой волноводы, фиксируя их положение (а, следовательно, и положение акустических преобразователей) относительно друг друга, а с другой стороны, соединительная трубка позволяет подвести электропитание к акустическому преобразователю, расположенному в нижнем герметичном участке корпуса излучателя и к устройствам контроля и измерения, которые могут быть размещены в нижней части акустического излучателя. Подвод электропитания к устройствам контроля и измерения обеспечивается путем размещения (транзита) электропроводов во внутренней полости соединительной трубки. Это позволит оптимальным образом (надежно, без риска повреждения, без перегибов и т.д.) обеспечить электропитание второго акустического излучателя и осуществлять контроль акустического воздействия на скважину непосредственно в процессе воздействия.
Исходный промежуток (зазор) между волноводами задается размером негерметичного корпуса и длиной соединительной трубки. При этом величина указанного зазора определяется условием отражения от стенки скважины продольной волны, которое обеспечивается заданием угла падения акустической волны от волновода на стенку скважины не более критического угла, при котором сводится к минимуму внутреннее отражение.
Каждый акустический преобразователь с волноводом формирует акустическое излучение на собственной резонансной частоте f1 и f2, которые в частом случае могут быть равны между собой.
Путем подбора расстояния между источниками акустического излучения, можно обеспечить такую направленность основной составляющей акустического поля в промежутке между волноводами, при которой она будет падать на стенку скважины с минимальным отражением с тем, чтобы большая часть полезной энергии акустического поля направлялась внутрь скважины, а не отражалась бы от стенки скважины.
Таким образом, обеспечивается максимальная эффективность заявляемого скважинного акустического излучателя.
Заявляемый акустический излучатель обладает высокой степенью адаптивности к различным типам скважин (универсальность, широкие функциональные возможности), к различным типам пластов, обусловленных особенностями геологии скважин, пластов, за счет возможности одновременного осуществления «грубой» настройки акустического поля в промежутке между волноводами и последующей «тонкой» настройки, более тонкой корректировки. Такую «грубую» настройку осуществляют путем изменения расстояния между источниками акустического излучения, а более «тонкую» настройку осуществляют путем подбора значений f1 и f2.
Все это свидетельствует о высокой адаптивной способности заявляемого излучателя, его универсальности, широкой функциональности.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей и универсальность устройства для акустического воздействия на скважину, обеспечивает повышение эффективности акустического воздействия на скважину.
Каждый источник акустического излучения (акустический преобразователь) со своим волноводом соединены между собой при помощи пайки, например, серебряным припоем, либо любым другим.
Внутренние полости герметичных участков корпуса имеют гидравлическую связь, обеспечиваемую соединительной трубкой, которая имеет узел герметизации в виде резиновых колец, расположенных в соответствующих сквозных отверстиях в средней части волноводов. Таким образом, эти уплотнения находятся в узловой зоне наименьших колебаний в волноводах и не подвержены воздействию, которое могло бы привести к нарушению герметизации.
Выравнивание давления во внутренних полостях герметичных участков корпуса излучателя, заполненных электроизоляционной жидкостью под давлением равным давлению в скважине, осуществляется при помощи сильфона, который расположен во втором (нижнем) герметичном корпусе. При этом в полости первого герметичного участка корпуса (ближайшем к источнику электрической энергии) расположены герметичные электрические вводы при помощи которых осуществляется подключение обмоток возбуждения обоих магнитострикционных преобразователей. В сильфоне, кроме того, выполнено отверстие, закрытое пробкой, через которое производится заливка электроизоляционной жидкости одновременно во все герметичные полости корпуса скважинного излучателя.
Герметизация крайних участков корпуса излучателя по линии соединения с волноводами осуществляется, например, при помощи разъёмных резьбовых соединений и уплотнений резиновыми кольцами на фланцах волноводов, расположенных в их средней части.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено устройство для акустического воздействия на скважину в разрезе.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез А-А.
На фиг. 3 изображено акустическое поле, формируемое в промежутке между волноводами.
