УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ
DEVICE AND METHOD FOR GENERATION OF ACOUSTIC POWER IN WIDE FREQUENCY RANGE

Притязание на приоритет
Настоящая заявка притязает на приоритет по дате подачи предварительной патентной заявки US 61/316526, которая была зарегистрирована 23 марта 2010 г. и содержание которой полностью включено в настоящую заявку в качестве ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к акустическим измерениям, которые являются важным инструментом количественного определения характеристик различных сред, таких как толщи горных пород (формации). Например, измерения скорости прохождения акустических волн в формациях позволяют оценить такие характеристики как типы и количества пород, образующих формацию, и пористость формации.
Уровень техники
Акустический излучатель обычно содержит актюатор, предназначенный для выполнения колебательного движения. Это колебательное движение передается на акустическую диафрагму, которая, в свою очередь, генерирует акустические волны. Такие излучатели обычно включают устройство, обеспечивающее непосредственную связь актюатора и диафрагмы. Типичный пьезоэлектрический акустический излучатель содержит пьезоэлектрический актюатор, прикрепленный непосредственно к внутренней стороне акустической диафрагмы внутри акустической камеры. Эти излучатели обычно содержат акустическую камеру, заполненную маслом и включающую актюатор и диафрагму. Диапазон частот сигналов, испускаемых такими излучателями, обычно является ограниченным, в частности в области низких частот.
Раскрытие изобретения
Предлагаемый акустический излучатель включает акустическую диафрагму, предназначенную для передачи акустических волн в среду, узел пьезоэлектрического актюатора, деформируемого в осевом направлении под действием приложенного электрического сигнала, и упругий материал с высокой степенью несжимаемости, расположенный между пьезоэлектрическим актюатором и акустической диафрагмой и предназначенный для передачи волн давления на акустическую диафрагму в результате движения пьезоэлектрического актюатора.
Также предлагается способ оценки одной из характеристик в стволе скважины, проходящей сквозь формацию, включает спуск несущего устройства в скважину, передачу акустической волны по меньшей мере в один ствол скважины и в формацию посредством акустического излучателя и прием акустической волны посредством акустического детектора с целью оценки упомянутой характеристики. Несущее устройство содержит по меньшей мере один акустический излучатель, который включает акустическую диафрагму, предназначенную для передачи акустических волн в среду, узел пьезоэлектрического актюатора, деформируемого в осевом направлении под действием приложенного электрического сигнала, и упругий материал с высокой степенью несжимаемости, расположенный между пьезоэлектрическим актюатором и акустической диафрагмой и предназначенный для передачи волн давления на акустическую диафрагму в результате движения пьезоэлектрического актюатора.
Краткое описание чертежей
Сущность настоящего изобретения отдельно и ясно раскрывается в формуле изобретения, приведенной в конце настоящего описания. Упомянутые выше и другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут очевидными из приведенного ниже подробного описания, к которому приложены чертежи, на которых показано:
фиг.1 - пример осуществления системы для бурения подземной скважины, геофизических исследований скважины, оценки, разведки и/или добычи,
фиг.2 - пример осуществления акустического излучателя с упругодинамической связью (вид сбоку в поперечном разрезе),
фиг.3 - перспективное изображение с пространственным разделением деталей акустического излучателя, показанного на фиг.2,
фиг.4 - изображение с пространственным разделением деталей (вид сбоку) акустического излучателя, показанного на фиг.2,
фиг.5 - пример осуществления акустического излучателя с упругодинамической связью (перспективное изображение в поперечном разрезе),
фиг.6А-6Г - пример осуществления акустической диафрагмы (соответственно основной вид сбоку, вид сверху, вид снизу и неосновной вид сбоку),
фиг.7 - различные изображения акустической диафрагмы, показанной на фиг.6А-6Г,
фиг.8 - перспективное изображение пьезоэлектрического модуля, предназначенного для использования в акустическом излучателе,
фиг.9 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая пример осуществления способа передачи акустических волн и/или оценки одной из характеристик среды,
фиг.10 - иллюстрация математической модели акустического излучателя, показанного на фиг.5,
фиг.11 - график, показывающий кривую зависимости чувствительности по давлению от частоты, полученную из модели, представленной на фиг.10,
фиг.12 - полярный график, показывающий характеристику чувствительности по давлению, полученную из модели, представленной на фиг.10, при частоте 12 кГц,
фиг.13 - полярный график, показывающий характеристику чувствительности по давлению, полученную из модели, представленной на фиг.10, при частоте 4 кГц,
фиг.14 - график, показывающий характеристику чувствительности по давлению акустического излучателя с упругодинамической связью при частоте 12 кГц,
фиг.15 - график, показывающий характеристику чувствительности по давлению акустического излучателя с упругодинамической связью при частоте 4 кГц,
фиг.16 - график, показывающий кривую зависимости чувствительности по давлению от частоты акустического излучателя, представленного на фиг.14.
