СКВАЖИННАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ РАЗВЕРТЫВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ В СКВАЖИНЕ
WELL INSTALLATION AND METHOD OF DEPLOYMENT OF SONIC CONVERTER IN WELL

Настоящее изобретение в общем относится к трубам, более конкретно к усовершенствованным конструкциям для размещения и крепления компонентов, используемых в трубах, предназначенных для применения под землей.
В нефтегазодобывающей промышленности для определения характеристик пластов подземные пласты обычно зондируют с помощью скважинных каротажных приборов. Установлено, что среди этих приборов зонды акустического каротажа обеспечивают ценную информацию относительно акустических свойств геологической среды, которая может быть использована для получения изображений или суждения относительно характеристик пластов.
Акустические волны представляют собой периодические колебательные возмущения, обусловленные акустической энергией, которая распространяется через среду, например через подземный пласт. Обычно акустические волны характеризуются значениями их частоты, амплитуды и скорости распространения. Акустические свойства пластов, представляющие интерес, могут включать скорость продольной волны, скорость поперечной волны, скважинные моды и медленность пласта. В дополнение к этому акустические изображения могут быть использованы для описания состояния стенок скважины и других геологических особенностей на расстоянии от скважины. Эти акустические измерения находят применения в сейсмической корреляции, в петрофизике, механике пород и в других областях.
Записи акустических свойств в зависимости от глубины известны как акустические каротажные диаграммы. Информация, получаемая из акустических каротажных диаграмм, может быть полезной в целом ряде областей применения, включая корреляцию свойств скважин, определение пористости, определение механических или упругих параметров породы для выявления литологии, обнаружение зон с аномально высоким пластовым давлением и преобразование сейсмических временных трасс в глубинные трассы, основанные на измеренной скорости звука в пласте.
Акустический каротаж подземных пластов влечет за собой спуск акустического каротажного прибора или устройства в скважину, пересекающую пласт. Обычно прибор включает один или несколько акустических источников (то есть излучателей), предназначенных для излучения акустической энергии в подземные пласты, и один или несколько акустических датчиков или приемников, предназначенных для приема акустической энергии. Излучатель периодически возбуждают для излучения импульсов акустической энергии в скважину, которая проходит через скважину в пласт. После распространения через скважину и пласт некоторая часть акустической энергии проходит к приемникам, где ее обнаруживают. Впоследствии различные параметры обнаруженной акустической энергии связывают с представляющими интерес характеристиками геологической среды или прибора.
На фиг.1 показан известный скважинный зонд акустического каротажа. Зонд 10 показан размещенным в скважине 12, пересекающей подземный пласт 20. Скважина 12 обычно заполнена буровым раствором 14, который используют в процессе бурения скважины. Как известно из уровня техники, зонд 10 обычно выполнен в трубчатой несущей части 13, которая в случае бурильной трубы включает внутренний промывочный канал 13А для бурового раствора 14, достигающий забойного турбинного двигателя и/или буровую коронку в нижней части буровой колонны (непоказанной). Каротажный зонд 10 включает один или несколько акустических излучателей 16 и большое количество акустических приемников 18, расположенных на трубе 13. Приемники 18 показаны разнесенными друг от друга вдоль продольной оси зонда 10 на выбранные расстояния h. Один из приемников 18, самый ближайший к излучателю 16, отнесен от него по оси на выбранное расстояние a. В зонде 10 также размещают один или несколько компьютерных модулей 21, включающих микропроцессоры, запоминающее устройство и программное обеспечение для обработки сигнальных данных, известные из уровня техники. Как также известно из уровня техники, компьютерный модуль (модули) 21 можно размещать внутри зонда, на земной поверхности, как показано на фиг.1, или разделять между ними двумя. Акустические волны 22 показаны распространяющимися в скважине. Известные скважинные зонды акустического каротажа описаны в патентах США №№5852587, 4543648, 5510582, 4594691, 5594706, 6082484, 6631327, 6474439, 6494288, 5796677, 5309404, 5521882, 5753812, RE34975 и 6466513.
Известные зонды акустического каротажа снабжены акустическими преобразовательными элементами, например пьезоэлектрическими элементами. В общем случае акустический преобразователь преобразует энергию между электрической и акустической формами и может быть выполнен с возможностью функционирования в качестве источника или датчика. Акустические преобразователи обычно устанавливают на корпусе каротажного зонда, как показано на фиг.1. Известные источники звуковых волн и датчики, используемые в скважинных зондах, описаны в патентах США №№6466513, 5852587, 5866303, 5796677, 5469736 и 6084826. По различным причинам, включая пространственные ограничения, эти преобразователи обычно имеют многочисленные компоненты, уплотненные в корпусе, устанавливаемом на зонде вместе с электроникой для предварительной обработки, и схемы, расположенные на расстоянии от преобразовательных элементов.
Кроме того, акустические преобразовательные устройства включают в конструкции, используя печатные платы. В патенте США №6501211 описан ультразвуковой преобразователь, выполненный на печатной плате и предназначенный для прикрепления к головкам болтов. Предложенные преобразователи соединяют с удаленным компьютером для идентификации болтов путем использования преобразователя. В патенте США №4525644 описан механизм повышения усилий сочленения между контактными площадками и соединителями при использовании пьезоэлектрических устройств, расположенных после контактных площадок печатной платы. В Европейском патенте 1467060 А1 описаны гибкие пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для использования вместе со скважинными приборами для телеметрирования акустических сигналов через приборы. Недостатки этих известных акустических преобразовательных систем заключаются в плохой чувствительности и в необходимости в громоздких модулях электроники (например, в крупных каскадах предварительных усилителей), расположенных в другом месте.
