RU2365752C2 - Integrated sonic transducing component - Google Patents
Integrated sonic transducing component Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365752C2 RU2365752C2 RU2004138759/03A RU2004138759A RU2365752C2 RU 2365752 C2 RU2365752 C2 RU 2365752C2 RU 2004138759/03 A RU2004138759/03 A RU 2004138759/03A RU 2004138759 A RU2004138759 A RU 2004138759A RU 2365752 C2 RU2365752 C2 RU 2365752C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- acoustic
- electronic module
- acoustic transducer
- converter
- transducer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
Description
Перекрестные ссылки на родственные заявкиCross references to related applications
В соответствии с § 119 раздела 35 Кодекса законов США по этому изобретению испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США регистрационный номер 60/535062, поданной 8 января 2004 г, и предварительной заявки на патент США регистрационный номер 60/534900, поданной 8 января 2004 г.Pursuant to § 119 of Section 35 of the U.S. Code of Law on this invention, the priority of provisional application for US
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к акустическим преобразователям. Более конкретно, изобретение относится к усовершенствованным акустическим источникам и датчикам, предназначенным для использования под землей.The present invention relates to acoustic transducers. More specifically, the invention relates to improved acoustic sources and sensors intended for use underground.
Предшествующий уровень техникиState of the art
В нефтегазодобывающей промышленности для определения характеристик подземных месторождений их обычно зондируют с помощью скважинных каротажных приборов. Установлено, что среди этих приборов зонды акустического каротажа обеспечивают ценную информацию относительно акустических свойств геологической среды, которая может быть использована для получения изображений или суждения относительно характеристик месторождений.In the oil and gas industry, to determine the characteristics of underground deposits, they are usually probed using downhole logging tools. It has been established that among these instruments, acoustic logging probes provide valuable information regarding the acoustic properties of the geological environment, which can be used to obtain images or to judge the characteristics of deposits.
Акустические волны представляют собой периодические колебательные возмущения, обусловленные акустической энергией, которая распространяется через среду, например через подземный пласт. Обычно акустические волны характеризуются значениями частоты, амплитуды и скорости распространения. Акустические свойства пластов, представляющие интерес, могут включать в себя скорость продольной волны, скорость поперечной волны, скважинные моды и замедленность пласта. В дополнение к этому акустические изображения могут быть использованы для описания состояния стенок скважины и других геологических особенностей на расстоянии от скважины. Эти акустические измерения находят применения в сейсмической корреляции, в петрофизике, механике пород и в других областях.Acoustic waves are periodic oscillatory disturbances caused by acoustic energy that propagates through a medium, for example, through an underground layer. Typically, acoustic waves are characterized by values of frequency, amplitude and propagation velocity. The acoustic properties of the formations of interest may include longitudinal wave velocity, shear wave velocity, borehole modes, and formation slowness. In addition, acoustic images can be used to describe the state of the walls of the well and other geological features at a distance from the well. These acoustic measurements are used in seismic correlation, in petrophysics, rock mechanics, and in other fields.
Записи акустических свойств в зависимости от глубины известны как акустические каротажные диаграммы. Информация, получаемая из акустических каротажных диаграмм, может быть полезной в целом ряде областей применения, включая корреляцию свойств скважин, определение пористости, определение механических или упругих параметров породы для выявления литологии, обнаружение зон с аномально высоким пластовым давлением и преобразование сейсмических временных трасс в глубинные трассы, основанные на измеренной скорости звука в пласте.Records of acoustic properties depending on depth are known as acoustic logs. Information obtained from acoustic logs can be useful in a wide range of applications, including correlation of well properties, determination of porosity, determination of rock mechanical or elastic parameters for lithology detection, detection of zones with abnormally high reservoir pressure and conversion of seismic time lines to deep tracks based on the measured sound velocity in the formation.
Для акустического каротажа подземных пластов осуществляют спуск акустического каротажного прибора или устройства в скважину, пересекающую пласт. Обычно прибор содержит один или несколько акустических источников (то есть излучателей), предназначенных для излучения акустической энергии в подземные пласты, и один или несколько акустических датчиков или приемников, предназначенных для приема акустической энергии. Излучатель периодически возбуждают для излучения импульсов акустической энергии в скважину и через скважину в пласт. После распространения через скважину и пласт некоторая часть акустической энергии проходит к приемникам, где ее детектируют. Различные параметры обнаруженной акустической энергии связаны с представляющими интерес характеристиками геологической среды.For acoustic logging of underground formations, an acoustic logging tool or device is lowered into a well intersecting the formation. Typically, an instrument contains one or more acoustic sources (i.e., emitters) for emitting acoustic energy into underground formations, and one or more acoustic sensors or receivers for receiving acoustic energy. The emitter is periodically excited to emit pulses of acoustic energy into the well and through the well into the formation. After propagation through the well and the formation, some of the acoustic energy passes to the receivers, where it is detected. The various parameters of the detected acoustic energy are related to the characteristics of the geological environment of interest.