Скважинный акустический излучатель, фиг. 1 содержит корпус, содержащий три аксиальных участка – центральный участок 1, который выполнен негерметичным; два участка 2 и 3, расположенные с противоположных сторон центрального участка 1. Участки 2 и 3 корпуса выполнены герметичными для защиты расположенных в их полостях элементов излучателя – магнитострикционных стрежневых преобразователей 4 и 5, а также элементов, обеспечивающих подвод питания к преобразователям 4 и 5. Обращенные друг к другу торцы преобразователей 4 и 5 снабжены волноводами 6 и 7, выходящими во внутреннюю открытую полость центрального участка 1, при этом волноводы 6 и 7 расположены на расстоянии друг от друга. Центральный участок 1 выполнен с вырезами 8, обеспечивающими беспрепятственное прохождение акустического излучения, формируемого в промежутке между волноводами 6 и 7 к стенке скважины. Внутри волноводов 6 и 7 выполнены сквозные отверстия 9 и 10, выходящие с одной стороны во внутреннюю полость соответствующего герметичного участка корпуса 2 и 3, а с другой стороны – во внутреннюю полость центрального участка 1. В отверстия 9 и 10 волноводов 6 и 7 установлена полая соединительная трубка 11, внутренняя полость которой через отверстия 9 и 10 с одной стороны сообщена с внутренними полостями участков 2 и 3 корпуса, а с другой стороны – изолирована от внутренней полости центрального участка 1. Соединительная трубка 11 имеет двойное назначение: во – первых, она соединяет и фиксирует относительно друг друга волноводы 6 и 7, а во – вторых, через внутреннюю полость трубки 11 без риска повреждения могут проходить электропровода, предназначенные для питания второго магнитострикционного преобразователя 5, а также  для устройств контроля и измерения, расположенных в нижней части акустического излучателя. Давление во внутренних полостях излучателя выравнивается со скважинным давлением посредством сильфона 12.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
На каждый из акустических преобразователей 4 и 5 одновременно подается высокочастотное напряжение питания на их собственных резонансных частотах f1 и f2. Причем эти частоты могут быть равными либо отличаться друг от друга. Благодаря соединению преобразователей 4 и 5 с волноводами 6 и 7 соответственно, происходит передача упругой энергии колебаний от них в открытое пространство скважины через внутреннюю полость центрального участка 1 скважинного акустического излучателя. В скважинном пространстве происходит взаимодействие упругих волн давления от каждого излучателя и формирование суммарного акустического поля в скважине и прискважинном пространстве геологической среды. При таком расположении акустических излучателей формируется диаграмма направленности излучения как показано на фиг. 3. Диаграмма направленности представляет собой тело вращения относительно оси прибора и оси скважины с лепестками главных направлений излучения наибольшей амплитуды, которые распложены под определенным углом к продольной оси сборки излучатель – волновод. При наложении диаграмм направленности двух акустических излучателей, суммарная диаграмма меняет угол наклона главного лепестка в зависимости от расстояния между торцами волноводов. Зазор между излучающими поверхностями волноводов 6 и 7 задается размером негерметичного корпуса – центрального участка 1 и длиной соединительной трубки 11. При этом величина зазора определяется условием отражения от стенки скважины продольной волны главного лепестка диаграммы направленности, которое обеспечивается углом падения акустической волны на стенку скважины. Угол падения акустической волны в направлении главного лепестка не должен превышать значение критического угла, при котором сводится к минимуму внутреннее отражение.  Критический угол определяется отношением скорости волны в жидкости к скорости продольной и поперечной волны в массиве горной породы известными выражениями:
кр.p
ж
p
б = arcsin (V/V)    (1)
кр.s
ж
s
б = arcsin (V/V)     (2)
Диаграмма направленности акустического излучателя, приведенная на фиг.3 показывает направление главных лепестков излучения акустического поля при определенном зазоре D между концентраторами. Угол, показанный на рисунке равен 2б, т.е. равен величине двойного угла падения к нормали стенки скважины. Диаграмма направленности получена путем измерения давления акустического поля излучателя в свободном поле в плоскости вращения относительно оси проходящей через центральную точку, которая расположена на оси прибора между концентраторами.
Величина зазора D и угол раскрытия главных лепестков диаграммы направленности б определяются эмпирической зависимостью:
D = -3,0789* б + 148,71 (3)
которая была получена в процессе измерения диаграммы направленности в свободном поле при изменении зазора между концентраторами.
Зазор D имеет различное оптимальное значение для работы прибора в скважинах различного скоростного разреза. Так скважины, пробуренные в песчанике терригенных коллекторов, обладают низкоскоростным разрезом и потому критические углы отражения рассчитанные по формулам (1) и (2) будут отличаться от углов рассчитанных для высокоскоростных разрезов, например карбонатных коллекторов.
В общем виде в зависимости от рабочей частоты излучателя и типа жидкости в скважине, диапазоны задаваемого зазора составляет в относительных единицах величину: D*= (0,6 – 0,97)  для терригенных и D*= (1,13 – 1,69) , для карбонатных коллекторов. Где D* - величина зазора в относительных единицах длины волны в жидкости заполняющей скважину, л – длина волны в жидкости заполняющей скважину на частоте работы акустического излучателя.