Как известно из уровня техники, в случае применения скважинных приборов для выполнения подземных измерений используют источники и датчики несметного количества типов (например, радиационного типа, электромагнитного типа, на основе ядерного магнитного резонанса, гравитационного типа). Другие такие компоненты, используемые в области техники, к которой относится изобретение, включают аппаратуру, электронику, соединители, вычислительные средства и телеметрические средства, которые также устанавливают на скважинных приборах. Из уровня техники известны различные средства для монтажа этих изделий на скважинных приборах. Желательно иметь усовершенствованные технологии размещения таких компонентов на скважинных приборах без ухудшения характеристик и надежности.
Согласно одному аспекту изобретения создана скважинная установка, содержащая удлиненную трубу, выполненную с возможностью размещения в скважине и имеющую, по меньшей мере, одну удлиненную выемку, образованную на ее наружной поверхности вдоль продольной оси трубы и выполненную с возможностью приема и размещения компонента в ней, отличающаяся тем, что имеет по меньшей мере один защитный элемент, расположенный в по меньшей мере одной выемке и выполненный с возможностью скольжения до выбранного положения по выемке, и фиксирующее средство, расположенное на по меньшей мере одной выемке для удержания по меньшей мере одного защитного элемента, расположенного в по меньшей мере одной выемке.
Фиксирующее средство может быть выполнено с крепежным средством для закрепления фиксирующего средства на трубе.
Фиксирующее средство может состоять из защитного элемента, выполненного с возможностью посадки в по меньшей мере одну выемку.
Установка может содержать множество индивидуальных защитных элементов, расположенных в по меньшей мере одной выемке и выполненных с возможностью проскальзывания до выбранного положения по меньшей мере одной выемке.
По меньшей мере одна выемка может быть образована в трубе так, что один конец выемки удерживает по меньшей мере один защитный элемент от выскальзывания из выемки.
По меньшей мере одна выемка может быть выполнена ступенчатой на наружной поверхности трубы.
Труба может содержать множество удлиненных выемок, образованных на ее наружной поверхности, вдоль продольной оси трубы, каждая выемка выполнена с возможностью приема и размещения в ней компонента и приема и удержания в ней по меньшей мере одного защитного элемента. Выемки могут быть разнесены по азимуту относительно окружности трубы.
Установка может содержать компонент, расположенный в по меньшей мере одной выемке и имеющий плоские поверхности, выполненные с возможностью плотного прилегания к сопряженным поверхностям по меньшей мере одной выемки, и покрытый по меньшей мере одним защитным элементом, расположенным в выемке.
Компонент может представлять собой акустический преобразователь, содержащий основу с акустическим преобразовательным элементом и модуль электроники, расположенный на ней.
Преобразователь может содержать множество индивидуальных основ, соединенных друг с другом и имеющих модули электроники и акустические преобразовательные элементы, расположенные на них.
Центральная область поверхности по меньшей мере одного защитного элемента может быть герметизирована для предотвращения прохождения через указанную область.
По меньшей мере один защитный элемент может содержать по меньшей мере одно отверстие, образованное в ней для обеспечения прохода текучей среды через него.
Установка может содержать множество индивидуальных защитных элементов, расположенных в по меньшей мере одной выемке и покрывающих акустический преобразователь, расположенный в ней, и выполненный с возможностью скольжения до выбранного положения по меньшей мере одной выемке.
Труба может быть выполнена с возможностью размещения внутри скважины на кабельном средстве.
Труба может быть выполнена с возможностью размещения внутри скважины в процессе бурения скважины.
Согласно другому аспекту изобретения создан способ развертывания акустического преобразователя в скважине, включающий размещение в скважине удлиненной трубы, имеющей по меньшей мере одну удлиненную выемку, образованную на ее наружной поверхности вдоль ее продольной оси, с по меньшей мере одним акустическим преобразователем, расположенным в по меньшей мере одной выемке, отличающийся тем, что каждый по меньшей мере один акустический преобразователь имеет плоские поверхности, выполненные с возможностью плотного прилегания к сопряженным поверхностям, образованным в по меньшей мере одной выемке, и имеются по меньшей мере один защитный элемент, расположенный в по меньшей мере одной выемке и выполненный с возможностью скольжения поверх по меньшей мере одного акустического преобразователя до выбранного положения по выемке, и фиксатор, расположенный на трубе для удержания по меньшей мере одного защитного элемента, расположенного в по меньшей мере одной выемке.
Трубу можно развертывать в скважине на кабельном средстве.
Трубу можно развертывать в скважине в процессе бурения скважины.