На фиг.1 показан известный скважинный зонд акустического каротажа. Зонд 10 размещен в скважине 12, пересекающей подземный пласт 20. Скважина 12 обычно заполнена промывочной жидкостью («буровым раствором»), которую используют в процессе бурения скважины. Как известно из уровня техники, зонд 10 обычно выполнен в трубчатой несущей части 13, которая в случае бурильной трубы включает в себя внутренний промывочный канал 13А для бурового раствора 14, достигающий забойного турбинного двигателя, и/или буровую коронку в нижней части буровой колонны (не показана). Каротажный зонд 10 содержит один или несколько акустических излучателей 16 и большое количество акустических приемников 18, расположенных на трубе 13. Приемники 18 разнесены друг от друга вдоль продольной оси зонда 10 на заданное расстояние h. Один из приемников 18, ближайший к излучателю 16, отнесен от него по оси на расстояние a. В зонде 10 также размещают один или несколько компьютерных модулей 21, включающих в себя микропроцессоры, запоминающее устройство и программное обеспечение для обработки сигнальных данных. Как известно, компьютерный модуль/модули 21 можно размещать внутри зонда, на земной поверхности (фиг.1) или двумя способами. Акустические волны 22 распространяются в скважине. Известные скважинные зонды акустического каротажа описаны в патентах США №№ 5852587, 4543648, 5510582, 4594691, 5594706, 6082484, 6631327, 6474439, 6494288, 5796677, 5309404, 5521882, 5753812, RE 34975 и 6466513.Figure 1 shows a known borehole acoustic logging probe. The
Известные зонды акустического каротажа снабжены акустическими преобразовательными элементами, например, пьезоэлектрическими элементами. В общем случае акустический преобразователь преобразует энергию между электрической и акустической формами и выполнен с возможностью функционирования в качестве источника или датчика. Акустические преобразователи обычно устанавливают на корпусе каротажного зонда (фиг.1). Известные источники звуковых волн и датчики, используемые в скважинных зондах, описаны в патентах США №№ 6466513, 5852587, 5866303, 5796677, 5469736 и 6084826. По различным причинам, включая пространственные ограничения, эти преобразователи обычно содержат многочисленные компоненты, размещенные компактно в корпусе, устанавливаемом на зонде вместе с электроникой для предварительной обработки, и схемы, расположенные на расстоянии от преобразовательных элементов.Known acoustic logging probes are provided with acoustic transducer elements, for example, piezoelectric elements. In general, an acoustic transducer converts energy between electrical and acoustic forms and is configured to function as a source or sensor. Acoustic transducers are usually installed on the body of the logging probe (figure 1). Well-known sources of sound waves and sensors used in downhole probes are described in US Pat. Nos. 6,466,513, 5,852,587, 5,866,303, 5,796,677, 5,469,736 and 6,084,826. For various reasons, including spatial limitations, these transducers typically contain numerous components housed compactly in a housing, mounted on the probe along with electronics for pre-processing, and circuits located at a distance from the transducer elements.
Кроме того, акустические преобразовательные устройства включают в конструкции на печатных платах. В патенте США № 6501211 описан ультразвуковой преобразователь, выполненный на печатной плате и предназначенный для прикрепления к головкам болтов. Предложенные преобразователи соединяют с удаленным компьютером для идентификации болтов путем использования преобразователя. В патенте США № 4525644 описан механизм повышения усилий сочленения между контактными площадками и соединителями при использовании пьезоэлектрических устройств, расположенных после контактных площадок печатной платы. В патентном документе ЕР 1467060 A1 описаны гибкие пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для использования вместе со скважинными приборами для телеметрирования акустических сигналов через приборы. Недостатки известных акустических преобразовательных систем заключаются в плохой чувствительности и в необходимости в громоздких электронных модулях (например, в крупных каскадах предварительных усилителей), расположенных дистанционно.In addition, acoustic transducers are included in circuit board designs. US Pat. No. 6,501,211 describes an ultrasonic transducer made on a printed circuit board and designed to be attached to bolt heads. The proposed converters are connected to a remote computer to identify the bolts by using a converter. US Pat. No. 4,525,644 describes a mechanism for increasing the articulation forces between pads and connectors when using piezoelectric devices located after the pads of a printed circuit board. EP 1467060 A1 describes flexible piezoelectric transducers for use with downhole telemetry instruments for acoustic signals through instruments. The disadvantages of the known acoustic transducer systems are poor sensitivity and the need for bulky electronic modules (for example, in large cascades of pre-amplifiers) located remotely.
Краткое изложение существа изобретенияSummary of the invention
Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованных акустических преобразовательных узлов с интегрированной электроникой и средствами обработки без ухудшения характеристик и чувствительности.An object of the present invention is to provide improved acoustic transducer assemblies with integrated electronics and processing means without compromising performance and sensitivity.
Согласно одному аспекту изобретения поставленная задача решена путем создания акустического преобразовательного узла для подземного использования, содержащего каркас, акустический преобразовательный элемент, расположенный на каркасе, и электронный модуль, расположенный на каркасе и соединенный с акустическим преобразовательным элементом, причем электронный модуль выполнен с возможностью обработки сигнала преобразовательного элемента.According to one aspect of the invention, the problem is solved by creating an acoustic transducer assembly for underground use comprising a frame, an acoustic transducer element located on the frame, and an electronic module located on the frame and connected to the acoustic transducer element, the electronic module being configured to process the transducer signal item.
Согласно другому аспекту изобретения предложен акустический преобразовательный узел для подземного использования, содержащий дисковидный акустический преобразовательный элемент, имеющий первую поверхность, противоположную второй поверхности, электронный модуль, связанный со второй поверхностью преобразовательного элемента и выполненный с возможностью обработки сигнала акустического преобразовательного элемента, при этом электронный модуль имеет по меньшей мере один сигнальный вывод, подключенный к нему, акустический демпфирующий материал, расположенный вокруг электронного модуля и акустического преобразовательного элемента, при этом акустический преобразовательный элемент, электронный модуль и демпфирующий материал заключены в уплотнительный материал, так что по меньшей мере один вывод оставлен открытым.According to another aspect of the invention, there is provided an acoustic transducer assembly for underground use comprising a disk-shaped acoustic transducer having a first surface opposite to the second surface, an electronic module coupled to a second surface of the transducer and adapted to process a signal of the acoustic transducer, the electronic module having at least one signal output connected to it, acoustic damping a material located around the electronic module and the acoustic transducer element, wherein the acoustic transducer element, the electronic module and the damping material are enclosed in a sealing material such that at least one lead is left open.