Подробное описание осуществления изобретения
Ниже описываются устройства и способы для генерирования акустической энергии. Акустический излучатель включает узел пьезоэлектрического актюатора, имеющего опосредованную упругодинамическую связь с акустической диафрагмой, обеспечивающую зависящее от частоты движение акустической диафрагмы в результате активации пьезоэлектрического устройства. "Упругодинамической связью" именуется передача движения пьезоэлектрического актюатора диафрагме через среду с упругой структурой. В одном варианте осуществления среда с упругой структурой включает материал с высокой степенью несжимаемости, такой как малосжимаемый эластомер. В одном варианте осуществления узел пьезоэлектрического актюатора и диафрагма разделены зазором, заполненным материалом с высокой степенью несжимаемости. В одном варианте осуществления узел актюатора и диафрагма по меньшей мере частично расположены в акустической полости и разделены полостью, по меньшей мере частично заполненной малосжимаемым эластомером. Узел актюатора и диафрагма в отдельности могут по меньшей мере частично располагаться в полости, заполненной материалом с высокой степенью несжимаемости. Устройства и способы, представленные в настоящем описании, характеризуются широким частотным диапазоном выходных акустических параметров, что является весьма важным для систем, применяемых, например, в операциях промысловых геофизических исследований и/или каротажа в процессе бурения. В одном варианте осуществления узел актюатора включает разделительный поршень, подвергающийся воздействию высокочастотных импульсов давления, монтируемый на пьезоэлектрическом модуле (или иным образом интегрируемый в узел актюатора) с целью обеспечения взаимодействия между узлом актюатора и диафрагмой и определяющий пространственные границы внутренней полости, расположенной между узлом актюатора и диафрагмой и заполненной материалом с высокой степенью несжимаемости.
Упругодинамическая связь служит для увеличения амплитуды движения акустической диафрагмы сравнительно с амплитудой движения пьезоэлектрического актюатора в диапазонах низких частот, а также обеспечивает значительную выходную акустическую мощность в диапазонах высоких частот. Устройства, представленные в настоящем описании, обеспечивают возможность увеличения амплитуды движения актюатора при низких (например, около 2 кГц) и промежуточных (например, около 8 кГц) рабочих частотах, одновременно с этим осуществляя эффективную передачу движения актюатора при высоких (например, около 12 кГц) рабочих частотах.
На фиг.1 представлен пример осуществления системы 10 для бурения подземной скважины, геофизических исследований скважины, оценки, разведки и/или добычи. Система 10 содержит скважинную колонну 12, расположенную в стволе скважины 14, пробуренной сквозь по меньшей мере одну формацию 16 в ходе подземной операции. В контексте настоящего описания термины "ствол скважины" и "скважина" означают одиночное отверстие, представляющее, целиком или частично, пробуренную скважину, а термин "формация" означает различные объекты и материалы, которые могут встречаться под землей вокруг скважины. Буровая вышка 18 или иная конструкция предназначена для подвешивания и/или спуска колонны 12 и различных других компонентов.
В одном варианте осуществления колонна 12 включает каротажное или измерительное устройство 20, такое как скважинный каротажный прибор. В одном варианте осуществления измерительное устройство 20 выполнено в виде акустического измерительного устройства. Измерительное устройство 20 показано на фиг.1 в виде прибора, спускаемого в скважину на тросе, но не ограничивается этим и может спускаться на любом подходящем носителе. Например, скважинная колонна 12 может быть выполнена в виде бурильной колонны, включающей одну или более трубных секций или гибкую насосно-компрессорную трубу (ГНКТ), простирающейся вниз в стволе скважины 14 и содержащей компоновку низа бурильной колонны (КНБК), в том числе буровое долото. Упомянутое измерительное устройство может быть выполнено в виде прибора, предназначенного для осуществления каротажа или измерений в процессе бурения. Термин "несущее устройство" в контексте настоящего описания означает любое устройство, компонент устройства, комбинацию устройств, среду и/или конструктивный элемент, которые можно использовать для спуска, размещения, поддержки или иного обеспечения использования других устройств, компонентов устройств, комбинаций устройств, сред и/или конструктивных элементов. В качестве неограничивающего примера несущих устройств могут быть названы скважинные колонны, состоящие из ГНКТ, трубных секций и любых их комбинаций или частей. Прочие примеры несущих устройств включают обсадные трубы, тросы/кабели, скважинные приборы на кабелях и тросах, каротажные штанги, переводники, КНБК и бурильные колонны.