Далее изобретение будет более подробно описано со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 изображает схематичный вид известного скважинного зонда акустического каротажа;
фиг.2 - схематичный вид преобразователя согласно изобретению;
фиг.3 - перспективный вид герметизированного преобразователя согласно изобретению;
фиг.4 - схематичный вид многоэлементного преобразователя согласно изобретению;
фиг.5 - вид сбоку демпфированного преобразователя согласно изобретению;
фиг.6 - вид группы сегментированных преобразователей согласно изобретению;
фиг.7 - вид сбоку усиленного преобразователя согласно изобретению;
фиг.8 - схема модуля электроники преобразователя и модуля мультиплексора согласно изобретению;
фиг.9 - вид скважинной трубы, снабженной акустическими преобразователями изобретения;
фиг.10 - схематичный вид преобразователя «стаканного» типа согласно изобретению;
фиг.11А - схематичный вид скважинной трубы, содержащей расположенные по азимутам преобразователи согласно изобретению;
фиг.11В - схематичный вид скважинной трубы, содержащей расположенные по осевым направлениям преобразователи согласно изобретению;
фиг.11С - схематичный вид скважинной трубы, содержащей преобразователи стаканного типа согласно изобретению;
фиг.12А - схематичный вид расположенного по азимуту преобразователя согласно изобретению;
фиг.12В - вид сверху азимутального преобразователя из фиг.12А;
фиг.12С - вид сверху преобразователя изобретения, расположенного по азимуту вокруг контура трубы;
фиг.13 - схематичный вид осевого преобразователя, расположенного на трубе, согласно изобретению;
фиг.14 - вид сбоку присоединенного преобразователя, расположенного на трубе, согласно изобретению;
фиг.15 - поперечное сечение преобразователя, расположенного на трубе, согласно изобретению;
фиг.16 - перспективный вид помещенного в оболочку преобразователя согласно изобретению;
фиг.17 - перспективный вид трубы, выполненной с возможностью размещения преобразователя из фиг.16;
фиг.18 - поперечное сечение преобразователя из фиг.16, расположенного на трубе из фиг.17;
фиг.19А - перспективный вид защитного элемента преобразователя согласно изобретению;
фиг.19В - перспективный вид другого защитного элемента преобразователя согласно изобретению;
фиг.20 - перспективный вид еще одного защитного элемента преобразователя согласно изобретению;
фиг.21 - перспективный вид трубы, выполненной с преобразователями и защитными элементами согласно изобретению;
фиг.22 - схематичный вид скважинного прибора, содержащего преобразователь согласно вариантам осуществления изобретения.
Компоненты огромного количества типов (например, источники, датчики, преобразователи, аппаратуру, электронику, соединители, вычислительные средства, телеметрические средства и т.д.), используемые при подземных разведочных и контрольных работах, обычно устанавливают на скважинном приборе или зонде, которому вместе со средством для развертывания в скважине придают, как правило, трубчатую конфигурацию. Такие трубы обычно включают оборудование, предназначенное для применений при спуске на каротажном кабеле, применений в процессе бурения (то есть бурильные трубы), применений в процессе спускоподъемных работ, применений для продолжительного контроля и других применений, известных из уровня техники.
Компоненты обычно размещают в выемке, образованной в трубе. Кроме того, термин «выемка» охватывает, например, канал, пустоту, проем, отверстие, впадину, полость, трещину или щель. Типичные выемки образуют в стенах скважинных труб. Некоторые образуют так, что размещенный компонент оказывается изолированным от текучей среды, протекающей через трубу, другие образуют так, что обеспечивается возможность прохождения текучей среды к размещенному компоненту. Некоторые выемки образуют путем помещения трубы небольшого диаметра внутрь трубы большего диаметра, так что выемка образуется кольцевым пространством между двумя трубами.
Настоящее изобретение использует конфигурации выемок, образованных на поверхностях наружной стенки трубы. Трубы согласно вариантам осуществления изобретения снабжены усовершенствованными нишами для необходимых компонентов. Раскрытые конфигурации выемок включают защитную систему с использованием минимального количества крепежных средств. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что трубы согласно раскрытым вариантам осуществления могут быть использованы для приема, размещения и удержания компонентов несметного количества типов, известных из уровня техники.
Акустические преобразователи представляют собой компонент одного типа, который может быть размещен на трубчатых конструкциях изобретения. Акустические преобразователи, предназначенные для использования в скважине, должны содержать электронику, исполненную по такой технологии, чтобы она была приспособлена к воздействию тяжелых подземных условий. По сравнению с известными конструкциями преобразователи изобретения могут быть выполнены с уменьшенным числом элементов и относящихся к ним электронных схем. Схемы предельно сокращены, и предпочтительно, чтобы сигнальные данные дискретизировались вблизи преобразователя.
Чтобы измерять моды акустических волн, распространяющиеся в скважине, такие как монопольные, дипольные, квадрупольные и высшего порядка моды, преобразователи, используемые в качестве групп акустических приемников для измерения акустических волн в скважинах, должны быть небольшими и предпочтительно индивидуальными. Аналогичным образом эти акустические преобразователи должны работать на различных модах для режекции нежелательных мод. Например, при дипольных или квадрупольных измерениях лучшее качество измерений может быть получено при режекции монопольной моды. Варианты осуществления изобретения включают активные датчики со встроенной электроникой, которая является независимой и приспособлена к воздействию подземных условий.
На фиг.2 показан преобразователь 30 согласно варианту осуществления изобретения. Преобразователь 30 включает модуль 32 электроники для предварительной обработки, содержащий аналоговые и цифровые схемы 34, интегрированный с акустическим преобразовательным элементом 36 и расположенный на основе 38. Соединение между модулем 32 электроники и преобразовательным элементом 36 будет описано ниже. Преобразовательный элемент 36 может состоять из пьезоэлектрических приборов, приборов из титаната свинца (ТС), приборов из цирконата-титаната свинца (ЦТС), приборов из пьезокомпозита типа 1-3 или из любых других подходящих материалов, известных из уровня техники. Для повышения надежности и улучшения характеристик преобразовательные элементы 36 изобретения могут быть расположены на основе 38 вместе с известными преобразователями.