Согласно еще одному аспекту изобретения предложен способ сборки акустического преобразователя, который включает в себя размещение акустического преобразовательного элемента на каркасе, размещение электронного модуля на каркасе, соединение акустического преобразовательного элемента с электронным модулем, при этом электронный модуль обеспечивает оцифровывание сигнала преобразовательного элемента и покрытие преобразовательного элемента и электронного модуля герметизирующим материалом, не содержащим жидкостей.According to yet another aspect of the invention, there is provided a method for assembling an acoustic transducer, which includes placing an acoustic transducer element on a chassis, placing an electronic module on a chassis, connecting the acoustic transducer to an electronic module, wherein the electronic module digitizes the signal of the transducer and covers the transducer and electronic module with liquid-free sealing material.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:The invention is further explained in the description of the preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
фиг.1 изображает схему размещения известного скважинного зонда акустического каротажа;figure 1 depicts a layout of a known borehole acoustic logging probe;
фиг.2 - схему акустического преобразовательного узла согласно изобретению;2 is a diagram of an acoustic transducer assembly according to the invention;
фиг.3 - общий вид герметизированного акустического преобразовательного узла согласно изобретению;figure 3 is a General view of a sealed acoustic transducer node according to the invention;
фиг.4 - схему многоэлементного преобразовательного узла согласно изобретению;4 is a diagram of a multi-element Converter node according to the invention;
фиг.5 - вид сбоку демпфированного преобразовательного узла согласно изобретению;5 is a side view of a damped transducer assembly according to the invention;
фиг.6 - вид сверху группы сегментированных преобразовательных узлов согласно изобретению;6 is a top view of a group of segmented converting nodes according to the invention;
фиг.7 - вид сбоку усиленного преобразовательного узла согласно изобретению;7 is a side view of a reinforced converting node according to the invention;
фиг.8 - схему электронного модуля преобразовательного узла и мультиплексорного модуля согласно изобретению;Fig. 8 is a diagram of an electronic module of a conversion unit and a multiplexer module according to the invention;
фиг.9 - схему размещения акустических преобразовательных узлов в скважинной трубе согласно изобретению;Fig.9 is a diagram of the placement of acoustic transducer nodes in the downhole pipe according to the invention;
фиг.10 - схему преобразовательного узла «стаканного» типа согласно изобретению;figure 10 - diagram of the Converter node "glass" type according to the invention;
фиг.11А - схему скважинной трубы, содержащей расположенные по азимутам преобразовательные узлы согласно изобретению;11A is a diagram of a borehole pipe containing azimuthally converting nodes according to the invention;
фиг.11В - схему скважинной трубы, содержащей расположенные по осевым направлениям преобразовательные узлы согласно изобретению;11B is a diagram of a borehole pipe containing axial directions of the Converter nodes according to the invention;
фиг.11С - схему скважинной трубы, содержащей преобразовательные узлы стаканного типа согласно изобретению;figs is a diagram of a downhole pipe containing the Converter nodes of the glass type according to the invention;
фиг.12А - общий вид расположенного по азимуту преобразовательного узла согласно изобретению;figa is a General view located in azimuth of the Converter node according to the invention;
фиг.12В - вид сверху азимутального преобразовательного узла согласно изобретению;12B is a plan view of an azimuthal transducer assembly according to the invention;
фиг.12С - вид сверху преобразовательного узла, расположенного по азимуту вокруг контура трубы согласно изобретению;figs is a top view of the Converter node located in azimuth around the contour of the pipe according to the invention;
фиг.13 - схему осевого преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;13 is a diagram of an axial transducer assembly located on a pipe according to the invention;
фиг.14 - вид сбоку присоединенного преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;Fig. 14 is a side view of an attached transducer assembly located on a pipe according to the invention;
фиг.15 - поперечное сечение преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;Fig. 15 is a cross-sectional view of a converter assembly located on a pipe according to the invention;
фиг.16 - общий вид помещенного в оболочку преобразовательного узла согласно изобретению;FIG. 16 is a perspective view of a sheathed transducer assembly according to the invention; FIG.
фиг.17 - общий вид трубы, выполненной с возможностью размещения преобразовательного узла согласно изобретению;Fig is a General view of a pipe made with the possibility of placing the Converter node according to the invention;
фиг.18 - поперечное сечение преобразовательного узла, расположенного на трубе согласно изобретению;Fig. 18 is a cross-sectional view of a converter assembly located on a pipe according to the invention;
фиг.19А - общий вид защитного элемента преобразовательного узла согласно изобретению;figa is a General view of the protective element of the Converter node according to the invention;
фиг.19В - общий вид другого защитного элемента преобразовательного узла согласно изобретению;figv is a General view of another protective element of the Converter node according to the invention;
фиг.20 - общий вид еще одного варианта выполнения защитного элемента преобразовательного узла согласно изобретению;FIG. 20 is a general view of yet another embodiment of a protective element of a converter assembly according to the invention; FIG.
фиг.21 - общий вид трубы, выполненной с преобразовательными элементами и защитными элементами согласно изобретению;Fig - a General view of a pipe made with converting elements and protective elements according to the invention;
фиг.22 - схему скважинного прибора, содержащего преобразовательный узел согласно изобретению.Fig is a diagram of a downhole tool containing a transducer assembly according to the invention.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Акустические преобразовательные узлы содержат электронные средства, приспособленные к воздействию тяжелых условий окружающей среды, например, в подземной скважине. По сравнению с известными конструкциями преобразовательные узлы согласно изобретению могут быть выполнены с уменьшенным числом элементов и электронных схем. Схемы предельно сокращены, и предпочтительно так, чтобы полученные данные преобразовывались в цифровую форму вблизи преобразовательного узла.Acoustic transducer nodes contain electronic means adapted to the effects of harsh environmental conditions, for example, in an underground well. Compared with the known constructions, the converter units according to the invention can be made with a reduced number of elements and electronic circuits. The circuits are extremely shortened, and it is preferable so that the obtained data is digitized in the vicinity of the converter unit.
