АКУСТИЧЕСКИЙ СКВАЖИННЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
ACOUSTIC DOWNHOLE EMITTER

Изобретение относится к области геофизики и прикладной акустики и может быть использовано для обработки продуктивных зон нефтяных, газовых и водяных скважин с целью повышения их производительности.
Известен скважинный излучатель, который содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральной шпилькой. Активные модули размещены по оси жесткого герметичного металлического цилиндрического корпуса, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, заполненного электроизоляционной жидкостью. Каждый активный модуль представляет собой пьезопакет, состоящий из пьезокерамических шайб, токопроводящих металлических пластин и центрального отражателя в виде массивной шайбы. Пьезопакет механически сжат центральной шпилькой. Центральный отражатель каждого модуля с помощью металлических крепежных штифтов прикреплен, например, сваркой к герметизирующему металлическому корпусу излучателя. Такая конструкция обеспечивает центральную симметрию колебаний относительно середины длины модуля и жесткую фиксацию модулей в корпусе относительно друг друга. В корпусе в области промежутков между торцами активных модулей выполнены звукопрозрачные окна. Эти окна защищены от внешней среды каким-либо полимером, например резиной. Для компенсации термического расширения жидкости и наружного гидростатического давления металлический корпус снабжен компенсатором (см. изобретение «Скважинный излучатель» по патенту РФ №2047280, кл. H04R 1/44 от 20.04.94).
Недостатком известного скважинного излучателя является неэффективное использование электромеханического преобразования, что вызвано отсутствием пьезоактивного материала в центральной части каждого модуля, обусловленное конструкцией крепления. Другим недостатком такой конструкции является крайне низкая ремонтопригодность прибора в случае замены одного или нескольких модулей.
Известен также акустический скважинный излучатель, который содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями; торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем (см. изобретение «Акустический скважинный излучатель» по патенту РФ №2169383, кл. H04R 1/44, 20.06.01).
Недостатком данного акустического скважинного излучателя является наличие на его излучающей поверхности участков, совершающих противофазные колебания, что уменьшает эффективность излучения в радиальном направлении. Таковыми являются участки, противолежащие боковой поверхности пьезопакетов, и промежутки между модулями. Кроме того, при достаточно большой высоте скважинного излучателя его излучение становится направленным в вертикальной плоскости, что приводит к уменьшению объема рабочей среды, облучаемой излучателем, и уменьшению эффективности его воздействия на рабочую среду. Для увеличения объема озвученной среды такой излучатель нужно перемещать в вертикальном направлении, что связано с дополнительными затратами времени, а в ряде случаев ведет к снижению эффективности воздействия.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1.2-1.3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0.2-0.25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, а источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором, первые N входов-выходов которого соединены с электрическими входами-выходами N-пьезопакетов, а второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N-позиционного коммутатора, причем N позициям коммутатора соответствуют N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках жесткого герметичного цилиндрического корпуса, а расстояние между центрами звукопрозрачных промежутков равно (0.8-0.85)λ (см. патент на изобретение №2276475 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 10.05.2006, по заявке 2004129032/28 от 04.10.2004, кл. H04R 1/44).
Недостатком данного акустического скважинного излучателя является ограниченный набор законов фазовой манипуляции звукового давления, поскольку число законов фазовой манипуляции равно N. Ограниченное число законов фазовой манипуляции позволяет формировать только N различных типов характеристик направленности в вертикальной плоскости, что значительно ограничивает облучаемый объем рабочей среды. Это приводит к низкой эффективности акустического воздействия на сравнительно небольшой объем рабочей среды.