Для ясности иллюстрации основа 38 показана выполненной в виде двумерной или плоской поверхности. В некоторых вариантах осуществления основа 38 может быть образована в виде полоски, также называемой гибкой схемой (описанной в патентах США №№6351127, 6690170, 6667620, 6380744). Основа в вариантах осуществления в виде гибкой схемы может быть изготовлена из любого подходящего неэлектропроводного материала или в виде подложки из диэлектрической пленки, например из полиимидной пленки или полиэфирной пленки, имеющей толщину, выбранную для обеспечения возможности сгибания или изгиба (например, для окружения трубы или для установки внутри полости в трубе). Способы для изготовления полосок, предназначенных для образования гибких основ, описаны в патенте США №6208031. В дополнение к гибким основам 38 могут быть реализованы другие варианты осуществления основ с однослойными или многослойными печатными платами. Как известно из уровня техники, проводники на основе 38 могут быть образованы из узких полосок меди или других подходящих материалов, расположенных на ней. Как показано на фиг.3, преобразователь согласно вариантам осуществления изобретения может быть выполнен водонепроницаемым путем покрытия или уплотнения узлов модуля и преобразователя подходящим полимером или компаундом 40 (например, слоем резины). Один или несколько выводов 42, соединенных с модулем 32 электроники, оставлены открытыми для передачи сигналов/электропитания.
Кроме того, варианты осуществления изобретения могут быть реализованы в виде многочисленных преобразовательных элементов 36, размещенных на единственной основе 38. На фиг.4 показана группа индивидуальных акустических преобразовательных элементов, разнесенных друг от друга (например, на несколько сантиметров). Группа преобразователей может быть выполнена с числом “n” элементов 36, установленных на основе 38. При выполнении в качестве приемника многоэлементный преобразователь 30 может быть использован для измерения любых акустических мод в скважине. Предпочтительно, чтобы преобразователь в варианте осуществления с многочисленными элементами 36 был снабжен модулем 44 электронного мультиплексора для направления передачи сигналов к/от преобразовательного элемента 36. Как упоминалось ранее, проводники и схемные элементы (например, позиция 46 на фиг.3) образуют сигнальные дорожки между компонентами. Для ясности иллюстрации проводники и схемные элементы показаны не на всех фигурах. В случае таких вариантов осуществления число акустических каналов на каждую группу преобразователей может быть увеличено, поскольку они могут быть уплотнены цифровым способом.
Кроме того, для исключения нежелательных колебаний преобразователи 30 могут быть снабжены акустическим демпфирующим материалом. На фиг.5 показан вид сбоку варианта осуществления преобразователя, включающего в себя демпфирующий элемент 48, расположенный на одной стороне преобразовательного элемента 36. Демпфирующий элемент 48 может быть изготовлен из материала с большой эффективной массой (например, из вольфрама) или из любого другого подходящего материала, известного из уровня техники. Когда преобразовательный элемент 36 возбуждают как акустический источник, демпфирующий элемент 48 способствует снижению колебаний на стороне В преобразовательного элемента наряду с тем, что при этом повышается направленность звука со стороны А. Хотя на фиг.5 демпфирующий материал 48 показан на одной стороне преобразовательного элемента 36, могут быть реализованы другие варианты осуществления с демпфирующим материалом, расположенным иным образом (например, полностью окружающим преобразовательный элемент, при этом сторона А остается чистой). Узел акустического преобразовательного/демпфирующего элемента может быть расположен на поверхности основы 38, в полости или в вырезе основы, или целиком заключен внутри резинового компаунда, образующего основу (см. позицию 40 на фиг.3).
На фиг.6 показан преобразовательный узел 30 согласно другому варианту осуществления изобретения. Для образования протяженной группы преобразователей многочисленные основы 38 соединены посредством выводов 42. Для получения акустической группы из “n” цифровых каналов каждая основа 38 может быть выполнена с большим количеством преобразовательных элементов 36 и модулей 32 электроники. Группа может содержать один или несколько модулей 44 цифровых мультиплексоров, расположенных на одной или нескольких основах 38, для эффективного разделения сигналов, относящихся к преобразовательным элементам/модулям электроники. Вариант осуществления, показанный на фиг.6, включает соединитель 50 (также называемый «головкой ввода-вывода»), соединенный с узлом с целью обеспечения единственного соединения для сигнала/электропитания. Для осуществления изобретения могут быть использованы обычные соединители 50, известные из уровня техники.
Конструктивное усиление преобразовательных узлов изобретения может быть достигнуто путем поддержания основы (основ) 38. На фиг.7 показан вид сбоку варианта осуществления преобразователя 30, снабженного опорой 52, образующей жесткую подложку для преобразовательных элементов/модулей электроники. Опору 52 изготавливают из любого подходящего материала, например из металла. Опору 52 можно прикрепить к основе 38, используя клей, крепежное средство или любое подходящее средство, известное из уровня техники. Вариант осуществления, показанный на фиг.7, образован как узел из преобразовательных элементов 36, модулей 32 электроники и мультиплексора (мультиплексоров) 44, опрессованный резиновым компаундом аналогично варианту осуществления, показанному на фиг.3. Опора 52 прикреплена к нижней стороне преобразовательного узла прямоугольной формы. При желании опору 52 можно заключить в резиновый компаунд. Некоторые варианты осуществления могут быть снабжены многочисленными опорами 52, присоединенными к другим поверхностям преобразовательного узла (например, к верхней и к нижней), или при желании сегментированными опорами 52 для конкретного варианта осуществления (непоказанного). Кроме того, опора 52 с большой эффективной массой может обеспечивать демпфирование колебаний и способствовать акустической направленности, как в варианте осуществления, описанном со ссылкой на фиг.5.
