ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАНАЛА СВЯЗИ

Полезная модель относится к области геофизики, конкретно к электромеханическим преобразователям для акустического канала связи, используемого для передачи телеметрической информации по колонне насосно-компрессорных труб, применяемых на добывающих скважинах нефтяных и газовых месторождений.
Известны преобразователи (1÷8) для акустического канала связи, использующие пьезоэлектрические шайбы для преобразования энергии электрических сигналов в энергию акустических волн.
Наиболее близким из известных к заявленному преобразователю относится преобразователь (7), включающий кожух, снабженный верхней и нижней муфтами для крепления преобразователя к колонне насосно-компрессорных труб, внутри кожуха установлен преобразователь электрических сигналов в акустические колебания, а также генератор переменного электрического тока, соединенный по выходу с входом преобразователя электрических сигналов в акустические колебания. При этом преобразователь электрических сигналов в акустические колебания выполнен в виде пьезоэлектрического преобразователя.
Недостатком известного преобразователя является относительно невысокая эффективность передачи телеметрической информации по колонне насосно-компрессорных труб, связанная с недостаточным КПД и мощностью пьезоэлектрического преобразователя.
Задачей изобретения является повышение эффективности передачи телеметрической информации по колонне насосно-компрессорных труб.
Техническим результатом - повышение КПД преобразователя на основе резонансного электродинамического преобразования электрических сигналов в акустический сигнал вместо пьезопреобразования.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что электромеханический преобразователь, включающий кожух, снабженный верхней и нижней муфтами для крепления преобразователя к колонне труб, внутри кожуха установлен преобразователь электрических сигналов в акустические колебания, а также генератор переменного электрического тока, соединенный по выходу с входом преобразователя электрических сигналов в акустические колебания, согласно полезной модели преобразователь электрических сигналов в акустические колебания выполнен в виде электродинамического преобразователя и содержит массивный пустотелый цилиндр с электрической обмоткой, подвешенный соосно с кожухом на кольцевой пружине к верхней муфте и образующий вместе с ней механическую колебательную систему вдоль их оси, электрическая обмотка цилиндра установлена в радиальном магнитном поле воздушного зазора магнитной системы, образованной постоянным магнитом и его магнитопроводами, и соединена с выходом генератора переменного электрического тока, частота которого выбрана равной или кратной резонансной частоте колебаний механической колебательной системы.
Выполнение преобразователя электрических сигналов в акустические колебания в виде электродинамического преобразователя, а также выбор частоты генератора равной или кратной частоте колебаний механической колебательной системы позволяет повысить КПД электромеханического преобразователя акустического канала связи.
На рисунке представлен продольный разрез электромеханического преобразователя электрических сигналов в акустические колебания.
Электромеханический преобразователь для акустического канала связи относится к механизмам для возбуждения акустических колебаний в твердых средах, предназначен для генерации продольных волн в трубопроводах и может быть использован в целях передачи телеметрической информации по колонне насосно-компрессорных труб, применяемых на добывающих скважинах нефтяных и газовых месторождений. Он включает в себя кожух 1, снабженный верхней 2 и нижней 3 муфтами для крепления преобразователя к колонне труб 4. Внутри кожуха 1 установлен преобразователь 5 электрических сигналов в акустические колебания, а также генератор 6 переменного электрического тока, соединенный по выходу с входом преобразователя 5 электрических сигналов в акустические колебания. Преобразователь 5 электрических сигналов в акустические колебания выполнен в виде электродинамического преобразователя и содержит массивный пустотелый цилиндр 7 с электрической обмоткой 8, подвешенный соосно с кожухом на кольцевой пружине 9 к верхней муфте 2. Цилиндр 7 и кольцевая пружина 9 образуют совместно механическую колебательную систему с направлением колебаний вдоль их оси и трубы 4. Электрическая обмотка 8 цилиндра 7 установлена в радиальном магнитном поле воздушного зазора магнитной системы. Магнитная система включает в себя постоянный магнит 10 и его магнитопроводы 11 и 12. Поляризация магнита 10 осевая. Обмотка 8 цилиндра 7 соединена проводником 13 с выходом генератора 6 переменного электрического тока. Частота генератора 6 выбрана равной или кратной резонансной частоте колебаний механической колебательной системы, образованной цилиндром 7 и упругой кольцевой пружиной 9. Кожух 1 защищает преобразователь от внешних воздействий.
Электромеханический преобразователь для акустического канала связи работает следующим образом. Перед началом работы опытным путем с использованием стендового генератора электрического тока переменной частоты определяют резонансную частоту колебательной системы, образованной цилиндром 7 и упругой кольцевой пружиной 9. Затем устанавливают частоту генератора 6 равной или кратной резонансной частоте колебаний механической колебательной системы. Протекающий по обмотке 8 переменный ток, взаимодействующий с магнитным полем магнита 10, приводит к появлению переменной по направлению силы Лоренца, приложенной к цилиндру 7 через жестко закрепленную на нем обмотку 8. Под действием переменной силы Лоренца цилиндр 7 совершает колебания вдоль трубы 4 в вертикальном направлении, эти колебания через пружину 9 передаются муфте 2, что приводит к возбуждению продольных колебаний в трубе 4, на которой она закреплена. При этом энергия электрического генератора 6 эффективно преобразуется в акустические колебания трубы 4.
Полезная модель разработана на уровне технического предложения и опытного образца. Испытания опытного образца показали, что КПД предложенного преобразователя на колоннах труб не менее чем на 30% превышает КПД известного преобразователя.
Источники информации:
1. Акустические каналы связи забойных телеметрических систем. Геофизика. 2000. №1. Тверь, ЕАГО, с.43-48.
2. Патент США №5222049, НКИ 367/82, МПК G01V 1/40, June 22, 1993, Electromechanical transducer for acoustic telemetry system.
3. Патент США №5703836, НКИ 367/165, МПК Н01R 17/00, Dec. 30, 1997, Acoustic transducer.
4. Физическая акустика, т.1, ч.А. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Под редакцией У. Мэзона. - М.: Мир, 1966, с.284-287.
5. Справочник по гидроакустике. А.П.Евтютов, А.Е.Колесников, Е.А.Корепин и др. - Л.: Судостроение, 1988, с.248-249.
6. Патент США №6147932, НКИ 367/165, МПК Н04R 17/00, November 14, 2000, Acoustic transducer.
7. Акустические каналы связи забойных телеметрических систем - особенности построения и результаты скважинных испытаний // НТВ Каротажник. 2000. Выпуск 73. Тверь, Издательство АИС, с.92-99.
8. Аппаратура акустических методов исследования скважин. http://www.geo.oilru.ru/catalog/group/?group_id=3.