N
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей акустического скважинного излучателя посредством использования 2 систем из N различных (не повторяющихся) законов фазовой манипуляции звукового давления, что приводит к повышению эффективности акустического воздействия и увеличению озвученного объема рабочей среды без увеличения мощности излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в известный акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1.2-1.3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0.2-0.25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором, второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N-позиционного коммутатора, а расстояние между центрами (N+1) звукопрозрачных промежутков жесткого герметичного цилиндрического корпуса равно (0.8-0.85)λ, введены нуль-орган, делитель частоты с коэффициентом деления N, N-разрядный двоичный счетчик, N-разрядный регистр сдвига и N управляемых инверторов, причем N выходов коммутатора соединены с информационными входами соответствующих управляемых инверторов, выходы которых подключены к электрическим входам соответствующих пьезопакетов, последний выход N-позиционного коммутатора (функции Уолша на выходах коммутатора упорядочены по числу знакоперемен) подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен со сдвигающим входом N-разрядного регистра сдвига и входом делителя частоты с коэффициентом деления N, выход делителя частоты с коэффициентом деления N подключен к управляющему входу записи N-разрядного регистра сдвига и счетному входу N-разрядного двоичного счетчика, информационные выходы разрядов N-разрядного двоичного счетчика подключены к соответствующим информационным входам N-разрядного регистра сдвига, выход старшего разряда N-разрядного регистра сдвига подключен к управляющим входам всех управляемых инверторов.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого акустического скважинного излучателя. На фиг.2 приведена схематическая конструкция опускаемой в скважину части акустического скважинного излучателя. На фиг.3 представлен фрагмент опускаемой в скважину части излучателя с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном. На фиг.4 представлены временные диаграммы системы функций Уолша. На фиг.5 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования сигнала S(6,θ) очередной производной системы дискретных ортогональных сигналов. На фиг.6 представлены временные диаграммы производной системы дискретных ортогональных сигналов S(i,θ).
Акустический скважинный излучатель (фиг.1) содержит опускаемую в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя, N-позиционный коммутатор 2, усилитель мощности 3, нуль-орган 4, делитель 5 частоты с коэффициентом деления N, N-разрядный двоичный счетчик в, N-разрядный регистр 7 сдвига и N управляемых инверторов 8.
Опускаемая в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя (фиг.2) и входящие в состав части 1 акустического скважинного излучателя фрагменты с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном (фиг.3) содержат активные модули, выполненные в виде пьезопакетов 9. Каждый активный модуль состоит из одинаковых пьезокерамических шайб 10, склеенных через металлические электроды 11. На торцах активной части модуля имеются металлические излучающие накладки 12. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической стягивающей армирующей шпилькой 13, повышающей его механическую прочность. Шпилька 13 размещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули соосно размещены в металлическом корпусе 14, имеющем звукопрозрачные окна 15. Модули акустически развязаны от корпуса с помощью резиновых развязок 16, а с помощью гибких колец 17, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе 14, они образуют механически связанную цепочку. Металлические электроды каждого активного модуля электрически соединены между собой проводами 18. Первое и последнее гибкие кольца механически соединены с крышками корпуса 19. Корпус 14 герметизирован резиновыми заглушками 20, заполнен электроизоляционной жидкостью 21 и снабжен компенсатором 22. Компенсатор механически защищен колпаком 23. Между боковой поверхностью каждого пьезопакета и внутренней поверхностью корпуса 14 размещены акустически мягкие цилиндрические экраны 24, изготовленные, например, из жесткого пенопласта.
Как и в прототипе, при выборе расстояния между звукопрозрачными промежутками, равного (0.8-0.85)λ, где λ - длина волны акустического излучения в рабочей среде, коэффициент осевой концентрации акустического скважинного излучателя, определяющий эффективность направленного излучения, становится максимальным.
Как и в прототипе, для реализации акустического скважинного излучателя с такими размерами необходимо также существенно снизить эффективную скорость звука, определяющую частоту продольного резонанса пьезопакета с торцевыми накладками, используя их в качестве частотопонижающих. Так, например, если торцевые накладки изготовлены из стали, а их суммарная толщина составляет (0.2-0.25) от толщины пьезопакета, то эффективная скорость звука составит (1.2-1.3)С, где С - скорость звука в рабочей среде, например в морской воде, при этом величина звукопрозрачного промежутка между торцевыми накладками должна составлять (0.2-0.25)λ.
Акустический скважинный излучатель работает следующим образом.
Опускаемая в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя (фиг.1), соединенная многожильным кабелем с выходами управляемых инверторов 8 (фиг.1), погружается примерно в середину объема рабочей среды, подлежащей воздействию мощным звуком.
С помощью N-позиционного коммутатора 2 на его информационных выходах создается тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша Wal(i,θ), аналогично тому, как это делается в прототипе (см. патент на изобретение №2276475 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 10.05.2006, по заявке 2004129032/28 от 04.10.2004, кл. H04R 1/44).
n
Недостаток прототипа, заключающийся в том, что он имеет ограниченный набор законов фазовой манипуляции звукового давления, поскольку число законов фазовой манипуляции равно N (где N - количество функций Уолша в используемой системе сигналов, при этом N=2, где n=1, 2, 3, …), в предлагаемом устройстве устраняется.