Чтобы измерять моды акустических волн, распространяющихся в скважине, такие как монопольные, дипольные, квадрупольные и моды высшего порядка, преобразователи, используемые в качестве групп акустических приемников для измерения акустических волн в скважинах, должны быть небольшими и предпочтительно индивидуальными. Аналогичным образом эти акустические преобразовательные узлы должны работать на различных модах для отфильтровывания нежелательных мод. Например, при дипольных или квадрупольных измерениях лучшее качество измерений может быть получено при удалении монопольной моды. Варианты осуществления изобретения включают в себя активные датчики со встроенной электроникой, которая является независимой и приспособлена к воздействию подземных условий.To measure the modes of acoustic waves propagating in the well, such as monopole, dipole, quadrupole and higher order modes, the transducers used as groups of acoustic receivers for measuring acoustic waves in wells should be small and preferably individual. Similarly, these acoustic transducer nodes must operate on different modes to filter out unwanted modes. For example, in dipole or quadrupole measurements, the best measurement quality can be obtained by removing the monopole mode. Embodiments of the invention include active sensors with integrated electronics that are independent and adaptable to underground conditions.
Преобразовательный узел 30 (фиг.2) включает в себя электронный модуль 32 для предварительной обработки, содержащий аналоговые и цифровые схемы 34, интегрированные с акустическим преобразовательным элементом 36 и расположенные на каркасе 38. Соединение между электронным модулем 32 и акустическим преобразовательным элементом 36 будет описано ниже. Преобразовательный элемент 36 может состоять из пьезоэлектрических устройств, устройств из титаната свинца (ТС), из цирконата-титаната свинца (ЦТС), из пьезокомпозита типа 1-3 или из любых других известных подходящих материалов. Для повышения надежности и улучшения характеристик преобразовательные элементы 36 могут быть расположены на каркасе 38 вместе с известными преобразовательными элементами.The transducer assembly 30 (FIG. 2) includes an
Каркас 38 выполнен в виде двумерной или плоской поверхности. В некоторых вариантах осуществления изобретения каркас 38 может иметь форму полоски, также называемой гибкой схемой (раскрыта в патентах США №№ 6351127, 6690170, 6667620, 6380744). Каркас в виде гибкой схемы может быть изготовлен из любого подходящего неэлектропроводного материала или в виде диэлектрической пленки, например полиимидной пленки или полиэфирной пленки, имеющей толщину, обеспечивающую возможность сгибания или изгиба (например, для окружения трубы или для установки внутри полости в трубе). Способы изготовления полосок, предназначенных для образования гибких каркасов, раскрыты в патенте США №6208031. Кроме гибких каркасов 38 могут быть реализованы другие варианты с однослойными или многослойными печатными платами. Как известно из уровня техники, проводники на каркасе 38 могут быть образованы из узких полосок меди или других подходящих материалов, расположенных на ней. Преобразовательный узел может быть выполнен водонепроницаемым путем покрытия или уплотнения узлов модуля и преобразователя подходящим полимером или компаундом 40 (фиг.3), например слоем резины. Один или несколько выводов 42, соединенных с электронным модулем 32, оставлены открытыми для вывода сигналов и подвода электропитания.The
Кроме того, изобретение может быть реализовано в виде множества преобразовательных элементов 36, размещенных на одном каркасе 38. На фиг.4 представлена группа акустических преобразовательных узлов, разнесенных друг от друга, например, на несколько сантиметров. Группа преобразовательных узлов может содержать “n” элементов 36, установленных на каркасе 38. В качестве приемника многоэлементный преобразовательный узел 30 может быть использован для измерения любых акустических мод в скважине. Предпочтительно, чтобы в варианте с множеством элементов 36 преобразовательный узел содержал электронный мультиплексорный модуль 44 для передачи сигналов к/от преобразовательного элемента 36. Проводники 46 и схемные элементы образуют сигнальные дорожки между элементами. Для облегчения понимания проводники и схемные элементы показаны не на всех чертежах. В таком случае число акустических каналов на каждую группу преобразовательных узлов может быть увеличено, поскольку они могут быть уплотнены цифровым способом.In addition, the invention can be implemented in the form of a plurality of
Кроме того, для исключения нежелательных колебаний преобразовательные узлы 30 могут быть снабжены акустическим демпфирующим материалом. На фиг.5 показан вид сбоку варианта осуществления преобразовательного узла, содержащего демпфирующий элемент 48, расположенный с одной стороны преобразовательного элемента 36. Демпфирующий элемент 48 может быть изготовлен из материала с большой эффективной массой (например, из вольфрама) или из любого другого известного подходящего материала. Когда преобразовательный элемент 36 возбуждают как акустический источник, демпфирующий элемент 48 способствует снижению колебаний на стороне В преобразовательного элемента, при этом повышается направленность звука со стороны А. На фиг.5 демпфирующий материал 48 показан на одной стороне преобразовательного элемента 36, но могут быть реализованы другие варианты, когда демпфирующий материал расположен иным образом, например, полностью окружает преобразовательный элемент, при этом сторона А остается чистой. Узел акустического преобразовательного/демпфирующего элемента может быть расположен на поверхности каркаса 38, в полости или в вырезе каркаса, или целиком заключен в резиновую оболочку, образующую каркас (поз.40 на фиг.3).In addition, to eliminate unwanted vibrations, the
На фиг.6 показан преобразовательный узел 30 согласно другому варианту осуществления изобретения. Для образования протяженной группы преобразовательных узлов множество каркасов 38 соединены посредством выводов 42. Для получения акустической группы из “n” цифровых каналов каждый каркас 38 может содержать большое количество преобразовательных элементов 36 и электронных модулей 32. Группа может содержать один или несколько цифровых мультиплексорных модулей 44, расположенных на одном или нескольких каркасах 38, для эффективного разделения сигналов, относящихся к преобразовательным элементам/электронным модулям. Вариант осуществления, показанный на фиг.6, включает в себя соединитель 50 (также называемый «головкой ввода-вывода»), соединенный со сборкой для обеспечения одного сигнала/подачи питания. Могут быть использованы обычные известные соединители 50.FIG. 6 shows a