На фиг.8 показана общая схематичная компоновка модуля 32 электроники в преобразовательном узле изобретения. Модуль 32 включает каскад 100 предварительного усилителя, каскад 102 фильтра, каскад 104 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и каскад 106 усилителя мощности. Модуль 32 показан соединенным с блоком 44 мультиплексора, имеющим n входов и 1 выход, выполненным с возможностью сведения “n” сигналов в один канал для передачи через вывод 42. Переключатель 108, соединенный с преобразовательным элементом 36, переключается между положением 1 и положением 2. В положении 1 преобразовательный элемент 36 возбуждается каскадом 106 усилителя мощности, и преобразователь реализуется как излучатель. В случае, когда переключатель 108 находится в положении 2, на каскад 100 предварительного усилителя поступает аналоговый сигнал энергии акустической волны, обнаруживаемой с помощью элемента 36, и для реализации приемника он проходит через модуль 32. За счет малогабаритного исполнения и небольшой мощности модуля 32 электроники, объединенного с преобразовательным элементом 36, минимизируется потребление электроэнергии и улучшается подавление шума, поскольку цифровые сигналы более свободны от шума по сравнению с аналоговыми сигналами. Кроме того, при желании дискретизированные сигнальные данные могут быть переданы на большие расстояния для дополнительной обработки, свободной от нежелательного шума.
Преобразователи двойного назначения (то есть источник-датчик) изобретения обеспечивают возможность измерений по импульсным отраженным сигналам. Как известно из уровня техники, результат измерения двойного времени пробега импульсного эхо-сигнала, отраженного от стенки скважины 12, может быть использован для определения геометрии скважины, например ее радиуса. На фиг.9 показан вариант осуществления изобретения, работающего в режиме импульсных отраженных сигналов. Скважинная труба 13 снабжена несколькими распределенными по оси и азимуту преобразователями 30 изобретения. Для проведения в скважине 12 измерений по импульсным отраженным сигналам преобразовательный элемент (элементы) 36 можно переключать между режимами, используя электронный модуль 32. Измеренные данные акустических сигналов могут быть обработаны путем использования способов, известных из уровня техники.
На фиг.10 показан другой акустический преобразователь 30, который может быть реализован согласно вариантам осуществления изобретения. Хотя преобразователь 30 показан на виде сбоку, узел имеет форму «стакана» с размещенным дисковидным преобразовательным элементом 36, имеющим первую поверхность А и вторую поверхность В. Преобразовательный элемент 36 может состоять из пьезоэлектрического прибора, прибора, выполненного из титаната свинца (ТС), цирконата-титаната свинца (ЦТС), пьезокомпозиционного синтетического материала типа 1-3 или из любых других подходящих материалов, известных из уровня техники. Модуль 58 электроники, содержащий каскад усилителя заряда, прилегает к поверхности В преобразовательного элемента, осуществляющего преобразование энергии акустических волн, обнаруживаемых на поверхности А преобразователя, в сигналы напряжения, пропорциональные обнаруживаемому звуковому давлению.
Для работы преобразователя в режиме импульсных эхо-сигналов или в качестве цифрового приемника сигналы/электропитание передаются по одному или нескольким выводам 60, соединенным с модулем 58 электроники. Демпфирующий материал 62 окружает узел модуля электроники и преобразователя, образуя стакан с оставлением поверхности А преобразователя чистой. Может быть использован любой подходящий демпфирующий материал, известный из уровня техники. В целом стаканный узел заключен в или уплотнен подходящим материалом 64 (например, резиновым компаундом) для защиты датчика от воды с образованием «шайбы» с незащищенным выводом (выводами) 60. Преобразователь согласно этому варианту осуществления имеет намного меньшее по размерам исполнение по сравнению с известными преобразователями стаканного типа, что обеспечивает возможность его использования на трубах любого размера. Например, стаканный преобразователь 30 изобретения можно собрать с размерами порядка 2,54 см в диаметре и высотой 1,3 см. Кроме того, для реализации по желанию источника или датчика модуль 58 электроники преобразователя 30 согласно варианту осуществления из фиг.10 может быть выполнен с переключающим средством и схемами 59 обработки, показанными на фиг.8.
Малый размер, высокая чувствительность, направленность и низкое потребление электроэнергии, обеспечиваемые преобразователями изобретения, делают возможным внедрение их в неограниченные числом окружающие условия и области применения. На фиг.11(А)-11(С) показаны три скважинные трубы 13, подобные трубе на фиг.1, снабженные акустическими преобразователями 30 согласно вариантам осуществления изобретения. В варианте осуществления на фиг.11(А) показана азимутальная группа преобразователей.