N
Действительно, предлагаемый акустический скважинный излучатель формирует на выходах управляемых инверторов 8 по очереди 2 систем дискретных ортогональных сигналов, причем каждая система описывается N законами фазовой манипуляции звукового давления. Система функций Уолша будет описывать первую формируемую совокупность законов фазовой манипуляции звукового давления в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, длительность которой составляет N тактов работы устройства, в тот период времени, когда в регистре 7 сдвига будет записана последовательность вида «00000000» (для случая N=8).
После формирования всей системы функций Уолша длительностью N тактов состояние разрядов регистра 7 сдвига изменится, и в нем будет записана последовательность вида «00000001» (для случая N=8). В течение следующих N тактов на выходах управляемых инверторов 8 будет сформирована вторая, отличная от системы функций Уолша, система дискретных ортогональных сигналов.
После ее формирования состояние разрядов регистра 7 сдвига изменится, и в нем будет записана последовательность вида «00000010» (для случая N=8). B течение следующих N тактов на выходах управляемых инверторов 8 будет сформирована третья, отличная от предыдущих систем функций, система дискретных ортогональных сигналов.
После ее формирования состояние разрядов регистра 7 сдвига изменится, и в нем будет записана последовательность вида «00000011» (для случая N=8). В течение следующих N тактов на выходах управляемых инверторов 8 будет сформирована четвертая, отличная от предыдущих систем функций, система дискретных ортогональных сигналов, и так далее.
N
Поясним подробнее процесс формирования этих 2 систем дискретных ортогональных сигналов.
На фиг.4 представлены временные диаграммы системы функций Уолша (для случая N=8). Функции Уолша на информационных выходах N-позиционного коммутатора 2 упорядочены по числу знакоперемен.
N
На фиг.5 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования сигнала S(6,θ) очередной производной системы дискретных ортогональных сигналов. Общее количество систем дискретных ортогональных сигналов, которые будут сформированы акустическим скважинным излучателем, для случая N=8 будет равно 2=256. Пусть порядковый номер рассматриваемой системы S(i,θ) будет 128.
В этом случае акустический скважинный излучатель уже сформировал 127 (с учетом того, что порядковый номер системы функций Уолша - первый) различных систем дискретных ортогональных функций, а в N-разрядном двоичном счетчике 6 записано в двоичном коде число 127, то есть последовательность вида «01111111».
Вообще в процессе работы акустического скважинного излучателя состояние разрядов регистра 7 сдвига определяется следующим образом.
Функция Уолша с наибольшим числом знакоперемен (фиг.5а) с последнего выхода N-позиционного коммутатора 2 (например, для случая N=8 это будет функция Wal(7,θ)) поступает на вход нуль-органа 4, который формирует на своем выходе импульс в момент смены сигнала на его входе с «+» на «-» или с «-» на «+» (фиг.5б). Импульсы с выхода нуль-органа 4 поступают на сдвигающий вход N-разрядного регистра 7 сдвига, на выходе старшего разряда которого формируются управляющие импульсы, поступающие на управляющие входы управляемых инверторов 8.
Импульсы с выхода нуль-органа 4 поступают также на вход делителя 5 частоты с коэффициентом деления N, поэтому через каждые N тактов работы излучателя на выходе делителя 5 частоты формируется импульс, который, во-первых, увеличивает на единицу значение двоичного числа, записанного в N-разрядном двоичном счетчике 6, а во-вторых, поступая на вход записи N-разрядного регистра 7 сдвига, дает возможность для записи этого двоичного числа из разрядов N-разрядного двоичного счетчика 6 в соответствующие разряды N-разрядного регистра 7 сдвига.
Итак, в рассматриваемом случае в N-разрядном двоичном счетчике 6 записано в двоичном коде число 127, то есть последовательность вида «01111111», которая запишется в разряды N-разрядного регистра 7 сдвига и появится на выходе его старшего разряда (фиг.5в) синхронно с формированием функций Уолша на информационных выходах N-позиционного коммутатора 2.
