Изолятор автономного прибора акустического каротажа
INSULATOR FOR INDEPENDENT ACOUSTIC LOGGING DEVICE

Изобретение относится к автономной аппаратуре волнового акустического каротажа и играет главную роль в достижении качественных сигналов при проведении измерений в сильнонаклонных и горизонтальных скважинах, а также в скважинах со сложной траекторией в условиях значительных эксплуатационных нагрузок, высоких температур, внешнего давления и агрессивного воздействия буровой жидкости на конструкцию.
Основными помехами акустического каротажа являются моды колебаний (например, продольные, изгибные), возникающие при импульсном возбуждении излучателей (монопольных, дипольных и т.п.) и распространяющиеся по корпусу автономной аппаратуры в направлении приемной антенны, поэтому при недостаточной акустической фильтрации происходит интерференция помехи с продольной волной по породе, затрудняя ее выделение при обработке. Использование прибора волнового акустического каротажа требует минимизации помех, как в конструкции блоков излучателей и приемной антенны, так и в промежутке между ними размещенного акустического изолятора. Автономный скважинный прибор доставляется к интервалу измерений с помощью бурильных труб, испытывая при этом нагрузки на сжатие и продольный изгиб при спуске, на растяжение при возможных прихватах (прилипание к стенке скважины за счет глинистой корки), которые значительно отличаются от нагрузок, характерных для приборов на геофизическом кабеле, предназначенных для акустического каротажа в вертикальных и слабонаклонных скважинах. Дополнительные преимущества при спускоподъемных операциях дает использование в конструкции приборов сквозного канала для прохождения промывочной жидкости, что облегчает их прохождение в сложных геологических условиях и дает возможность поддерживать устойчивое состояние скважины в процессе каротажа.
Сочетание высокой прочности и жесткости конструкции акустического изолятора и его акустической эффективности при наличии сквозного канала промывки является серьезной инженерной проблемой. Кроме того, для работы в скважинных условиях требуется защита от действия бурового раствора на внутренние элементы конструкции прибора, приводящего к коррозии и короткому замыканию контактов на электрических соединениях.
К настоящему времени разработано большое количество технических решений изоляторов-фильтров, основанных на принципах скоростной задержки помех, частотной фильтрации, поглощения энергии колебаний поглощающими материалами, акустически контрастными слоями, большими массами и упругими элементами, а также на различных комбинациях указанных принципов (см., Акустический герметичный изолятор - AC SU №1045188, МПК G01V 01/52, публикация от 30.09.1983; Акустический изолятор для каротажа скважины - патент US №5229553, МПК G01V 01/52, публикация от 20.07.1993; Акустический изолятор для акустического каротажа, патент US №5728978, МПК G10K 11/16, G01V 01/52, публикация от 02.08.1996; В.Ф. Козяр, Н.А. Смирнов, Д.В. Белоконь, Н.В. Козяр, Измерения параметров упругих волн зондами с монопольными и дипольными преобразователями, НТВ “Каротажник”, Тверь: ГЕРС, 1998, выпуск №42, стр. 14-30; Акустический изолятор между скважинных приемников и передатчиков - патент US №7216737, МПК G01V 01/00, G01V 01/16, G01V 01/32, G01V 01/40, публикация от 15.05.2000).
Известен акустический изолятор (см., патент US №3191141, МПК G01V 01/52, публикация от 22.06.1965), расположенный между излучателем и, по меньшей мере, двумя акустическими магнитострикционными преобразователями на фиксированном расстоянии друг от друга, выполненный в форме перфорированной трубы из стали. Расположение перфораций задает спиралевидный путь распространения энергии акустических волн, одновременно замедляя и ослабляя волну. Применение перфорированной трубы иногда дает удовлетворительные результаты для приборов только с монопольными излучателями, но зачастую не отвечает предъявляемым требованиям при использовании дипольных или прочих мультипольных излучателей. Кроме того, перфорированная конструкция показала себя довольно хрупкой либо склонной к чрезмерным деформациям в осевом или окружном направлениях.
Известен акустический изолятор, расположенный между акустическим источником и акустическим приемником (см., патент RU №2375726, МПК G01V 01/52, публикация от 10.12.2009), содержащий 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, при этом элемент и пружинная сборка выполнены с возможностью ослабления акустической энергии, проходящей через установку.