В варианте осуществления на фиг.11(В) показана осевая группа преобразователей. Труба 13 показана с индивидуальными преобразователями 30, расположенными в трех выемках, образованных на внешней поверхности трубы. Конфигурация выемок дополнительно описана ниже. В преобразователях 30 этих конфигураций могут использоваться основы 38 в виде гибких схем, индивидуальные основы 38 в виде печатных плат или соединенные основы 38, описанные в настоящей заявке. В варианте осуществления на фиг.11(С) показана группа с использованием варианта осуществления стаканного преобразователя 30, показанного на фиг.10. В такой конфигурации малоразмерный стаканный преобразователь 30 представляет собой точечный источник. Любая из этих групп может быть использована для мультипольных акустических измерений. Другие варианты осуществления могут быть реализованы в виде любого сочетания преобразователей раскрытых конфигураций, расположенных на одной трубе, или в случае многочисленных труб каждая снабжена преобразователями различных раскрытых конфигураций, соединенными друг с другом (непоказанными). Например, труба может быть снабжена осевыми и стаканными преобразователями, показанными на фиг.11(В) и 11(С). Кроме того, в дополнение к возможности выполнения многочисленных измерений, в такой конфигурации на случаи отказов предусмотрены резервные источники и датчики.
На фиг.12(А) показана азимутальная преобразовательная полоса из варианта осуществления, показанного на фиг.11(А). Преобразователи 30 расположены в неглубокой выемке 66, образованной в трубе. На фиг.12(В) показан вид сверху преобразователей 30 в выемке 66. Преобразователи 30 могут быть закреплены на трубе путем использования любого подходящего средства, известного из уровня техники (например, путем герметизации их резиновым компаундом), поскольку при этом они делаются водостойкими и могут быть открыты в скважину. Кроме того, для покрытия и защиты преобразователей 30 от истирания на трубу 13 может быть помещен защитный узел 68. Защитные элементы 68 могут быть образованы из металла, пластичных компаундов (например, из PEEK™) или из любых подходящих материалов, известных из уровня техники. В патенте США №6788065 описаны различные трубы, выполненные с выемками, и конструкции защитных элементов, которые могут быть использованы для реализации вариантов осуществления изобретения. Для обеспечения возможности прохождения скважинных флюидов в зазор между защитным элементом (элементами) и поверхностью преобразователя 30 предпочтительно, чтобы защитные элементы 68 были выполнены с полостями или вырезами (например, с отверстиями или щелями). Защитный элемент (элементы) 68 можно закрепить на трубе 13, используя крепежные средства или любые подходящие средства, известные из уровня техники.
Азимутальные группы преобразователей 30, показанные на фиг.11(А) и 12(А), могут быть расположены с охватом всей окружности трубы 13, с охватом отдельных секторов, как показано на фиг.12(В), или ступенчатым образом на азимутальных секторах вдоль продольной оси трубы (не показано). На фиг.12(С) показан вид сверху группы преобразователей 30, расположенных по окружности трубы 13. В сравнении с преобразователями известных конструкций небольшие размеры преобразователей 30 согласно вариантам осуществления изобретения позволяют размещать их в более мелких углублениях в трубах 13. Это позволяет создавать скважинные приборы с повышенной механической прочностью и с улучшенными акустическими характеристиками. Небольшие размеры преобразователей 30 позволяют размещать их на трубе с минимальным интервалом между преобразовательными элементами 36. Например, скважинный прибор, снабженный осевой группой преобразователей 30, разнесенных на расстояния в несколько сантиметров (например, на 5-16 см), как на фиг.13, может быть использован для излучения/приема более плотной огибающей акустических волн на протяжении желаемой длины вдоль скважины. При таких измерениях будут получаться изображения повышенного качества и расширяться возможности анализа пласта.
На фиг.13 показана осевая группа преобразователей, подобная варианту осуществления, показанному на фиг.11(В). Один преобразователь 30 или ряд преобразователей 30 (фиг.6) может быть размещен в неглубокой выемке 70, образованной в трубе. Удлиненная выемка 70 образована по существу параллельно продольной оси трубы. Как описывалось выше, для защиты от истирания поверх преобразователя (преобразователей) 30 могут быть помещены защитные элементы 72. Защитные элементы 72 могут быть образованы из любого подходящего материала и предпочтительно, чтобы они были выполнены с одним или несколькими отверстиями 74. Как показано на фиг.13, отверстие (отверстия) 74 можно образовывать на различных местах защитных элементов 72. На фиг.13, слева направо, первый защитный элемент 72 выполнен с двумя полулунными отверстиями 74, образованными на краях защитного элемента. Средний защитный элемент 72 выполнен с отверстием 74, образованным в центре защитного элемента. А дальний правый защитный элемент 72 выполнен с отверстиями 74, образованными на противоположных концах защитного элемента. Предусмотрена, хотя для ясности иллюстрации показанная не на всех чертежах, передача сигнала/электропитания к и от преобразователей изобретения путем использования любого подходящего средства, известного из уровня техники.
На фиг.14 показан вид сбоку варианта осуществления, подобного показанному на фиг.13. В этом варианте осуществления выемка 70 образована с откосом 76 на одном конце, а ряд соединенных преобразователей 30 расположен в выемке. Для покрытия преобразователей 30 может быть использован цельный защитный элемент 72 или несколько индивидуальных защитных элементов (фиг.13). Преобразователи 30 соединены друг с другом так, как описано выше, а сигналы/электропитание передаются через посредство соединителя 50, изображенного на фиг.6. Для передачи сигнала/электропитания между преобразователями 30 и другими компонентами (например, электронными схемами, телеметрическими средствами, запоминающим устройством и т.д.) через посредство одного или нескольких выводов 82 соединитель 50 соединен с каналом 80, также называемым металлизированным отверстием, известным из уровня техники. Вместо преобразователя 30, расположенного в выемке, можно представить себе расположенным в выемке компонент любого другого типа, соответствующим образом выполненный.