Конструктивное усиление преобразовательных узлов может быть достигнуто путем усиления каркаса (каркасов) 38. На фиг.7 показан вид сбоку варианта осуществления преобразовательного узла 30, содержащего подложку 52, образующий жесткую подложку для преобразовательных элементов электронных модулей. Подложка 52 выполнена из любого подходящего материала, например из металла. Подложку 52 можно прикрепить к каркасу 38 посредством клея, крепежного средства или любого известного подходящего средства. Вариант, представленный на фиг.7, содержит сборку преобразовательных элементов 36, электронных модулей 32 и мультиплексора (мультиплексоров) 44, опрессованную резиновой смесью аналогично варианту осуществления, показанному на фиг.3. Подложка 52 прикреплена к нижней стороне преобразовательного узла прямоугольной формы. При желании подложку 52 можно заключить в резиновую оболочку. Некоторые варианты осуществления могут быть снабжены множеством подложек 52, присоединенных к другим поверхностям преобразовательного узла (например, к верхней и к нижней), или при необходимости сегментированными подложками 52 для конкретного варианта осуществления (не показан). Кроме того, подложка 52 с большой эффективной массой может обеспечивать демпфирование колебаний и способствовать акустической направленности, как в варианте, описанном со ссылкой на фиг.5.Structural reinforcement of the transducer assemblies can be achieved by reinforcing the chassis (s) 38. FIG. 7 is a side view of an embodiment of the
Электронный модуль 32 (фиг.8) в преобразовательном узле включает в себя каскад 100 предварительного усилителя, каскад 102 фильтра, каскад 104 аналогоцифрового преобразователя (АЦП) и каскад 106 усилителя мощности. Модуль 32 соединен с блоком 44 мультиплексора, имеющим n входов и 1 выход, выполненным с возможностью сведения “n” сигналов в один канал для передачи через вывод 42. Переключатель 108, соединенный с преобразовательным элементом 36, переключается между положением 1 и положением 2. В положении 1 преобразовательный элемент 36 возбуждается каскадом 106 усилителя мощности и преобразовательный узел реализуется как излучатель. В случае, когда переключатель 108 находится в положении 2, на каскад 100 предварительного усилителя поступает аналоговый сигнал энергии акустической волны, обнаруживаемой с помощью элемента 36, и для реализации приемника он проходит через модуль 32. Благодаря малогабаритному исполнению и небольшой мощности электронного модуля 32, объединенного с преобразовательным элементом 36, минимизируется потребление электроэнергии и улучшается подавление шума, поскольку цифровые сигналы более свободны от шума по сравнению с аналоговыми сигналами. Кроме того, при желании оцифрованные сигнальные данные могут быть переданы на большие расстояния для дополнительной обработки, для исключения нежелательного шума.The electronic module 32 (Fig. 8) in the converter unit includes a
Преобразовательные узлы двойного назначения, т.е. источник-датчик, согласно изобретению обеспечивают возможность измерений по импульсным отраженным сигналам. Как известно из уровня техники, результат измерения двойного времени пробега импульсного эхо-сигнала, отраженного от стенки скважины 12, может быть использован для определения геометрии скважины, например ее радиуса. На фиг.9 показан вариант осуществления изобретения, работающего в режиме импульсных отраженных сигналов. Скважинная труба 13 снабжена несколькими распределенными по оси и азимуту преобразовательными узлами 30 согласно изобретению. Для проведения в скважине 12 измерений по импульсным отраженным сигналам преобразовательный элемент (элементы) 36 можно переключать между режимами, используя электронный модуль 32. Измеренные данные акустических сигналов могут быть обработаны известным образом.Converting nodes of dual purpose, i.e. source-sensor, according to the invention provide the ability to measure pulsed reflected signals. As is known from the prior art, the result of measuring the double travel time of a pulse echo signal reflected from the wall of the well 12 can be used to determine the geometry of the well, for example, its radius. Figure 9 shows an embodiment of the invention operating in a pulse echo mode. The
На фиг.10 показан акустический преобразовательный узел 30 согласно другому варианту осуществления изобретения. Сборка преобразовательного узла имеет форму «стакана» с размещенным дисковидным преобразовательным элементом 36, имеющим первую поверхность А и вторую поверхность В. Преобразовательный элемент 36 может состоять из пьезоэлектрического устройства, устройства из титаната свинца (ТС), цирконата-титаната свинца (ЦТС), пьезокомпозиционного синтетического материала типа 1-3 или из любых других известных подходящих материалов. Электронный модуль 58, содержащий каскад усилителя заряда, прилегает к поверхности В преобразовательного элемента, осуществляющего преобразование энергии акустических волн, обнаруживаемых на поверхности А преобразовательного узла, в сигналы напряжения, пропорциональные обнаруживаемому звуковому давлению.10 shows an
Для работы преобразовательного узла в режиме импульсных эхо-сигналов или в качестве цифрового приемника сигналы/электропитание передаются по одному или нескольким выводам 60, соединенным с электронным модулем 58. Демпфирующий материал 62 окружает сборку электронного модуля и преобразовательного узла, образуя стакан, при этом поверхность А преобразовательного узла остается чистой. Может быть использован любой подходящий известный демпфирующий материал. В целом узел заключен в или уплотнен подходящим материалом 64 (например, резиновой смесью) для защиты датчика от воды с образованием «шайбы» с незащищенным выводом (выводами) 60. Преобразовательный узел согласно этому варианту осуществления имеет намного меньший размер по сравнению с известными преобразовательными узлами такого типа, что обеспечивает возможность его использования на трубах любого размера. Например, преобразовательный узел 30 в виде стакана можно реализовать так, чтобы размеры составляли 2,54 см в диаметре и 1,3 см в высоту. Кроме того, для реализации в виде источника или датчика электронный модуль 58 преобразовательного узла 30 может быть выполнен с переключающим средством и схемами 59 обработки, показанными на фиг.8.For the converter unit to operate in pulsed echo signals or as a digital receiver, the signals / power are transmitted through one or
