Многоэлементная приемная антенна прибора акустического каротажа

Многоэлементная приемная антенна прибора акустического каротажа

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

1. Многоэлементная приемная антенна прибора акустического каротажа, содержащая металлическую несущую трубу, 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, отличающаяся тем, что 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, 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.

2. Многоэлементная приемная антенна прибора акустического каротажа по п. 1, отличающаяся тем, что внутреннее отверстие металлической несущей трубы выполнено в виде сквозного канала для промывочной жидкости.

3. Многоэлементная приемная антенна прибора акустического каротажа по п. 1, отличающаяся тем, что на поверхности металлической несущей трубы реализованы продольные пазы для размещения транзитных проводов.

4. Многоэлементная приемная антенна прибора акустического каротажа по п. 1, отличающаяся тем, что 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.

5. Многоэлементная приемная антенна прибора акустического каротажа по п. 1, отличающаяся тем, что наружные пластиковые гильзы выполнены четвертьволновой длины для основной частоты монопольного излучения.