В одном варианте осуществления измерительное устройство 20 включает по меньшей мере один акустический излучатель 22, предназначенный для генерирования и передачи акустических волн, и по меньшей мере один акустический приемник 24, предназначенный для регистрации акустических волн. Акустический излучатель служит для передачи акустических волн в формацию, а акустический приемник 24 служит для регистрации волн, отраженных или иным образом прошедших сквозь формацию. Хотя измерительное устройство 20 представлено в настоящем описании в качестве скважинного прибора, оно может использоваться в любом требуемом месте, в том числе и на поверхности. Акустический излучатель 22 и/или акустический приемник 24 также можно расположить на поверхности. Кроме того, использование акустического излучателя не ограничивается скважинными операциями, и его можно интегрировать в приборы или измерительные устройства любого типа, связанные с генерированием акустических волн.
В одном варианте осуществления скважинный прибор 20, акустический излучатель 22 и/или акустический приемник 24 оснащены средством передачи данных, предназначенным для осуществления связи с конечным устройством - блоком 26 обработки данных, расположенным на поверхности. Такое средство передачи может быть реализовано в любой требуемой форме с использованием различных сред и способов, обеспечивающих передачу данных. Примерами могут служить проводные, оптоволоконные, беспроводные средства и системы с запоминающими устройствами.
На фиг.2-4 представлен пример осуществления акустического излучателя 30, включающего узел пьезоэлектрического актюатора 32 и акустическую диафрагму 34, разделенные и связанные упругодинамическим образом посредством материала 36 с высокой степенью несжимаемости, например эластомера. В одном варианте осуществления акустический излучатель 30 включает корпус 38, например резонирующий корпусной конструктивный элемент, предназначенный для поддержки узла актюатора 32 и диафрагмы 34 и формирования зазора между узлом актюатора 32 и диафрагмой 34, заполненного малосжимаемым эластомером 36. Узел актюатора 32 может включать разделительный поршень 40, обеспечивающий формирование зазора между узлом актюатора 32 и диафрагмой 34. Разделительный поршень 40 создает в эластомерной среде волну давления большого диаметра, преобразующуюся в движение акустической диафрагмы 34.
9
Материал с высокой степенью несжимаемости представляет собой упругий материал, такой как полимер. В одном варианте осуществления в качестве этого материала выступает эластомер, включающий силикон или другой полимерный материал. В одном варианте осуществления материал с высокой степенью несжимаемости демонстрирует при сжатии значение сжимаемости ниже, чем у воды. В одном варианте осуществления материал с высокой степенью несжимаемости имеет значение объемного модуля упругости по меньшей мере около 2×10 Па.
В примере, показанном на фиг.2-4, узел актюатора 32 помещен внутрь корпуса 38 и закреплен любым подходящим способом. В этом примере актюатор расположен в глухом отверстии 42, предназначенном для обеспечения электрического соединения, и состыкован с адаптером 54 предварительного нагружения, фиксирующим актюатор на месте и определяющим границы полости 44 актюатора и акустической полости 46 в корпусе 38. Для обеспечения уплотнения между полостью 44 актюатора и акустической полостью 46 может быть предусмотрено уплотнительное приспособление 48, такое как уплотнительное кольцо круглого сечения. В одном варианте осуществления полость 44 актюатора заполняется - под заданным давлением и через заливочное отверстие 50, - жидкостью, например маслом. Корпус 38 может также содержать компенсирующий поршень или стопорное кольцо для регулирования давления в полости актюатора. В одном варианте осуществления акустическая полость 46 по меньшей мере частично заполнена материалом 36 с высокой степенью несжимаемости, то есть этим материалом заполнен зазор между узлом актюатора 32 и диафрагмой 34.
В примере, показанном на фиг.4, акустическая полость 44 сформирована внутри корпуса 38 и определяется корпусом 38, диафрагмой 34, адаптером 54 предварительного нагружения (устанавливаемым по мере необходимости) и разделительным поршнем 40. В одном варианте осуществления разделительный поршень 40 предназначен для реализации зазора между узлом актюатора 32 и диафрагмой 34. Разделительный поршень 40 создает в эластомерной среде волну давления большого диаметра, преобразующуюся в движение акустической диафрагмы 34.