Малый размер, высокая чувствительность, направленность и низкое потребление электроэнергии, обеспечиваемые согласно изобретению, делают возможным использование преобразовательных узлов в окружающей среде в различных областях. На фиг.11(А)-11(С) показаны три скважинные трубы 13, подобные трубе на фиг.1, снабженные акустическими преобразовательными узлами 30 согласно изобретению. На фиг.11(А) показана азимутальная группа преобразовательных узлов, на фиг.11(В) показана осевая группа преобразовательных узлов. В преобразовательных узлах 30 этого типа могут использоваться каркасы 38 в виде гибких схем, индивидуальные каркасы 38 в виде печатных плат или объединенные каркасы 38, раскрытые выше. На фиг.11(С) показана матрица с использованием варианта осуществления стаканного преобразовательного узла 30 (фиг.10). В такой конфигурации малоразмерный преобразовательный узел 30 в форме стакана представляет собой точечный источник. Любая из этих групп может быть использована для многополюсных акустических измерений. Другие варианты осуществления изобретения могут быть реализованы в виде любого сочетания преобразовательных узлов указанных конфигураций. Например, труба может быть снабжена осевыми преобразовательными узлами и преобразовательными узлами в форме стакана, показаны на фиг.11(В) и 11(С). Кроме того, в дополнение к возможности выполнения многочисленных измерений в такой конфигурации на случаи отказов предусмотрены резервные источники и датчики.The small size, high sensitivity, directivity and low power consumption provided according to the invention make it possible to use converting units in the environment in various fields. 11 (A) -11 (C) shows three
На фиг.12(А) показана азимутальная полоса преобразовательных узлов для варианта осуществления, показанного на фиг.11(А). Преобразовательные узлы 30 расположены в неглубокой выемке 66, образованной в трубе. На фиг.12(В) показан вид сверху преобразовательных узлов 30 в выемке 66. Преобразовательные узлы 30 могут быть закреплены на трубе путем использования любого известного подходящего средства, например, путем герметизации их резиновой смесью, поскольку они являются водостойкими и могут быть открыты в скважину. Кроме того, для покрытия и защиты преобразовательных узлов 30 от истирания на трубу 13 может быть надет защитный элемент 68. Защитные элементы 68 могут быть выполнены из металла, пластичных компаундов (например, из PEEK™) или из любых подходящих материалов, известных из уровня техники. В патенте США №6788065 описаны различные трубы, выполненные с выемками, и конструкции защитных элементов, которые могут быть использованы для реализации вариантов осуществления изобретения. Для обеспечения возможности прохождения буровых растворов в зазор между защитным элементом (элементами) и поверхностью преобразовательного узла 30 предпочтительно, чтобы защитные элементы 68 были выполнены с полостями или вырезами (например, с отверстиями или щелями). Защитный элемент (элементы) 68 можно закрепить на трубе 13, используя известные крепежные средства или любые подходящие средства.12 (A) shows the azimuthal band of the transducer nodes for the embodiment shown in FIG. 11 (A). The
Азимутальные группы преобразовательных узлов 30 (фиг.11(А) и 12(А)) могут быть расположены по всей окружности трубы 13, в отдельных секторах (фиг.12(В)) или ступенчатым образом на азимутальных секторах вдоль продольной оси трубы (не показано). На фиг.12(С) показан вид сверху группы преобразовательных узлов 30, расположенных по окружности трубы 13. По сравнению с преобразовательными узлами известных конструкций небольшие размеры преобразовательных узлов 30 согласно изобретению позволяют размещать их в более мелких углублениях в трубах 13. Это позволяет создавать скважинные приборы с повышенной механической прочностью и с улучшенными акустическими характеристиками. Небольшие размеры преобразовательных узлов 30 позволяют размещать их на трубе с минимальным интервалом между преобразовательными элементами 36. Например, скважинный прибор, снабженный осевой группой преобразовательных узлов 30, разнесенных на расстояния в несколько сантиметров (например, на 5-16 см) (фиг.13), может быть использован для излучения/приема более плотной огибающей акустических волн на требуемой длине вдоль скважины. При таких измерениях будут получаться изображения повышенного качества и расширяться возможности анализа пласта.The azimuthal groups of the transducer assemblies 30 (Fig. 11 (A) and 12 (A)) can be located around the entire circumference of the
На фиг.13 показана осевая группа преобразовательных узлов, аналогичная варианту осуществления, показанному на фиг.11(В). Один преобразовательный узел 30 или ряд преобразовательных узлов 30 (фиг.6) может быть размещен в неглубоком канале или в выемке 70, образованной в трубе. Для защиты от истирания поверх преобразовательного узла (узлов) 30 могут быть нанесены защитные элементы 72. Защитные элементы 72 могут быть образованы из любого подходящего материала и предпочтительно, чтобы они были выполнены с одним или несколькими отверстиями 74. Отверстие/отверстия 74 можно формировать на различных участках защитных элементов 72. На фиг.13, слева направо, первый защитный элемент 72 выполнен с двумя полулунными отверстиями 74, образованными на краях защитного элемента. Средний защитный элемент 72 выполнен с отверстием 74, образованным в центре защитного элемента. А правый защитный элемент 72 выполнен с отверстиями 74, образованными на противоположных концах защитного элемента. Предусмотрена (для ясности показана не на всех чертежах) передача сигнала/электропитания к и от преобразовательных узлов путем использования любого известного подходящего средства.FIG. 13 shows an axial group of converter units, similar to the embodiment shown in FIG. 11 (B). One
На фиг.14 показан вид сбоку, где выемка 70 образована с откосом 76 на одном конце, а ряд соединенных преобразовательных узлов 30 расположен в выемке. Для покрытия преобразовательных узлов 30 может быть использован цельный защитный элемент 72 или несколько индивидуальных защитных элементов (фиг.13). Преобразовательные узлы 30 соединены друг с другом так, как описано выше, а сигналы/электропитание передаются через соединитель 50 (фиг.6). Для передачи сигнала/электропитания между преобразовательными узлами 30 и другими элементами (например, электронными схемами, телеметрическими средствами, запоминающим устройством и т.д.) через один или нескольких выводов 82 соединитель 50 соединен с каналом 80, также называемым сквозным соединением или перемычкой.On Fig shows a side view where the
На фиг.15 показано поперечное сечение преобразовательного узла, расположенного внутри трубы 13. В этом варианте акустический преобразовательный элемент 36 заключен в или запрессован в резиновую смесь 40 (фиг.3) в виде прямоугольника. Смесь 40 имеет ступенчатую или возвышающуюся центральную часть, вследствие чего образуются заплечики 84. Защитный элемент 72 прямоугольной формы покрывает преобразовательный узел. Защитный элемент 72 примыкает к смеси 40 посредством выступов 85, которые установлены поверх заплечиков 84 с образованием поверхности, расположенной заподлицо с внешней стороной трубы 13. Выемка 70 в трубе 13 служит для размещения преобразовательного узла и защитного элемента и образована с выступающими частями или губками 86, которые удерживают в ней защитный элемент 72. При желании дополнительно к резиновой смеси 40 может быть использована подложка 52 (фиг.7). Хотя на фиг.15 показан один преобразовательный элемент 36, преобразовательный узел может быть реализован в виде группы преобразовательных узлов или сегментированных преобразовательных узлов (фиг.6). На фиг.14 показано, каким образом резиновая смесь 40 и защитный элемент (элементы) 72 продвинуты со скольжением по откосу 76 в выемку 70 под губками 86. После помещения в выемку 70 защитный элемент (элементы) 72 можно прикрепить к трубе 13 крепежными средствами (например, винтами) или любым другим подходящим средством.On Fig shows a cross section of the transducer assembly located inside the