Это техническое решение построено на принципах скоростной задержки помех за счет механических контактных пружин, больших масс с упругими элементами, способное поглощать звуковые волны, распространяющиеся вдоль каротажного устройства, однако известное техническое решение не обладает требуемой жесткостью и несущими свойствами, характерными для автономных приборов, спускаемых на бурильных трубах, а также не обеспечивает сквозной канал для промывочной жидкости, что ограничивает его применение в вертикальных и слабонаклонных скважинах с геофизическим кабелем.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является изолятор автономного прибора акустического каротажа (см., Технологии сейсморазведки, 2013, №1, стр. 87-95, А.Г. Вершинин, С.А. Вершинин, С.В. Добрынин, Разработка современной аппаратуры волнового кросс-дипольного акустического каротажа с применением компьютерного моделирования), расположенный между блоками излучателей и приемной антенны, содержащий наружный несущий корпус из низкоскоростного и высокопрочного пластика, полость которого заполнена композицией из чередующихся элементов с контрастными волновыми сопротивлениями, шайб из вольфрама и резины, причем резиновые шайбы содержат мелкозернистый порошок тяжелых металлов и включают крупные шарики либо ролики из тяжелого металла, расположенные равномерно по окружности в каждой шайбе для усиления эффекта гашения и рассеяния проходящих волн.
Данное техническое решение обладает высокой эффективностью акустической изоляции при жесткой конструкции, однако не обеспечивает высоких прочностных свойств, так как стеклопластик теряет несущую способность при одновременном воздействии наружного давления и нагрузок на растяжение-сжатие, а также не обеспечивает возможность сквозной промывки через изолятор.
Техническим результатом предложенного решения является повышение акустической эффективности изолятора при высокой прочности конструкции за счет разгрузки несущей трубы путем организации герметизированной полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, с компенсацией наружного давления и температурного изменения ее объема, а также создание сквозного канала для прохождения промывочной жидкости, а для сборки изолятора и стыковки с блоками излучателей и приемной антенны предусмотрены переходные головки с возможностью продольного перемещения без вращения стыкуемых блоков прибора акустического каротажа.
Технический результат достигается тем, что в изолятор автономного прибора акустического каротажа, расположенный между блоками излучателей и приемной антенны, содержащий наружный несущий корпус, выполненный из стеклопластиковой трубы со стальными окончаниями, а также поглотитель упругих колебаний, состоящий из чередующихся элементов с контрастным волновым сопротивлением в виде резиновых и металлических шайб, причем резиновые шайбы содержат мелкозернистый порошок тяжелых металлов и включают крупные шарики либо ролики из тяжелого металла, расположенные равномерно по окружности в каждой шайбе, а также узлы стыковки с блоками излучателей и приемной антенны, дополнительно введена внутренняя стальная труба, отверстие которой служит сквозным каналом для промывочной жидкости, а в герметизированном от внешней среды кольцевом пространстве между наружной и внутренней трубами, заполненном кремнийорганической жидкостью, размещен поглотитель упругих колебаний из резиновых и металлических шайб, узлы стыковки выполнены в виде переходных головок, которые акустически развязаны от внутренней трубы и реализованы с возможностью продольного перемещения без вращения, причем установлен компенсатор наружного давления и температурного изменения объема кремнийорганической жидкости и выполнена акустическая развязка переходных головок от внутренней трубы, кроме того, поглотитель упругих колебаний из резиновых и металлических шайб поджимается и фиксируется с обеих сторон с помощью металлических втулок для создания необходимого контакта резиновых шайб с наружной и внутренней трубами.
Резиновые шайбы выполнены толщиной, равной четверти длины волны для основной частоты монопольного излучения либо равной четверти длины волны для набора частот, соответствующего диапазону частот монопольного излучения, кроме того, резиновые шайбы выполнены с заданным волновым сопротивлением из силиконовой резины малой вязкости. На наружной поверхности внутренней трубы выполнены продольные пазы для транзитных проводов, которые закрыты тонкостенной защитной гильзой для предотвращения деформации резиновых шайб в пазы при поджатии поглотителя и защиты транзитных проводов. В переходных головках установлены один или несколько гермовводов с необходимым количеством контактов, обеспечивающих герметизацию полости изолятора и электрическое соединение, как внутри изолятора с транзитными проводами, так и со стыкуемыми блоками. Электрическое соединение изолятора с блоками излучателей и приемной антенны достигается с помощью непосредственно гермовводов, либо дополнительных электрических соединителей негерметичного типа, также установленных в переходных головках.
Компенсатор наружного давления и температурного изменения объема кремнийорганической жидкости реализован с упругой мембраной либо поршнем.