Разделительный поршень 40 может иметь любую форму, подходящую для образования заданного зазора между узлом актюатора 32 и диафрагмой 34, и обеспечивает передачу волн давления для прохождения последних сквозь материал с высокой степенью несжимаемости. Разделительный поршень 40 может иметь частично коническую форму и содержать плоский и конический участки (фиг.2-4) либо быть выполненным в виде круглого диска, как это показано на фиг.5, где представлено изображение альтернативного варианта осуществления акустического излучателя 30. В одном варианте осуществления разделительный поршень имеет диаметр, по меньшей мере равный диаметру акустической диафрагмы 34 (в случае круглой диафрагмы) или малой оси диафрагмы 34 (в случае эллиптической диафрагмы). В одном варианте осуществления разделительный поршень 40 имеет диаметр, величина которого по меньшей мере равна размеру участка диафрагмы 34, включающей ячеистые конструктивные элементы.
В варианте осуществления, показанном на фиг.6А-6Г, акустическая диафрагма 34 представляет собой самостабилизирующуюся динамическую конструкцию с широкой частотной характеристикой. Динамическая самостабилизация параметров акустической диафрагмы 34 обеспечивает стабильно низкую деформацию ее поверхности под действием нагрузки, создаваемой волной давления в полости, заполненной эластомером. Такая стабилизация, достигаемая на поверхности акустической диафрагмы, обеспечивается данной конструкцией в широком диапазоне рабочих частот, например, значительно превышающих частоты резонансной полосы разделительного поршня актюатора.
Акустическая диафрагма 34 содержит акустическую поверхность 56, обеспечивающую взаимодействие с передающей акустические волны средой, например с водой или флюидом, содержащимся в стволе скважины 14. В одном варианте осуществления акустическая поверхность 56 является сплошной (то есть не содержит отверстий). В одном варианте осуществления диафрагма 34 включает совокупность конструктивных элементов 58, служащих для уменьшения веса и увеличения жесткости диафрагмы 34. В одном варианте осуществления конструктивные элементы 58 пересекаются, образуя геометрические фигуры (или ячейки), такие как треугольники. В одном варианте осуществления акустическая диафрагма, включая упомянутые поверхность и совокупность конструктивных элементов, изготавливается посредством механической обработки из одного цельного куска материала, такого как алюминий или титан. Диафрагма может иметь в целом круглую или эллиптическую форму, что показано на фиг.6А-6Г и фиг.7
В одном варианте осуществления в диафрагме 34 сформирована совокупность спаренных фацетов 60, обладающих тройственной симметрией. В этом варианте осуществления диафрагма 34 определяется гибридной геометрией спаренных тройственно-симметричных плоских фацетов 60, совмещаемых с треугольными ячейками и эллиптической акустической поверхностью 56 с целью получения максимально эффективного сочетания жесткости и распределения массы по каркасу диафрагмы 34 и обеспечения динамической стабилизации последней. В одном варианте осуществления диафрагма 34 содержит шесть плоских фацетов 60. Углы конусности, используемые в схеме шестигранного фацетирования, не являются симметричными и подбираются с целью настройки резонансной частоты мембранных колебаний акустической диафрагмы на заданное значение (например, приблизительно 11 кГц) при сборке и формировании полости, обеспечивающей упругодинамическую связь.
В одном варианте осуществления плоские фацеты 60 расположены симметрично вокруг центральной области 62, определяющей жесткость конструкции. Размеры центральной области 62 приблизительно соответствуют диаметру зоны, представляющей собой оптимальный узловой участок разделительного поршня узла актюатора, не претерпевающий отклонения при колебании остальной части конструкции. Центральная область 62 включает плоскую поверхность, которая должна располагаться параллельно оси движения актюатора. Величину зазора узла актюатора 32 и/или разделительного поршня 40 относительно центральной области 62 выбирают исходя из основной резонансной моды системы излучателя и суммарной амплитуды выходного акустического сигнала в рабочем частотном диапазоне. В общем случае частота основной резонансной моды и суммарная амплитуда выходного акустического сигнала уменьшаются с ростом величины зазора. На характеристики высокочастотного выхода значительное влияние оказывают, кроме фацетной конфигурации, и другие факторы, в том числе толщина стенок ячеек акустической диафрагмы, толщина обшивки и толщина отбортовки.
3
3
Узел пьезоэлектрического актюатора 32 включает пьезоэлектрический модуль 64, изготовленный из кристалла или другого материала, отличительной характеристикой которого является возникновение электрического заряда под действием механических напряжений, что именуется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Имеет место и обратное явление: такие материалы претерпевают деформацию под действием электрического поля, что именуется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Примеры таких материалов включают некоторые керамические материалы, относящиеся к группе ферроэлектриков, такие как цирконат-титанат свинца (ЦТС), который может содержать смешанные кристаллы, например PbZrО и PbTiO. Эти материалы обладают способностью преобразовывать механические величины, такие как механическое сжатие и растяжение, в электрическое напряжение и, наоборот, преобразовывать электрическое напряжение в механические силы и смещения.