На фиг.15 показано поперечное сечение варианта осуществления изобретения, включающего преобразователь, расположенный в выемке в трубе 13. В этом варианте осуществления акустический преобразовательный элемент 36 заключен в или опрессован резиновым компаундом 40 (фиг.3), образованным прямоугольным по форме. Компаунд 40 образован со ступенчатой или возвышающейся центральной частью, вследствие которой образуются заплечики 84. Защитный элемент 72 прямоугольной формы покрывает преобразователь. Защитный элемент 72 подогнан к компаунду 40 преобразователя с помощью свесов 85, которые посажены поверх заплечиков 84 с образованием поверхности, расположенной на одном уровне с внешней стороной трубы 13. Выемка 70 в трубе 13 служит для размещения конструкции преобразователя и защитного элемента и образована с выступающими частями или губками 86, которые удерживают в ней защитный элемент 72. При желании к компаунду 40 может быть добавлена опора 52 (фиг.7). Хотя на фиг.15 показан один преобразовательный элемент 36, преобразователь может быть реализован в виде группы многоэлементных или сегментированных преобразователей (фиг.6). Как показано на фиг.14, структура компаунда 40 преобразователя и защитный элемент (элементы) 72 из фиг.15 продвинуты со скольжением по откосу 76 в выемку 70 под губками 86. Как показано на фиг.15, стенка на одном конце выемки 70 удерживает защитный элемент (элементы) 72 и преобразователь (преобразователи) от выскальзывания на этом конце. После помещения в выемку 70 защитный элемент (элементы) 72 удерживается на трубе 13 благодаря использованию фиксатора (описанного ниже), крепежного средства (например, винтов, заклепок, планок) или любого другого подходящего средства, известного из уровня техники.
На фиг.16 показан преобразователь 30 согласно другому варианту осуществления изобретения. Описанная в настоящей заявке основа 38, снабженная одним или несколькими преобразовательными элементами 36, модулями 32 электроники и необязательным мультиплексором 44, заключена в или герметизирована резиновым компаундом 40 с образованием удлиненного по существу прямоугольного преобразовательного узла, подобного показанному на фиг.3. Опрессовывающий компаунд 40 выполнен с большим количеством вытянутых выступов 41 на противоположных боковых поверхностях прямоугольного узла. При желании преобразователь 30 может быть реализован с опорой (непоказанной) на любой поверхности, например опорой 52 (фиг.7). Для ясности иллюстрации выводы сигнала/электропитания не показаны.
На фиг.17 показана труба 13 согласно варианту осуществления, выполненная с выемкой 70 для размещения преобразователя 30, показанного на фиг.16. Выемка 70 образована ступенчатой с нижней канавкой 75 для опоры преобразовательного узла 30. По сторонам нижней канавки 75 образован ряд углублений 77 для сопряжения с выступами 41, вытянутыми от боковых поверхностей преобразователя 30. После помещения преобразовательного узла в нижнюю канавку 75 выступы 41 удерживают его, предотвращая радиальное и осевое перемещения. Кроме того, выемка 70 выполнена с выступающими частями или губками 86, проходящими по противоположным сторонам канала. На фиг.18 показано поперечное сечение трубы, представленной на фиг.17, с преобразователем согласно варианту осуществления, показанному на фиг.16.
Как показано на фиг.18, защитный элемент 72 расположен поверх преобразователя 30 внутри выемки 70. Защитный элемент 72 выполнен со свесами 85 и, как описано выше, образует поверхность, расположенную на одном уровне с внешней стороной трубы 13. Свесы 85 на защитном элементе 72 сдавливают резиновые выступы 41 на преобразователе 30, закрепляя преобразователь 30 в выемке 70. Давление на выступы 41 также создает силу противодействия, и защитный элемент 72 прижимается к губкам 86, что предотвращает его дребезг. На фиг.19(А) показан защитный элемент согласно варианту осуществления изобретения. На фиг.19(В) показан защитный элемент с укороченными свесами 85 согласно другому варианту осуществления. Как описано выше, эти защитные элементы 72 могут быть выполнены с одним или несколькими отверстиями 74. Защитные элементы 72 изобретения выполнены так, что их можно просто опускать в выемку 70 и продвигать со скольжением по выемке поверх размещенного компонента до желаемого положения.
Возвратимся к фиг.17, где один сегмент выемки 70 показан образованным с узким каналом С по сравнению с другим сегментом с каналом шириной D. Более широкий сегмент выемки 70 выполнен с увеличенными углублениями 78, образованными по противоположным сторонам канала. В случае такого варианта осуществления преобразовательный узел 30 из фиг.16 просто опускают в выемку 70, что облегчает ремонт и замену. После того как преобразователь 30 размещен в выемке 70 и выполнены соответствующие соединения цепей сигнала/электропитания, известные из уровня техники, защитный элемент 72 просто опускают в более широкий сегмент выемки 70 и продвигают со скольжением под губки 86 до заданного положения над преобразователем 30. В зависимости от длины преобразователя 30 для покрытия преобразователя по всей длине можно использовать один или несколько защитных элементов 72.