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что изолятор сконфигурирован так, чтобы отфильтровать проходящие акустические колебания с целью их минимизации, которые могли бы в противном случае отрицательно повлиять на акустические измерения, которые проводятся с помощью акустических приемных преобразователей, таким образом, предложенный изолятор включают в себя поглотитель упругих колебаний из чередующихся элементов с контрастным волновым сопротивлением из резиновых и металлических шайб с плотностью стали и выше, причем в резиновые шайбы добавлен мелкозернистый порошок тяжелых металлов для согласования волновых сопротивлений шайб и наружной трубы, а также в резиновые шайбы дополнительно включены крупные шарики либо ролики из тяжелого металла, играющие роль локальных резонаторов, таким образом, шайбы, размещенные в кольцевой полости между наружной и внутренней трубами, с торцов поджимаются металлическими резьбовыми втулками, для создания необходимого контакта между собой и стенками труб и лучшего акустического согласования, причем предложенная конфигурация позволяет снизить амплитуду акустических колебаний, по меньшей мере, в выбранных частотных диапазонах, оттягивая энергию колебаний, пробегающих по обеим трубам, в поглотитель для дальнейшего рассеяния и поглощения.
В конструкцию изолятора введена внутренняя стальная труба, отверстие которой обеспечивает сквозное прохождение промывочной жидкости, причем труба монтируется в переходных головках с акустической развязкой по краям, например, за счет резиновых втулок, для снижения доли энергии упругих колебаний, передаваемой трубе от переходных головок. Кроме того, снаружи на трубе выполнены продольные пазы для прокладки транзитных проводов, а сверху монтируется тонкостенная защитная гильза для предотвращения деформации резиновых шайб в пазы и защиты проводов.
Использование герметизированной кольцевой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью, например ПМС-100 (ГОСТ 13032-77 Жидкости полиметилсилоксановые, Технические условия), позволяет добиться более высоких прочностных нагрузок, так как наружная силовая труба из стеклопластика не нагружена внешним давлением, при этом допустимые нагрузки на растяжение-сжатие существенно возрастают. Для компенсации наружного давления и температурного изменения объема кремнийорганической жидкости предусмотрена упругая мембрана либо поршень. Как результат, стеклопластиковые трубы со стальными окончаниями обеспечивают достижение силовых нагрузок, при спускоподъемных операциях, значительно превышающих нагрузки для приборов, работающих на геофизическом кабеле (десятки кН). Например, для автономных приборов диаметром 100 мм допустимые нагрузки составляют - на сжатие до 200 кН, на растяжение - до 150 кН.
3
Материал резиновых шайб подбирается на основе силиконовой резины, имеющей малую вязкость и большой коэффициент растяжения (сотни процентов), исходя из заданного волнового сопротивления, которое регулируется за счет количества порошка тяжелого металла, после чего производится формовка данных изделии в пресс-форме, включая заливку шариков либо роликов. В результате получаются шайбы с необходимым волновым сопротивлением, имеющие остаточную упругость, позволяющую многократную сборку-разборку изолятора. Например, на основе 2-компонентной силиконовой резины RTV8001, имеющей исходную вязкость 23 Па⋅с и коэффициент растяжения после полимеризации 570%, получены шайбы, имеющие плотность до 4-5 г/см. При скорости 1000 м/с импеданс составляет 4-5 мР. Четвертьволновая толщина шайбы при скорости продольных волн 1000 м/с составляет для частот 5 кГц - 50 мм; 7.5 кГц - 33 мм; 10 кГц - 25 мм; 12.5 кГц - 20 мм; 15 кГц - 17 мм.
Изолятор содержит переходные головки, выполненные с возможностью стыковки со стальными окончаниями как несущей трубы, так и с блоками излучателей и приемной антенны без вращения вокруг оси, а только с продольным перемещением, например, за счет разрезной резьбовой втулки и направляющих выступов либо пазов, что обеспечивает целостность транзитных проводов при сборке. Переходные головки также обеспечивают герметизацию изолятора за счет уплотнения резиновыми кольцами стальных окончаний несущей трубы. В местах соединения головок с внутренней трубой предусмотрена акустическая развязка в виде резиновых втулок. В головках для электрического соединения с транзитными проводами предусмотрены один или несколько гермовводов с необходимым количеством контактов, относящиеся к категории электрических соединителей, работающих под высоким давлением и обеспечивающих герметизацию конструкций. Например, гермовводы типа вилок СН-47Б производства ЗАО “Соединитель” (г. Миасс), выполненные со стеклоизолятором в стальном корпусе и имеющие уплотнительные кольца, либо гермовводы фирмы “Greene, Tweed” (USA) из высокотемпературного и прочного пластика, рассчитанные на давление более 100 МПа. Электрическое соединение изолятора с блоками излучателей и приемной антенны достигается с помощью непосредственно гермовводов либо дополнительных электрических соединителей негерметичного типа, например, из серии 2РМ либо 2РМД (В.Ф. Лярский, О.Б. Мурадян, 1988, Электрические соединители, Справочник, Москва, Радио и связь, стр.272).
