CN113678026A - 电声换能器 - Google Patents

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Abstract

适于在压力下与流体接触的电声换能器(10)，其包括：沿纵向方向X在长度上延伸的管状主体(20)，管状主体(20)包括在纵向上彼此相对的第一端部部分(21)和第二端部部分(22)，管状主体(20)在内部具有第一腔室(23)和第二腔室(24)，第一腔室终止于第一端部部分(21)，第二腔室在一侧与第一腔室(23)相邻且流体连通而在另一侧终止于第二端部部分(22)，第一端部部分(21)借助施加到管状主体(20)的膜片(26)对外部封闭，第二端部部分(22)具有一个或更多个开口(27)，该一个或更多个开口使第二端部部分与管状主体(20)的外部流体连通，第一腔室(23)在其壁中包含在纵向方向X上彼此连续地布置的多个电绕组(25)，第二腔室(24)填充有液体；容纳在第一腔室(23)中的可移动元件(30)，可移动元件(30)包括多个永磁体(31)，这些永磁体一个在另一个之上地封装和布置、在纵向方向X上交替磁化并且通过铁磁材料的盘彼此隔开，可移动元件(31)在纵向端部处由弹簧(40)支撑，可移动元件(30)也连接到膜片(26)；定位在第二端部部分(22)中并可在第二端部部分中滑动的可移动活塞(45)。

Description

电声换能器
技术领域
本发明涉及一种电声换能器、具体地但不排他地可用于石油领域。
背景技术
石油井的钻探越来越需要控制操作，以将成本、时间和风险最小化。这已经转化为存在于钻探设备(钻杆和钻头)、即所谓的井下钻具组合的头部上的仪器数量的增加，以便除了用于监测钻探参数的典型仪器(随钻测量-MWD)之外，还容纳用于地层评估的仪器，过去该操作在钻探停止时使用专用的仪器通过缆绳(工具线路)下入到井内执行。
为了监测钻探进度和井在生产中的状态，石油工业中很早就知道使用基于对声波反射产生的信号的解释的地球物理分析技术和通过钻探泥浆将测量数据传递到地面的技术。对于地球物理分析，用于发射地震波的众多技术解决方案包括液压致动器，该液压致动器将活塞移动通过由伺服阀控制的液压管线。US4702343提供了根据现有技术的换能器装置的示例，该专利描述了一种用于为地质调查产生地震波的装置。
对于遥测应用，声波的发射提供了音圈型致动器。这种装置通常能够由通过伺服阀调节钻探泥浆流来产生压力波。
US20160146001A1描述了一种所谓的音圈装置，用于操作确定阀的打开和关闭的可移动元件。
US20170167252A1示出了一种用于泥浆脉冲器类型的遥测装置的致动器，其包括电磁伺服阀。
对于两种应用，这些装置的特征在于尺寸相对较大，并且它们操作的频率带受到当前伺服阀的响应时间的限制。此外，这些装置通常具有相当高的能量消耗，这需要连接到电能供应系统，这增加了在高深度的安装复杂性；最后，上述装置不是被设计成在井底工作区域的典型的高压下操作。
US5247490A描述了一种声光传感器，该声光传感器被压力补偿以在高压环境下(比如海底)操作。
在任何情况下，仪器和渗透率的增加都导致为了监控钻探进度而对在单位时间内传输(从井底到地面的单向传递)或交换(井底和地面之间的双向传递)的数据量的需求增加。
目前已知各种用于从井底和向井底、更具体地说用于从井底设备和向井底设备(下文称为“井下工具”)的双向传递的系统。目前的系统主要基于声或弹性信号或者电或电磁信号的传递。
就声信号的传递而言，“泥浆脉冲器”技术是众所周知的，该技术基于在所有钻探操作期间压力脉冲通过存在于井中的钻探流体的传递。
利用弹性波在构成钻探设备的钻杆的金属中的传播也是已知的。
就电磁信号的传递而言，一种所谓的“有线管道”技术是已知的，其中信号通过插入钻杆中的电导体传递。
无线遥测技术也是已知的，其中通过使用中继器沿着钻探设备将信号传送到地面/从地面传送或者传送通过钻探中涉及的土壤，将电磁信号传递通过钻探流体。
这些技术都有一些缺点。