На фиг.16 показан другой вариант осуществления преобразовательного узла 30. На каркасе 38 размещены один или несколько преобразовательных элементов 36, электронных модулей 32 и необязательных мультиплексоров 44, которые герметизированы резиновой смесью 40 с образованием удлиненного, по существу, прямоугольного преобразовательного узла (фиг.3). На противоположных боковых поверхностях прямоугольного узла выполнено большое количество вытянутых выступов 41, при желании преобразовательный узел 30 может быть реализован с подложкой 52 (не показана). Для ясности иллюстрации выводы для сигнала/электропитания не показаны.FIG. 16 shows another embodiment of the
На фиг.17 представлена скважинная труба 13, выполненная с выемкой 70 для размещения преобразовательного узла 30 (фиг.16). Выемка 70 выполнена ступенчатой, с нижней канавкой 75 для опоры преобразовательного узла 30. По сторонам нижней канавки 75 образован ряд углублений 77 для сопряжения с выступами 41, вытянутыми от боковых поверхностей преобразовательного узла 30. После размещения преобразовательного узла в нижней канавке 75 выступы 41 предотвращают радиальное и осевое перемещение. Кроме того, выемка 70 выполнена с выступающими частями или губками 86, проходящими по противоположным сторонам канала. На фиг.18 показано поперечное сечение трубы, представленной на фиг.17, с преобразовательным узлом согласно варианту осуществления, показанному на фиг.16.On Fig presents a
Защитный элемент 72 (фиг.18) расположен поверх преобразовательного узла 30 внутри выемки 70. Защитный элемент 72 выполнен со свесами 85 и, как описано выше, образует поверхность, расположенную на одном уровне с внешней стороной трубы 13. Свесы 85 на защитном элементе 72 сдавливают резиновые выступы 41 на преобразовательном узле 30, закрепляя преобразовательный узел 30 в выемке 70. Давление на выступы 41 также создает силу противодействия, и защитный элемент 72 прижимается к губкам 86, что предотвращает его дребезг. На фиг.19(А) показан защитный элемент согласно варианту осуществления изобретения. На фиг.19(В) показан защитный элемент с укороченными свесами 85 согласно другому варианту осуществления. Как описано выше, защитные элементы 72 могут быть выполнены с одним или несколькими отверстиями 74.The protective element 72 (Fig. 18) is located on top of the
На фиг.17 один сегмент выемки 70 выполнен с узким каналом С по сравнению с другим сегментом с каналом шириной D. Более широкий сегмент выемки 70 выполнен с увеличенными углублениями 78, образованными по противоположным сторонам канала. В таком варианте осуществления преобразовательный узел 30 просто опускают в выемку 70, что облегчает ремонт и замену. После того как преобразовательный узел 30 размещен в выемке 70 и выполнены соответствующие соединения цепей сигнала/электропитания, защитный элемент 72 просто опускают в более широкий сегмент выемки 70 и продвигают со скольжением под губки 86 до заданного положения над преобразовательным узлом 30. В зависимости от длины преобразовательного узла 30 для покрытия преобразовательного узла по всей длине можно использовать один или несколько защитных элементов 72.On Fig one segment of the
На фиг.20 показан защитный элемент 79 согласно другому варианту осуществления изобретения. Защитный элемент 79 аналогичен защитным элементам, показанным на фиг.19(А) и фиг.19(В), за исключением того, что он образован без фланцевых свесов 85 (фиг.19(А), 19(В)) и содержит гнезда 81, вытянутые от его боковых поверхностей. Защитный элемент 79 выполнен соответствующей ширины для скользящей посадки в более широкий канальный сегмент D и, как описано выше, также может быть выполнен с одним или несколькими отверстиями 74. Защитный элемент 79 может быть выполнен из любого подходящего материала. При желании защитные элементы 72, 79 могут быть сконструированы с гладкими (то есть с плоскими) или с закругленными поверхностями и они могут быть образованы из подходящих материалов, известных из уровня техники (например, из металлов, пластиков, синтетических компаундов, композитов).20 shows a
На фиг.21 показана труба 13, снабженная парой осевых преобразовательных узлов 30 согласно вариантам осуществления изобретения (фиг.11(В)). Как описано выше, для покрытия преобразовательного узла/узлов 30 в выемку 70 вставлено большое количество индивидуальных защитных элементов 72. Каждый ряд защитных элементов 72 удерживается от выскальзывания из выемки 70 защитным элементом 79 (фиг.20). Защитные элементы 79 закрепляют на трубе 13 посредством крепежного средства (например, винта, заклепки), вводимого через гнезда 81 в соответствующие отверстия 87 (фиг.17), образованные в трубе.FIG. 21 shows a
В отличие от известных акустических преобразовательных узлов (например, преобразовательных узлов с компенсацией влияния нефти) установка и удержание на трубе компактных и интегральных схем преобразовательных узлов 30 обеспечивается путем использования различных известных средств. Например, при использовании в спускаемых на кабеле скважинных приборах или в других применениях, когда истирание не является критическим фактором, преобразовательные узлы 30 могут быть просто размещены на подходящем компаунде в углублении прибора.In contrast to the known acoustic transducer units (for example, transducer units with oil compensation), the installation and holding on the pipe of compact and integrated circuits of the
Процесс сборки акустического преобразовательного узла включают размещение акустического преобразовательного элемента на каркасе, описанном в настоящей заявке. Затем на каркасе размещают модуль электроники, выполненный с возможностью оцифровывания сигнала преобразовательного элемента, и соединяют с акустическим преобразовательным элементом. После этого преобразовательный элемент и электронный модуль покрывают уплотнительным материалом для получения водонепроницаемого узла.The assembly process of the acoustic transducer assembly includes placing the acoustic transducer element on the chassis described in this application. Then, an electronics module is arranged on the frame, configured to digitize the signal of the transducer element, and connected to an acoustic transducer element. After that, the converter element and the electronic module are coated with a sealing material to obtain a waterproof assembly.
