МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННА ПРИБОРА АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА
MULTIELEMENT RECEIVING ANTENNA OF ACOUSTIC LOGGING DEVICE

Изобретение относится к автономной аппаратуре волнового акустического каротажа и играет существенную роль при проведении геофизических исследований в сильнонаклонных и горизонтальных скважинах, а также в сложных геологических условиях в составе связки других измерительных модулей в составе колонны бурильных труб, либо другого способа транспортировки в скважине.
Основная проблема автономного акустического каротажа состоит в необходимости обеспечения качественных измерений скоростей продольной и поперечной волн в различных породах в условиях более высоких, чем для кабельных приборов, силовых нагрузок.
Известен прибор акустического каротажа (см., патент US №6494288, МПК E21B 47/01, G01V 01/52, опубл. 17.12.2002), содержащий приемную антенну, выполненную на цилиндрическом металлическом стержне, на котором установлены секции с элементами акустического преобразования (многослойные пьезокерамические датчики давления), при этом элементы расположены равномерно по окружности, а между секциями размещены массивные металлические вставки, жестко соединенные с центральным стержнем посредством фиксирующих штифтов, также имеется фторопластовая гильза с пазами для размещения проводов, обеспечивающих электрическую связь с находящимся вне антенны блоком электроники, сверху антенна закрыта металлической трубой с окнами напротив элементов акустического преобразования, также труба имеет в стенке поперечные пазы, равномерно расположенные по окружности, выполняя при этом роль изолятора.
Достоинство данного решения заключается в том, что реализована многоэлементная конструкция приемной антенны, всего содержится 32 элемента акустического преобразования, по 4 в 8-ми секциях, а секции расположены с одинаковым шагом по оси антенны. Это способствует более качественной обработке сигналов с целью определения интервального времени целевых волн, улучшает детальность выявления пластов мощностью порядка 1 м.
К недостаткам относятся:
- удаленность блока электроники и необходимость прокладки проводов на большое расстояние для передачи аналоговых сигналов приводит к снижению помехозащищенности;
- большое количество проводов (по 2 от каждого элемента, а всего 64) требует значительного места для их размещения;
- на выходе антенны требуется крупногабаритный герметичный электрический соединитель с большим количеством контактов;
- отсутствие сквозного канала промывки из-за наличия стержня по центру антенны;
- использование наружной перфорированной трубы снижает прочность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является блок акустических приемников (см., патент RU №2373391, МПК E21B 47/01, G01V 01/52, опубл. 20.11.2009), содержащий несущую трубу, на которой установлен ряд последовательно чередующихся секций с двумя кольцевыми полостями для элементов акустического преобразования и электронных блоков, а внешний корпус выполнен в виде пластмассовой гильзы с акустически прозрачными резиновыми вставками напротив элементов акустического преобразования, притом секции выполнены в виде стальных втулок, посаженных с натягом на титановую трубу и локализованных на заданных позициях, дополнительно в кольцеобразных полостях секций и в полости титановой трубы содержится масло, к тому же введен компенсатор наружного давления и температурного изменения объема масла для выравнивания давления внутри и снаружи, также используются электрические соединители для стыковки с другими блоками, кроме того, элемент акустического преобразования реализован в виде пьезоэлектрического датчика давления цилиндрической формы, либо пакета пластин, а также во внутреннем канале титановой несущей трубы размещены транзитные провода, выведенные с электронных блоков в полость титановой несущей трубы, а наружные гильзы выполнены с заданными высоким и низким волновыми сопротивлениями.
Данное известное техническое решение обеспечивает акустический каротаж во всем диапазоне частот при использовании режимов монопольного и дипольного излучения, кроме того, жесткая титановая труба обеспечивает прочность на растяжение, сжатие и кручение. Размещение электронных блоков рядом с датчиками давления способствует повышению параметра “сигнал/шум” за счет близости предварительных усилителей и преобразователей аналогового сигнала в цифровой. Общее количество проводов при этом существенно снижается.
Недостаток решения заключается в следующем:
- электронные блоки, размещенные рядом с элементами акустического преобразования, находятся в масле под давлением. Это существенно снижает надежность работы, так как только ограниченное число микросхем и компонентов может работать стабильно при воздействии давления. Поэтому электронные блоки могут выполнять только простые операции предварительного усиления, фильтрации и аналого-цифрового преобразования;
- не обеспечивается сквозной канал для промывочной жидкости, так как в полости внутренней трубы размещены провода, труба не герметизирована от остальной конструкции;
- несущая труба является волноводом для волны по корпусу, причем натяг стальных втулок, только улучшает прохождение волны за счет плотного контакта и может снизить показатель “сигнал-шум”.
Техническим результатом предложенного решения является устранение указанных недостатков.