В одном варианте осуществления актюатор выполнен таким образом, что линейное смещение пьезоэлектрического модуля 64 приводит к возникновению электрического заряда (Q) и, как следствие, протеканию тока (I=dQ/dt), пропорционального скорости смещения концевой пластины актюатора (v=ds/dt). Следовательно, крутизна характеристики (скорость нарастания), определяемая флуктуациями тока (dI/dt), пропорциональна ускорению (а=dv/dt) концевой пластины актюатора. Можно использовать один или более усилителей с управляемой током крутизной характеристики или внутренних контуров регулирования тока, чтобы строго ограничить флуктуации тока на входе узла актюатора 32 с целью уменьшения или исключения коротких импульсов, связанных с возникновением заряда и обусловливающих чрезвычайно высокие значения ускорения.
Пример пьезоэлектрического модуля 64 показан на фиг.8. В данном примере пьезоэлектрический модуль 64 представляет собой продолговатую керамическую деталь, претерпевающую деформацию в пределах 1,5-1,7% под действием поля с напряженностью приблизительно 2000 В/мм. Пьезоэлектрический модуль 64 может быть изготовлен из большого количества слоев керамического материала. Например, он может включать до 500 слоев керамического материала, каждый из которых имеет толщину около 0,1 мм. Эти слои уложены друг на друга и подвергнуты спеканию для обеспечения достижения максимального смещения под действием напряжения, составляющего всего 200 В. В одном варианте осуществления с узлом актюатора 32 использовано механическое устройство предварительного нагружения для защиты пьезоэлектрического модуля 64 от воздействия растягивающей нагрузки. Это устройство предварительного нагружения обеспечивает приложение силы, равной, например, по меньшей мере приблизительно половине блокирующей силы (БС), с целью стабилизации узла актюатора 32. Примерная величина сил предварительного нагружения составляет приблизительно 0,5-1,0 БС. С модулем 64 может быть также соединен механизм, регулирующий величину хода актюатора. Например, к пьезоэлектрическому модулю 64 можно подсоединить тензометрический датчик с обратной связью по напряжению. Примером подходящего актюатора может служить монолитно-слоистый керамический актюатор, имеющий размеры 14 мм×14 мм×20 мм, толщину слоев около 0,1 мм, максимальную блокирующую силу около 8000 H и силу предварительного нагружения около 5000 H. Для достижения смещения в диапазоне приблизительно от -7,5 мкм до +30,0 мкм может быть приложено напряжение приблизительно в диапазоне от -50 В до +200 В.
В процессе работы движение узла актюатора 32 создает в материале 36 с высокой степенью несжимаемости волну давления, распространяющуюся в пределах конуса и падающую на ячейки и обратную поверхность (то есть поверхность, противоположную акустической поверхности 56) самостабилизирующейся динамической диафрагмы 34. Геометрию разделительного поршня актюатора, объемную геометрию полости и свойства материала с высокой степенью несжимаемости можно спроектировать таким образом, чтобы достигалось приблизительно равномерное распределение давления, воздействующего на большую часть обратной поверхности диафрагмы. Например, амплитуда выходного акустического сигнала акустического излучателя 30 в высокочастотном диапазоне (выше 10 кГц) существенно зависит от степени вовлеченности поверхности диафрагмы в движение всего ее тела как жесткого целого при возбуждении. Равномерность распределения импульса давления по обратной поверхности диафрагмы вносит свой вклад в движение тела как жесткого целого и тем самым повышает акустическое давление. Поэтому в одном варианте осуществления поверхность разделительного поршня выполнена таким образом, что ее форма соответствует или соразмерна форме по меньшей мере части обратной поверхности (то есть поверхности, противоположной акустической поверхности диафрагмы). Форма поверхности разделительного поршня обеспечивает генерирование волн давления в материале с высокой степенью несжимаемости, равномерно распределяющихся по обратной поверхности. Разделительный поршень 40 может иметь, например, форму, показанную на фиг.2-4, включающую плоскую центральную поверхность и коническую периферийную поверхность и соразмерную или иным образом в целом соответствующую форме по меньшей мере части обратной поверхности акустической диафрагмы.
В одном варианте осуществления разделительный поршень 40 актюатора имеет участок поверхности, достаточно большой, чтобы совершать движение как относительно жесткое (недеформируемое) тело в рабочем частотном диапазоне устройства с целью получения значительного движения акустической диафрагмы. В одном варианте осуществления используется высококачественный бериллиевый сплав в сочетании со специальной конструкцией разделительного поршня, благодаря чему обеспечивается сверхмалый вес и вместе с тем чрезвычайно высокая жесткость устройства, генерирующего волны высокого давления, проходящие через полость с эластомерной средой к акустической диафрагме 34.