Последовательность «01111111» поступит на управляющие входы управляемых инверторов 8, на информационные входы которых поступают функции Уолша Wal(i,θ).
Управляемые инверторы 8 устроены так, что при поступлении на их управляющий вход «0» на выходе управляемого инвертора формируется сигнал, поступающий на его информационный вход, а при поступлении на их управляющий вход «1» осуществляется операция инвертирования, и на выходе управляемого инвертора формируется сигнал, поступающий на его информационный вход, но в инвертированном виде.
Таким образом, например, функция Уолша Wal(6,θ) (фиг.5, г), поступающая на вход седьмого управляемого инвертора 8, будет преобразована, и на выходе седьмого управляемого инвертора 8 (фиг.5д) сформируется сигнал S(6,θ).
На фиг.5 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования сигнала S(6,θ) в предлагаемом устройстве.
На диаграммах показано временное состояние:
а) последнего выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(7,θ);
б) выхода нуль-органа 4;
в) выхода старшего разряда N-разрядного регистра 7 сдвига;
г) седьмого выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(6,θ);
д) выхода седьмого управляемого инвертора 8, на котором формируется сигнал S(6,θ).
На фиг.6 представлены временные диаграммы рассмотренной 128-й системы дискретных ортогональных сигналов S(i,θ).
В ортогональности функций S(i,θ), формируемых в предлагаемом устройстве, можно убедиться путем перемножения любых функций системы S(i,θ) и интегрирования результата перемножения за время Т (где Т - период определения функций). Ортогональностью обладают также все 256 формируемых систем дискретных ортогональных сигналов (для случая N=8).
N
Итак, количество формируемых систем дискретных ортогональных сигналов в общем случае равно 2.
N
N
Наличие новых элементов (нуль-орган 4, делитель 5 частоты с коэффициентом деления N, N-разрядный двоичный счетчик 6, N-разрядный регистр 7 сдвига и N управляемых инверторов 8) в предлагаемом устройстве, используемых вместе с N-позиционным коммутатором 2 и усилителем 3 мощности с симметричным выходом, позволяет реализовать 2 систем дискретных ортогональных сигналов, каждая из которых включает N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках на поверхности жесткого герметичного цилиндрического корпуса, то есть сформировать 2 систем из N различных (не повторяющихся) законов фазовой манипуляции звукового давления.
N
При этом будут получены N×2 различных типов характеристик направленности в вертикальной плоскости, что позволит резко увеличить облучаемый объем рабочей среды, повысив тем самым эффективность воздействия мощного звука на контролируемый объем рабочей среды. В качестве законов фазовой манипуляции использованы распределения, реализуемые не только функциями Уолша, но и всеми остальными возможными системами дискретных ортогональных сигналов с отсчетами «+1» и «-1», то есть их совокупность действительно образует полный набор.
При этом формируются более сложные характеристики направленности, чем в прототипе, образующие в совокупности веер характеристик направленности в вертикальной плоскости, действительно равномерно перекрывающий весь облучаемый объем рабочей среды без увеличения излучаемой акустической мощности.
При подаче на опускаемую в скважину часть 1 предлагаемого акустического скважинного излучателя электрического напряжения звуковой частоты пьезопакеты 9 (фиг.2) механически возбуждают объем электроизоляционной жидкости, находящейся между торцами соседних модулей, и через звукопрозрачные окна 15 (фиг.3) акустическая энергия излучается в окружающую среду.
При использовании предлагаемого акустического скважинного излучателя формируется веер лучей, озвучивающих действительно весь объем рабочей среды без увеличения излучаемой акустической мощности.
N
Генерируемые излучателем мощные акустические колебания воздействуют на окружающий грунт призабойного слоя нефтеносного или газового пласта, значительно (до 60%) улучшая его продуктивные свойства. При большой толщине пласта акустическая обработка производится при одном уровне погружения опускаемой в скважину части предлагаемого акустического скважинного излучателя, но при формировании всех возможных 2 систем из N различных (не повторяющихся) законов фазовой манипуляции звукового давления.
N
Таким образом, предлагаемый акустический скважинный излучатель обладает расширенными функциональными возможностями в связи с использованием 2 систем из N различных (не повторяющихся) законов фазовой манипуляции звукового давления, что приводит к повышению эффективности акустического воздействия и увеличению озвученного объема рабочей среды без увеличения мощности излучения.