Технический результат достигается тем, что в многоэлементной приемной антенне прибора акустического каротажа содержится металлическая несущая труба, на которой размещен ряд чередующихся секций с элементами акустического преобразования, равномерно размещенных по окружности и электронных блоков, а также компенсатор наружного давления и температурного изменения объема диэлектрической жидкости и узлы стыковки, кроме того, секции с элементами акустического преобразования и электронные блоки выполнены отдельными сборочными единицами, причем каждая секция элементов акустического преобразования исполнена в виде пластиковой втулки, имеющей равномерно расположенные по окружности пазы, в которых находятся элементы акустического преобразования, а электронные блоки выполнены в виде гермоблоков из внутренней стальной втулки и наружной стальной гильзы, образующих в сборе внутреннюю кольцевую полость с уплотнительными кольцами, в которой размещены платы электроники, входы которых подключены к выходам акустических преобразователей посредством герметичных электрических соединителей, а также гермоблоки содержат дополнительные герметичные электрические соединители для подвода питания и входа-выхода проводов, кроме того, пластиковые втулки с элементами акустического преобразования и герметичные электрические соединители защищены от скважинной среды тонкостенными пластиковыми гильзами, опирающимися на уплотнительные кольца, расположенные в канавках каждой пары соседних гермоблоков, а снаружи гермоблоки, втулки и тонкостенные пластиковые гильзы закрыты чередующимися пластиковыми и стальными гильзами, имеющими пазы и выступы для обеспечения при сборке антенны ориентировки окон в стальных гильзах напротив элементов акустического преобразования, кроме того, в стальных гильзах выполнены окна напротив соответствующих акустических преобразователей, а узлы стыковок включают нижнюю и верхнюю головки со сквозным центральным отверстием, причем в верхнюю головку установлены по окружности герметичные электрические соединители для транзитных проводов с фиксацией стопорами, а также один или несколько электрических разъемов для соединения с блоками излучателей и приемной антенны, кроме того, верхняя головка выполнена с возможностью стыковки с ориентированием по направлению без вращения, а нижняя головка привинчена к несущей трубе и соединена с помощью винтов с компенсатором наружного давления и температурного изменения объема диэлектрической жидкости, смонтированного на несущей трубе в виде кольцевой камеры с упругой мембраной либо поршнем и фиксируемого в заданном направлении шпонкой.
Внутреннее отверстие металлической несущей трубы выполнено в виде сквозного канала для промывочной жидкости.
На поверхности металлической несущей трубы реализованы продольные пазы для размещения транзитных проводов.
Введены пластиковые гильзы, расположенные на внешней поверхности металлической несущей трубы и в которых осуществлены продольные пазы для прохождения жидкого диэлектрика и окна для транзитных проводов.
Наружные пластиковые гильзы выполнены четвертьволновой длины для основной частоты монопольного излучения.
Сущность предложенного технического решения заключается в том, что гермоблоки с платами электроники и пластиковые втулки с элементами акустического преобразования выполнены отдельными сборочными единицами и жестко не связаны с металлической несущей трубой, что обеспечивает большую гибкость антенны. В качестве элементов акустического преобразования используются пьезоэлектрические датчики давления, двухслойного либо трехслойного типа, регистрирующие импульсы давления в упругих колебаниях в жидкости внутри скважины, соответствующие волнам в породе.
Гермоблоки с платами электроники унифицированы, собираются и настраиваются предварительно, поэтому общая сборка и наладка антенны существенно упрощаются, кроме того, платы электроники защищены от давления и прямого контакта с жидкостью, а это повышает надежность, так как электрические компоненты, работающие под давлением, требуют тщательного отбора и проверок с целью отбраковки. В гермоблоках используются серийно производимые герметичные многоконтактные электрические соединители малых габаритов, работающие при высоком давлении, например, фирмы “Greene, Tweed” (US).
Транзит проводов осуществлен в продольных пазах несущей трубы, а выход к герметичным электрическим соединителям гермоблоков обеспечивается через сквозные пазы в пластиковых гильзах и за счет полостей во втулках с элементами акустического преобразования.
Наружные пластиковые и стальные гильзы выполнены без жестких связей с гермоблоками, что обеспечивает большую гибкость антенны.
Защита элементов акустического преобразования от бурового раствора осуществляется тонкостенными пластиковыми гильзами, обеспечивая газонепроницаемость в отличие от резиновой мембраны, обеспечивая работоспособность антенны в условиях повышенного содержания сероводорода и других газопроявлений в скважине.
Предложенное техническое решение позволяет осуществлять измерения продольной, поперечной волн и поверхностной волны Стоунли, а также дипольной и квадрупольной мод в любых типах пород, обеспечивая собственную акустическую задержку и гашение волны-помехи по наружным и внутренним элементам конструкции.
Кроме того, конструкция позволяет повысить допускаемые нагрузки на сжатие и продольный изгиб при спуске на колонне бурильных труб, а также на растяжение при возможных прихватах, например, из-за прилипания к глинистой корке на стенке скважины, за счет жесткости наружных пластиковых и стальных гильз и прочности несущей трубы.
Обеспечивая многоэлементный прием полезных сигналов, собственную акустическую изоляцию, защиту от агрессивного действия бурового раствора на внутренние элементы конструкции антенны, а также сквозной канал для прохождения промывочной жидкости для возможности дополнительной промывки скважины и облегчения прохождения прибора на забой, предлагаемое решение позволяет расширить круг задач акустического каротажа и повысить достоверность и качество измерений.