Самостабилизирующаяся диафрагма и упругодинамическая связь фактически образуют систему конструктивной динамики устройства, характеризуемую при работе тремя основными резонансными параметрами. Первая основная резонансная мода включает в себя собственное движение акустической диафрагмы 34, синхронное с движением узла актюатора 32. Вторая резонансная мода включает в себя мембранное изгибное колебание акустической диафрагмы 34. Третья резонансная мода включает в себя мембранное изгибное колебание разделительного поршня 40 актюатора.
В одном варианте осуществления узел актюатора 32 и акустическая диафрагма 34 предназначены для создания эффекта резонансного взаимодействия для увеличения энергии, вырабатываемой в требуемом рабочем частотном диапазоне. Например, для работы в области высоких частот, например 10-20 кГц, осуществляется ослабление второй резонансной моды акустической диафрагмы (нуль динамической характеристики), что приводит к усилению третьей резонансной моды разделительного поршня актюатора (полюс динамической характеристики) в конкретном частотном диапазоне. Для создания этого эффекта резонансного взаимодействия мембранный резонанс диафрагмы динамически настраивается на частоту приблизительно 11 кГц, а мембранный резонанс разделительного поршня актюатора настраивается на частоту приблизительно 18 кГц. Эта резонансная комбинация резко сводит к минимуму ослабленные выходные сигналы с частотами выше резонансной частоты разделительного поршня и обеспечивает получение очень широко и сравнительно равномерно распределенного выходного акустического сигнала в широком высокочастотном диапазоне. Этот диапазон усиления простирается приблизительно между резонансной полосой акустической диафрагмы и резонансной полосой разделительного поршня актюатора.
На фиг.9 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ 70 передачи акустических волн и/или оценки характеристик формации. Способ 70 включает один или более этапов 71-74. Ниже способ 70 описан применительно к акустическому излучателю 22, 30, хотя этот способ может быть реализован с любым количеством и любой конфигурацией источников акустических волн с упругодинамической связью.
На первом этапе 71 осуществляется размещение акустического излучателя 22, 30 в требуемом месте. В одном варианте осуществления это место размещения находится в стволе скважины.
На втором этапе 72 на узел пьезоэлектрического актюатора 32 подается электрический ток с целью получения колебательного движения и передачи акустических волн от акустической диафрагмы 34 в среду. В одном варианте осуществления подача электрического тока производится посредством сигнала импульсного и/или осциллирующего напряжения, например импульсного синусоидального напряжения. В качестве среды могут быть выбраны материалы любого типа, и в одном примере в их число входят материалы подземной формации.
На третьем этапе 73 акустические волны регистрируются акустическим детектором. В одном варианте осуществления акустический детектор включает акустическую диафрагму, связанную упругодинамическим образом с пьезоэлектрическим модулем как это описано выше.
На четвертом этапе 74 принятые акустические волны используются для оценки одной из характеристик среды.
Представленные в настоящем описании устройства и способы обладают рядом преимуществ по сравнению с существующим уровнем техники. Эти устройства и способы обеспечивают генерирование очень высоких величин акустической энергии в более широком рабочем диапазоне частот (например, 4-25 кГц), чем у существующих устройств. Предлагаемые в изобретении устройства и способы выражаются в конструктивной схеме, эффективно сочетающей уникальные динамические характеристики самостабилизирующейся динамической диафрагмы с высокими силовыми характеристиками монолитно-многослойного пьезоэлектрического устройства. Материал с высокой степенью несжимаемости уменьшает эффекты демпфирования и значительно увеличивает выходной акустический сигнал, в частности, при низких частотах (например, ниже 10 кГц). Описание этих и других преимуществ дано в сочетании с анализом эксплуатационных характеристик предлагаемых устройств в различных вариантах осуществления.
Анализ частотной характеристики был выполнен на основе математической модели акустического излучателя в одном из вариантов осуществления, показанном на фиг.5 (в водной среде). Как описывалось выше, акустический излучатель включает полость, заполненную эластомером с высокой степенью несжимаемости. В данном примере в качестве материала акустической полости применялся теплопроводящий силиконовый эластомер, вместе с которым использовались алюминиевая акустическая диафрагма и разделительный поршень из алюмобериллиевого сплава.
На фиг.10 представлена иллюстрация математической модели (основанной на методе конечных элементов) акустического излучателя, показанного на фиг.5. Некоторые особенности и характеристики материалов компонентов акустического излучателя приведены в таблице 1.