事实上，“泥浆脉冲器”技术具有频率、因此传递速度和可靠性限制，因为在正确接收信号之前，可能需要多次传递相同的信号。这项技术的传递能力取决于钻探流体的特性和该流体的流动速率。
“有线管道”技术涉及非常高的成本，因为有线钻杆非常昂贵；此外，像在“泥浆脉冲器”技术中一样，每当需要向钻探柱添加钻杆时，有线连接就会中断，因而在这些操作期间阻碍向井底和来自的通信。
基于弹性波在钻柱的金属中传递的技术涉及传递中的由于凿子的操作噪音或井偏离竖直度造成的潜在误差。
由于用于覆盖千米量级的传递距离的低频率，基于穿过土壤的电磁传递的技术涉及非常低的传递速度(相当于“泥浆脉冲器”技术的传递速度)以及由于穿过具有不同电磁传播特性的若干地层造成的可靠性问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种电声换能器，其具有减小的尺寸并且能够在比现有技术更宽的频率范围内操作。
本发明的另一目的是：提供一种在用于提取地层流体的井中的双向数据传递系统，该系统简单、可靠且便宜。
根据本发明的这个和另一目的通过实现如权利要求1所述的电声换能器和如权利要求7所示的双向数据传递系统来实现。
电声换能器和双向数据传递系统的另外的特征是从属权利要求的主题。
附图说明
根据本发明的电声换能器和双向数据传递系统的特征和优点将从下面的参考示意性附图的描述中变得更加明显，下面的描述将被理解为示例性的而非限制性的，其中：
-图1a是根据本发明的电声换能器的剖视图；
-图1b是图1a的换能器的细节视图；
-图2是存在于图1的电声换能器中的电绕组的示意性透视图；
-图3是用于提取碳氢化合物的钻探钻机的示意图，该钻探钻机包括根据本发明的双向数据传递系统；
-图4a是图3所示钻机的钻杆的第一实施例的示意性俯视图，该钻杆是双向数据传递系统的一部分；
-图4b是沿着图4a所示钻杆的线IV-IV的示意性剖视图；
-图5a是图3所示钻机的钻杆的第二实施例的示意性俯视图，该钻杆是双向数据传递系统的一部分；
-图5b是沿着图5a所示钻杆的V-V线的示意性剖视图。
具体实施方式
参考附图，示出了电声换能器，其整体用数字10表示。该电声换能器10尤其旨在与经加压的流体接触，通过该将加压的流体接收或发送声信号。此外，电声换能器10被设计成作为在450-5000Hz频率范围内、优选500-3000Hz频率范围内的声波的发送器或接收器操作。
电声换能器10是轴对称的并且包括主管状主体20，该主管状主体优选为柱形并且优选为沿纵向方向X在长度上延伸的铁磁材料；该主管状主体20包括纵向上彼此相对的第一端部部分21和第二端部部分22。
此外，主管状主体20在内部具有第一腔室23和第二腔室24，所述第一腔室终止于第一端部部分21，所述第二腔室在一侧邻近第一腔室23并与第一腔室流体连通而在另一侧终止于第二端部部分22。
由腔室23、24在内部限定的隔室可以具有任何优选的柱形形状。
第一端部部分21借助施加到主管状主体20上的膜片26对外部封闭。
所述膜片26优选由谐波钢制成。
第二端部部分22具有一个或更多个开口27，该一个或更多个开口使第二端部部分与主管状主体20的外部流体连通。
第一腔室23在其壁中包含在纵向方向X上彼此连续地布置的多个电绕组25。
电绕组25优选由金属环制成、优选由被绝缘层(例如绝缘膜)隔开的铜制成。电绕组25的这种实施例对于使用电声换能器作为声信号发送器特别有利。
电声换能器10还包括容纳在第一腔室23中的可移动元件30；该可移动元件30有利地包括多个永磁体31、优选但不一定是柱形的，所述多个永磁体一个在另一个之上封装。具体而言，永磁体31被布置成在纵向方向X上交替磁化、彼此堆叠并被铁磁材料的盘32彼此隔开、而且由销33保持在一起，该销穿过这些永磁体并且例如如图1所示在中心上。
永磁体31优选由钐钴制成。
可移动元件31在纵向端部处由弹簧40支撑、优选由如图1所示的成对的预加载的盘式弹簧40支撑。这些弹簧40中的每一个在一侧被约束到可移动元件31，在另一侧被约束到第一腔室23的内部壁。
可移动元件30也有利地连接到膜片26、优选借助延伸元件27，该延伸元件在一侧联接到可移动元件30的一端部，而在另一侧联接到膜片26。