В довершении всего герметизация полости изолятора обеспечивает защиту внутренних элементов от агрессивного бурового раствора.
Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые совместно с известными признаками позволяют успешно реализовать поставленную цель.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом.
Состав изолятора:
1 - наружная труба из стеклопластика;
2 - стальные окончания наружной трубы;
3 - внутренняя труба с продольными пазами;
4 - переходные головки;
5 - акустическая развязка;
6 - шайбы;
7 - шарики либо ролики;
8 - металлические шайбы;
9 - металлические втулки;
10 - тонкостенная защитная гильза;
11 - гермовводы;
12 - стопор;
13 - электрические соединители негерметичного типа;
14 - упругая мембрана.
Динамика работы изолятора автономного прибора акустического каротажа.
Изолятор включает стеклопластиковую наружную трубу 1 со стальными окончаниями 2, внутреннюю стальную трубу 3 с продольными пазами для прокладки транзитных проводов, отверстие которой является каналом для сквозной промывки, переходные головки 4, имеющие акустическую развязку 5 от трубы 3. Кольцевая полость между трубами заполнена поглотителем упругих колебаний в виде шайб четвертьволновой толщины 6, выполненных из силиконовой резины малой вязкости, включающей порошок тяжелого металла. Шайбы 6 содержат металлические шарики либо ролики 7, равномерно расположенные по окружности. Между шайбами 6 находятся металлические шайбы 8 для дополнительного акустического контраста и удобства монтажа. Для достижения контакта поглотителя с наружной 1 и внутренней 3 трубами в стальных окончаниях 2 имеются металлические втулки 9, поджимающие и фиксирующие поглотитель с обеих сторон.
Кроме того, продольные пазы с транзитными проводами на внутренней трубе 3 закрыты тонкостенной защитной гильзой 10 для предотвращения избыточной деформации резиновых шайб в продольные пазы и защиты проводов.
В переходных головках 4 установлены гермовводы 11 для соединения с транзитными проводами и герметизации полости изолятора, фиксируемые от действия внутреннего давления стопорами 12, а также электрические соединители 13 негерметичного типа для стыковки с блоками излучателей и приемной антенны.
Компенсация наружного давления и температурного изменения объема кремнийорганической жидкости осуществляется за счет упругой мембраны 14 либо поршня.
3
Компьютерное моделирование методом конечных элементов показало акустическую эффективность изолятора в широком диапазоне частот излучения, а также высокие прочностные характеристики. Так, с помощью поглотителя на основе модели резиновых шайб плотностью 2 г/см со стальными шариками диаметром 10 мм достигается ослабление амплитуды волны, инициированной широкополосным импульсом с центральной частотой 10 кГц на входе и регистрируемой на выходе изолятора, на 40 дБ в области низких частот (0.8-2.5 кГц), порядка 50 дБ в полосе 3-6 кГц, более 60 дБ для 6-10 кГц и более 80 дБ на частотах выше 10 кГц.
При этом расчетные показатели силовой нагрузки составляют для изолятора, выполненного на основе трубы из стеклопластика с наружным диметром 90 мм, не менее 100 кН для продольных усилий растяжения и сжатия при любом значении внешнего давления. К несомненному достоинству выбранной схемы изолятора относится конструктивная простота и технологичность изготовления, что особенно важно для практической реализации.
Техническо-экономическим результатом предложенного решения является высокая акустическая эффективность изолятора в широком диапазоне частот излучения, а также высокие прочностные характеристики за счет разгрузки несущей трубы, путем создания герметизированной от внешней среды внутренней кольцевой полости, заполненной кремнийорганической жидкостью с компенсацией наружного давления и температурного изменения объема, а также обеспечивается сквозное прохождение промывочной жидкости, кроме того, для сборки изолятора и стыковки с блоками излучателей и приемной антенны предусмотрены переходные головки с возможностью продольного перемещения без вращения стыкуемых блоков прибора акустического каротажа, а электрические соединения выполнены с помощью гермовводов и электрических соединителей негерметичного типа.