Таблица 1
Компонент
Характеристики материалов
Примечания
Е, МПа
р, кг/м<sup>3</sup>
ν
ξ
Диафрагма (алюминий)
71000
2770
0,32
0,05
Эллиптическая; 70 мм×85 мм
Полость с эластомером (DOW SE-4430)
0,622
2200
0,49995
0,125
K=2100 МПа
Пьезоэлектрический актюатор
159000
7650
0,33
0,05
14 мм×14 мм×20 мм
Разделительный поршень (сплав AlBeMet 162)
193000
2120
0,17
0,05
Диам. 50 мм×4 мм
Соединительный элемент актюатора (сплав AlBeMet 162)
193000
2120
0,17
0,05
В таблице 1 "Е" означает модуль Юнга, или модуль упругости, "р" - плотность, "v" - коэффициент Пуассона и "ξ"- коэффициент демпфирования. Эластомерный материал с высокой степенью несжимаемости имеет объемный модуль упругости около 2100 МПа. Диафрагма имеет форму эллипса с большой осью около 85 мм и малой осью около 70 мм, а разделительный поршень имеет толщину около 4 мм и диаметр около 50 мм. Пьезоэлектрический актюатор имеет размеры приблизительно 14 мм×14 мм×20 мм.
Было выполнено динамическое моделирование в форме прямого анализа частотных характеристик, в котором учитывалось демпфирование, обусловленное отдельными конструктивными компонентами и зависящее от материала. Это моделирование включало мультифизические аспекты, связанные с внешней жидкой средой, а также расчет выходного акустического давления на основе жидкостно-структурного взаимодействия акустической диафрагмы и водной среды.
Был проведен ряд аналитических исследований частотных характеристик источника акустического излучения описываемой конструкции с целью определения динамических характеристик при осевом движении пьезоэлектрического актюатора. Динамическая нагрузка прикладывалась к пьезоэлектрическому актюатору вдоль оси на протяжении 20 мм. Результаты этих аналитических исследований представлены на графиках, показанных на фиг.11-13. На фиг.11 показана кривая 80 зависимости чувствительности по давлению от частоты, полученная из модели. На фиг.12 и фиг.13 показаны характеристики 82 и 84 чувствительности по давлению при рабочих частотах соответственно 12 и 4 кГц. Фиг.11-13 показывают наличие умеренно демпфированного резонансного отклика в области частоты 8 кГц и несколько более сильного резонансного отклика в области частоты 14 кГц. В области высоких частот имеет место умеренно демпфированный отклик с ускорением диафрагмы как жесткого целого, что может выражаться в значительном акустическом давлении на протяжении широкого частотного диапазона.
Модель и результаты, представленные на фиг.11-13, иллюстрируют пример динамической характеристики конструкции стабилизированной диафрагмы для высокочастотной рабочей моды в области частоты около 12 кГц, сочетающейся с низкочастотным резонансным откликом, выражающемся в значительной величине генерируемой акустической энергии в широком частотном диапазоне (приблизительно 4-7 кГц). Например, фиг.12 и фиг.13 демонстрируют значительную чувствительность по давлению при частотах соответственно 12 и 4 кГц. Установлено, что основное влияние на низкочастотный отклик системы оказывают динамическая масса системы, обусловленная движением последней, и эффективная механическая жесткость полости, обеспечивающей упругодинамическую связь. С другой стороны, на высокочастотный отклик системы основное влияние оказывают динамические характеристики конструкций акустической диафрагмы и разделительного поршня актюатора.
На фиг.14-16 представлены результаты испытания, проведенного в резервуаре с водой с акустическим излучателем, включающим пьезоэлектрический источник акустических волн с упругодинамической связью. Были получены данные акустических измерений при работе пьезоэлектрического актюатора в неустановившемся режиме высокочастотных пульсаций. Пакет коротких импульсов напряжения, прикладываемого к актюатору, обычно включал пять синусоидальных импульсов со смещением наложенной постоянной составляющей для несимметричного ограничения пьезоэлектрического актюатора по напряжению. Акустические измерения проводились в пресной воде на глубине 2 метра с использованием гидроакустического приемника (гидрофона), расположенного на расстоянии 1 метра от испытываемого источника акустических волн. Данные испытаний, представленные на фиг.14-16, демонстрируют сильный выходной акустический сигнал излучателя в частотном диапазоне, простирающемся от значения, меньшего или равного приблизительно 4 кГц, до значения, существенно превышающего 30 кГц.