На фиг.20 показан фиксатор 79 согласно варианту осуществления изобретения. В этом варианте осуществления фиксатор 79 выполнен по существу подобным защитным элементам, показанным на фиг.19(А) и фиг.19(В), за исключением того, что он образован без фланцевых свесов (позиция 85 на фиг.19(А), 19(В)) и включает в себя гнезда 81, вытянутые от его боковых поверхностей. Фиксатор 79 выполнен соответствующей ширины для скользящей посадки в более широкий канальный сегмент D и, как описано выше, также может быть выполнен с одним или несколькими отверстиями 74. Фиксатор 79 может быть образован из любого подходящего материала. При желании защитные элементы 72 и фиксаторы 79 изобретения могут быть сконструированы с гладкими (то есть с плоскими) или с закругленными поверхностями и они могут быть образованы из подходящих материалов, известных из уровня техники (например, из металлов, пластиков, синтетических компаундов, композитов). Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что фиксатор 79 может быть выполнен согласно другим вариантам осуществлениям, известным из уровня техники, и реализован вместе с изобретением.
На фиг.21 показана труба 13, снабженная парой осевых преобразователей 30 согласно вариантам осуществления изобретения (фиг.11(В)). Этот вариант осуществления реализован с преобразователями 30, многочисленными выемками 70, образованными по внешней окружности трубы 13, с защитными элементами 72 и фиксаторами 79, изображенными на фиг.16-20. Как описано выше, для покрытия преобразователя (преобразователей) 30 в выемки 70 вставлены в большом количестве индивидуальные защитные элементы 72. Каждый ряд защитных элементов 72 удерживается от выскальзывания из отдельных выемок 70 фиксаторами 79, показанными на фиг.20. Фиксаторы 79 закрепляют на трубе 13, используя любое подходящее средство, такое как крепежное средство, например, винт, заклепку, планку, сварку или резьбу. Фиксатор 79 согласно одному варианту осуществления закрепляют на трубе путем пропускания винтов через гнезда 81, образованные на фиксаторе, в соответствующие отверстия 87 (фиг.17), образованные в трубе.
В отличие от известных акустических преобразователей, например преобразователей с компенсацией влияния нефти, установка и удержание на трубе компактных и интегральных конфигураций раскрытых преобразователей 30 обеспечивается путем использования различных средств, известных из уровня техники. Например, при использовании в спускаемых на кабеле скважинных приборах или при других применениях, когда истирание не является критическим фактором, преобразователи 30, защитные элементы 72 и/или фиксаторы 79 могут быть просто посажены на подходящем компаунде в выемку (непоказанную), образованную в трубе.
Процесс сборки акустического преобразователя согласно вариантам осуществления изобретения влечет за собой размещение акустического преобразовательного элемента на средстве основы, описанном в настоящей заявке. Затем на средстве основы размещают модуль электроники, выполненный с возможностью дискретизации сигнала, относящегося к преобразовательному элементу, и соединяют с акустическим преобразовательным элементом. После этого преобразовательный элемент и модуль электроники покрывают уплотнительным материалом для получения водонепроницаемого узла. Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что работа раскрытых преобразователей не ограничена какой-либо конкретной частотой или частотным диапазоном.
Способ для развертывания акустического преобразователя в скважине согласно изобретению предполагает размещение трубы 13 в скважине 12. При этом труба снабжена, как описано в настоящей заявке, одной или несколькими удлиненными выемками 70, образованными на ее наружной поверхности вдоль ее продольной оси, с одним или несколькими акустическими преобразователями 30, расположенными в них. Как описано в настоящей заявке, преобразователь (преобразователи) 30 имеют по существу плоские поверхности и выполнены с возможностью плотного прилегания к сопряженным поверхностям, образованным в выемке. В выемке размещают один или несколько защитных элементов 72, при этом защитный элемент (элементы) выполняют с возможностью скольжения поверх акустического преобразователя (преобразователей) до выбранного положения в выемке. Как раскрыто в настоящей заявке, при этом на трубе размещают фиксатор 79 для удержания защитного элемента (элементов) в выемке.
На фиг.22 показан еще один вариант осуществления изобретения. Хотя этот вариант осуществления показан снабженным стаканными преобразователями 30, изображенными на фиг.10, должно быть понятно, что труба 90 может быть выполнена с конфигурациями выемок и защитных элементов, раскрытыми в настоящей заявке. Преобразователи 30 установлены в трубе 90, расположенной в скважине 12, которая проходит через подземный пласт. Преобразователи 30 размещены так, что преобразовательные элементы 36 открыты в скважину. Труба 90 также включает в себя многоосевую электромагнитную антенну 91 для подземных измерений и электронику 92, 93 с соответствующими схемами. Труба 90 показана подвешенной в скважине 12 на каротажном кабеле 95 в случае спускаемой на кабеле системы или на бурильной колонне 95 в случае системы бурения с каротажем. В случае применения каротажного кабеля трубу 90 поднимают и спускают в скважину 12 с помощью лебедки 97, которая управляется наземным оборудованием 98. Каротажный кабель или бурильная колонна 95 включает в себя кондукторы 99, которые соединяют скважинную электронику 92, 93 с наземным оборудованием с целью передачи сигнала и управления. В качестве альтернативы, как известно из уровня техники, эти сигналы могут обрабатываться или записываться в трубе 90, а обработанные данные передаваться к наземному оборудованию 98. Электрические выводы от размещенных компонентов могут быть протянуты так, как это требуется, путем использования раскрытых модулей электроники/мультиплексоров, поскольку они могут работать на длинные кабели. Для реализации раскрытой скважинной установки могут быть использованы известные электронные узлы, соединительные элементы (например, волоконно-оптические) и соединители, известные из уровня техники.
Специалистам в области техники, к которой относится изобретение, должно быть понятно, что настоящее изобретение применимо к и может быть реализовано в любой области, в которой трубы используют для переноса или опоры необходимых компонентов; оно не ограничено применениями под землей.