Причем ориентировка элементов акустического преобразования достигается за счет направляющих выступов и пазов в гермоблоках и втулках с элементами акустического преобразования, в наружных стальных и пластиковых гильзах, в фиксации положения за счет шпонки в несущей трубе и ответного паза в компенсаторе.
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 чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид антенны, на фиг. 2 - центральная часть антенна (а), на фиг. 3 - нижняя часть антенны (б); на фиг. 4 - верхняя часть антенны (с).
Состав предлагаемого технического решения:
1 - несущая труба;
2 - пластиковые гильзы с пазами для прохождения жидкого диэлектрика;
3 - втулка с элементами акустического преобразования;
4 - элемент акустического преобразования;
5 - гермоблок с платами электроники;
6 - внутренняя втулка гермоблока;
7 - наружная гильза гермоблока;
8 - кольцевая полость;
9, 10 - уплотнительные кольца;
11 - герметичные электрические соединители;
12 - продольные пазы в несущей трубе для транзитных проводов;
13 - окна в пластиковых гильзах;
14 - тонкостенная пластиковая гильза;
15, 16 - уплотнительные кольца;
17 - пластиковая гильза;
18 - стальная гильза;
19 - окно;
20 - компенсатор;
21 - шпонка;
22 - нижняя головка;
23 - винты;
24 - упругая мембрана;
25 - отверстия во втулке;
26 - верхняя головка;
27 - герметичные электрические соединители;
28 - канал промывки;
29 - пробка;
30 - электрические разъемы.
Динамика работы предложенного технического решения.
Антенна выполнена на несущей центральной трубе 1, на которой размещены пластиковые гильзы 2, на которых с равным шагом по длине трубы 1 расположен ряд пластиковых втулок 3, имеющих равномерно расположенные по окружности пазы, в которых находятся элементы акустического преобразования 4, а непосредственно к втулкам 3 примыкают гермоблоки 5, выполненные из внутренней стальной втулки 6 и наружной стальной гильзы 7, образующих в собранном виде внутреннюю кольцевую полость 8, уплотняемую от наружного давления уплотнительными кольцами 9, 10, размещенными по краям гермоблока 5, а в кольцевой полости 8 каждого гермоблока 5 размещены платы электроники, входы которых соединены с выходами элементов акустического преобразования 4 посредством одного либо нескольких герметичных электрических соединителей 11, кроме того, в гермоблоках 5 имеются дополнительные герметичные электрические соединители для подвода питания и входных-выходных проводов, причем для размещения проводов в несущей трубе 1 выполнены продольные пазы 12, а в пластиковых гильзах 4 имеются окна 13 для входа-выхода проводов к герметичным электрическим соединителям гермоблоков, кроме того, втулки 3 с элементами акустического преобразования герметизированы от внешней скважинной среды тонкостенными пластиковыми гильзами 14, опирающимися на уплотнительные кольца 15, 16, расположенные в канавках каждой пары соседних гермоблоков, между которыми располагаются втулки 3, а снаружи гермоблоки 5 и втулки 3 с гильзами 14 закрыты чередующимися пластиковыми 17 и стальными 18 гильзами, причем указанные гильзы имеют пазы и выступы для обеспечения при сборке антенны ориентировки окон 19 в стальных гильзах 18 напротив соответствующих элементов акустического преобразования 4. Антенна снабжена компенсатором 20 наружного давления и температурного изменения объема диэлектрической жидкости, который монтируется на несущую трубу 1 в заданном направлении за счет шпонки 21, имеет паз для ориентировки наружных пластиковых 17 и стальных 18 гильз, а также резьбовые отверстия для фиксации от отворачивания, также имеется нижняя головка 22, накручиваемая на несущую трубу, при этом происходит стяжка гильз 17 и 18 и фиксация винтами 23, проходящими через отверстия в нижней головке. Также компенсатор 20 выполнен с кольцевой полостью 8, содержащей упругую мембрану 24 либо поршень, причем кольцевая полость 8 сообщается с полостью антенны за счет отверстий в корпусе компенсатора 20, продольных пазов в пластиковых гильзах, отверстий 25 во втулках 3, кроме того, антенна включает соединенную с несущей трубой 1 верхнюю головку 26, в которую вставлены по окружности герметичные электрические соединители 27, причем верхняя головка 26 выполнена с возможностью соединения без вращения и с ориентированием по направлению, а также в верхней головке 26 выполнено сквозное центральное отверстие 28 для прохождения буровой жидкости и имеется отверстие для заливки жидкого диэлектрика с пробкой 29. Кроме того, в верхней головке 26 размещены один или несколько электрических разъемов 30 для соединения с блоками излучателей и приемной антенны.
Технико-экономическим эффектом предложенного решения является возможность проведения измерений и регистрации многоэлементной антенной волн в монопольном и дипольном режимах излучения с целью определения кинематических свойств подземных пород в сильнонаклонных и горизонтальных скважинах, при спуске прибора акустического каротажа на бурильных трубах, за счет гибкой и прочной конструкции, использования сквозного канала для промывочной жидкости, а также повышения надежности и функциональности работы плат электроники, размещенных в гермоблоках, и использования герметичных электрических соединителей.