На фиг.22 показан еще один вариант осуществления изобретения, который включает преобразовательные узлы 30 стаканного типа (фиг.10), установленные в скважинном приборе 90, расположенном в скважине 12, которая проходит через подземный пласт. Преобразовательные узлы 30 размещены так, что преобразовательные элементы 36 открыты в скважину. Прибор 90 также включает в себя многоосевую электромагнитную антенну 91 для подземных измерений и электронику 92, 93 с соответствующими схемами. Прибор 90 подвешен в скважине 30 на каротажном кабеле 95 в случае спускаемой на кабеле системы или на бурильной колонне 95 в случае системы бурения с каротажем. В случае использования каротажного кабеля прибор 90 поднимают и спускают в скважину 30 с помощью лебедки 97, которая управляется наземным оборудованием 98. Каротажный кабель или бурильная колонна 95 включает в себя кондукторы 99, которые соединяют скважинную электронику 92, 93 с наземным оборудованием для передачи сигнала и управления. В качестве альтернативы, как известно из уровня техники, эти сигналы могут обрабатываться или записываться в приборе 90, а обработанные данные передаваться к наземному оборудованию 98. Преобразовательные узлы могут быть установлены в известных скважинных приборах путем использования различных, хорошо известных способов. Электрические выводы от преобразовательных узлов могут быть протянуты так, как это требуется, поскольку электронные модули/мультиплексоры могут работать на длинных кабелях. Для реализации указанных вариантов осуществления преобразовательных узлов могут быть использованы известные электронные узлы, соединительные элементы (например, волоконно-оптические) вместе с измерительной и связывающей аппаратурой.On Fig shows another variant embodiment of the invention, which includes the
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение применимо к и может быть реализовано в любой области, в которой используются акустические преобразовательные узлы, оно не ограничено применениями под землей. Также должно быть понятно, что работа преобразовательных узлов не ограничена какой-либо конкретной частотой или частотным диапазоном.Specialists in the art should understand that the present invention is applicable to and can be implemented in any field in which acoustic transducer assemblies are used, it is not limited to underground applications. It should also be understood that the operation of the converter nodes is not limited to any particular frequency or frequency range.
Claims (25)
Приоритет по пунктам:24. The Converter according to 14, characterized in that at least one output of the electronic module is left open.
Priority on points:
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US53506204P | 2004-01-08 | 2004-01-08 | |
US53490004P | 2004-01-08 | 2004-01-08 | |
US60/534,900 | 2004-01-08 | ||
US60/535,062 | 2004-01-08 | ||
US10/904,806 | 2004-11-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004138759A RU2004138759A (en) | 2006-06-20 |
RU2365752C2 true RU2365752C2 (en) | 2009-08-27 |
Family
ID=36713669
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004138759/03A RU2365752C2 (en) | 2004-01-08 | 2004-12-29 | Integrated sonic transducing component |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2365752C2 (en) |
-
2004
- 2004-12-29 RU RU2004138759/03A patent/RU2365752C2/en active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004138759A (en) | 2006-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2362874C2 (en) | Well installation and method of deployment of sonic converter in well | |
US7364007B2 (en) | Integrated acoustic transducer assembly | |
CA2491558C (en) | Acoustic transducers for tubulars | |
JP2005223925A5 (en) | ||
CA2545921C (en) | Enclosures for containing transducers and electronics on a downhole tool | |
JP2005210738A5 (en) | ||
US20090183941A1 (en) | Enclosures for containing transducers and electronics on a downhole tool | |
US9476293B2 (en) | Transducer assembly for a downhole tools | |
US10472951B2 (en) | Downhole acoustic transducer, downhole probe and tool comprising such a transducer | |
US9555444B2 (en) | Acoustic transducer with impedance matching layer | |
US8416098B2 (en) | Acoustic communication apparatus for use with downhole tools | |
US20070206440A1 (en) | Flexible Piezoelectric for Downhole Sensing, Actuation and Health Monitoring | |
EP3458880A1 (en) | Encapsulated phased array segment for downhole applications | |
NO20200054A1 (en) | Formation acoustic property measurement with beam-angled transducer array | |
EP3519674B1 (en) | Solid-state hydrophone with shielding | |
GB2430259A (en) | Acoustic transducer with integrated electronics module | |
US9557435B2 (en) | Acoustic isolators | |
RU2365752C2 (en) | Integrated sonic transducing component | |
MXPA06005131A (en) | Enclosures for containing transducers and electronics on a downhole tool |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK4A | Correction to the publication in the bulletin (patent) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 24-2009 FOR TAG: (30) |