К акустическому излучателю был приложен сигнал 86 напряжения в неустановившемся режиме (фиг.14), имеющий частоту следования импульсов 12 кГц. Как следует из графика, величина результирующего сигнала 88 напряжения на актюаторе значительно меньше величины приложенного сигнала 86. Это обусловлено применением последовательно включенного сопротивления, что было признано необходимым для управления токами в неустановившемся режиме, которые потенциально могли бы создать избыточное ускорение, что привело бы к повреждению пьезоэлектрического актюатора. Измеренная величина 90 при частоте следования импульсов 12 кГц соответствует пиковому значению акустического давления, приблизительно равному 1,35 фунта/кв. дюйм и создаваемому акустическим излучателем при напряжении актюатора, равном 65 В (при полном размахе сигнала). Сигнал 90 означает, что при заданном рабочем напряжении на актюаторе, равном 240 В (при полном размахе сигнала), можно ожидать получения выходного акустического сигнала, пиковое значение которого равно приблизительно 4,97 фунта/кв. дюйм.
Кроме того, к акустическому излучателю был приложен сигнал 92 напряжения в неустановившемся режиме (фиг.15), имеющий частоту следования импульсов 4 кГц. Как следует из графика, величина результирующего сигнала 94 напряжения на актюаторе лишь немного меньше величины приложенного напряжения. Это обусловлено меньшей величиной тока в цепи в низкочастотном диапазоне. Измеренная величина 96 при частоте следования импульсов 4 кГц соответствует пиковому значению акустического давления, приблизительно равному 0,27 фунта/кв. дюйм и создаваемому опытным образцом акустического излучателя при напряжении актюатора, равном 131 В (при полном размахе сигнала). Сигнал 96 означает, что при заданном рабочем напряжении на актюаторе, равном 240 В (при полном размахе сигнала), можно ожидать получения выходного акустического сигнала, пиковое значение которого равно приблизительно 0,49 фунта/кв. дюйм. Общая величина подводимой энергии для неустановившегося режима акустических пульсаций составляет 0,657 джоуля.
Был также проведен ряд испытаний, связанных с исследованием акустических пульсаций в широком диапазоне частот. Данные 98 акустических измерений были получены с шагом 100 Гц в частотном диапазоне 2-20 кГц и нормализованы относительно напряжения актюатора 240 В (при полном размахе сигнала). Как показано на фиг.16, где приведено сравнение с аналитической моделью данных зависимости чувствительности по давлению от частоты акустического излучателя, данные измерений соответствуют модели и демонстрируют значительную чувствительность по давлению в широком диапазоне частот.
Для обеспечения реализации изобретения, представленного в настоящем описании, могут использоваться различные аналитические компоненты, включающие цифровую и/или аналоговую систему. Эта система может содержать такие компоненты как процессор, средства хранения информации, запоминающие устройства, устройства ввода-вывода, линию связи (проводную, беспроводную, гидроимпульсную, оптическую или иную), интерфейсы пользователя, программное обеспечение, устройства для обработки сигналов (цифровых или аналоговых) и другие подобные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.п.) для обеспечения - любыми методами, известными специалистам в данной области, - работы и анализа, проводимых применительно к устройству и способам, представленным в настоящем описании. Предполагается, что настоящее изобретение может (но не обязательно должно) быть реализовано с использованием набора выполняемых компьютером команд, хранящихся на машиночитаемых носителях, включающих запоминающие устройства (постоянную и оперативную память), оптические носители (компакт-диски), магнитные диски, жесткие диски или носители любого другого типа, использование которых обеспечивает выполнение компьютером программы в соответствии со способом, предлагаемым в настоящем изобретении. Эти команды могут обеспечивать работу оборудования, управление, сбор и анализ данных и другие функции, рассматриваемые как важные разработчиками, владельцами и пользователями системы либо другими лицами, дополнительно к функциям, представленным в настоящем описании.
Следует учесть, что различные компоненты или технологии могут оказаться в определенной степени необходимыми или целесообразными для использования ввиду их функциональных возможностей и конструктивных особенностей. В соответствии с этим данные функции и особенности считаются (по мере необходимости их отражения в приложенной формуле изобретения и ее вариантах) неотъемлемой частью изобретения и настоящего описания.
Поскольку настоящее изобретение описано применительно к примерам его осуществления, следует иметь в виду, что в рамках изобретения могут быть выполнены различные изменения, а описанные элементы могут быть заменены своими эквивалентами. Кроме того, в рамках основного объема изобретения возможно внесение изменений в конкретные устройства, ситуации или материалы. Поэтому подразумевается, что настоящее изобретение не ограничивается описанными конкретными примерами осуществления, рассматриваемыми как наилучшие варианты его реализации, а включает все варианты осуществления, охватываемые приложенной формулой изобретения.