电声换能器10进一步包括定位在第二端部部分22中的可移动活塞45。
第二端部部分22优选联接到衬套28，该衬套朝向第二腔室24的内部延伸其长度的一段，以这种方式限制内通道。在这种情况下，可移动活塞45定位在狭窄的内通道中。
第二腔室24填充有液体、优选油。
当电绕组25被用信号供电以传递时，由电绕组25产生的可变磁场和可移动元件30的永磁体31之间的相互作用引起可移动元件30的振荡平移，该振荡平移作用在膜片26上，引起该膜片振动，因而引起电声换能器10周围的与膜片26本身接触的流体中的声波。可移动元件31的位移导致第二腔室24内的压力变化。这些压力变化通过可移动活塞45的移动来补偿，该可移动活塞根据电声换能器外部的环境和第二腔室24之间可能暂时出现的压力差而自由移动。可移动活塞45实际上减少或增加了容纳有油的第二腔室24的容积，从而获得静压力补偿。
由活塞实现的这种压力补偿有利地允许在高达约700巴的高压力的关键环境中使用电声换能器10。
可移动活塞45和第二腔室24的尺寸确定为，当在上面指定的整个频率范围、即450-5000Hz、优选500-3000Hz中发送和接收声音信号时允许压力补偿。
特别地，第二腔室24的尺寸确定为，使得由可移动元件30、包含在第二腔室24内的液体和可移动活塞45组成的系统具有整体的动态特性，比如保证内部和外部压力的平衡、在整个450-5000Hz频率范围之外抵抗可移动元件30的峰与峰间的几十微米的位移以保持两个压力值之间的差接近于零。
这种特性由传递函数确定，该传递函数在可移动元件30的位移和电声换能器10的内部与外部之间的压力差之间确定。该传递函数取决于第二腔室24的容积、该第二腔室的截面、可移动活塞45的质量和直径以及填充第二腔室24的液体的弹性模量、通常称为体模量。
第二腔室24的长度根据电声换能器10的内部截面(即第一腔室23的内部截面)、根据可移动活塞45的质量、直径和填充第二腔室24的液体的体模量来确定。由于后一个参数由于所用液体的类型、压力和温度而变化，因此必须进一步考虑最关键的预期条件来确定尺寸。根据由以下等式描述的系统的动态模型进行尺寸确定：
Figure BDA0003273127290000061
Figure BDA0003273127290000062
V1＝V10+Amx+A1y1
Figure BDA0003273127290000063
Figure BDA0003273127290000064
其中F是换能器产生的力，x是可移动元件30的位移，y1是可移动活塞45的位移，P1是第二腔室24的压力，Pest是外部压力，Ap是可移动元件30的横截面面积，A1是可移动活塞45的横截面面积，Am是膜片26的横截面面积，V1-V10是由于配件和可移动活塞的位移引起的第二腔室24的体积变化，βol是油的压缩模量，βm、β1和βp分别是模片26、可移动活塞45和可移动元件30的阻尼系数，mp和m1分别是可移动元件30和可移动活塞45的质量，km、kp和k1分别是膜片26、可移动元件30和可移动活塞45的刚度。
举例来说，为了在200℃的温度和700巴的压力下作业，已经确定了以下配置：
·膜片26的直径＝9.6mm；
·第二腔室24的直径＝8mm；
·第二腔室24的长度＝25.5mm；
·可移动活塞45的截面＝6mm；
·可移动活塞45的质量＝0.9g；
·油弹性模量1<β<2.5GPa。
此外，再次举例来说，为了使电声换能器10在500-3000Hz的频带中的传递功率和灵敏度最大化，所述成对的盘式弹簧的等效刚度必须为：
·旨在作为发送器使用的电声换能器为3.5kN/mm；
·旨在作为接收器使用的电声换能器为0.4kN/mm。
旨在作为发送器使用的电声换能器10被设计成例如在上述频带中以稳定状态操作、保证大约有效的20mW的声功率。
旨在作为接收器使用的电声换能器10优选设计成保证20Vs/m的换能灵敏度。
下面将描述根据本发明的双向数据传递系统100。
这种双向数据传递系统特别适用于提取地层流体的井、例如油井。
此外，双向数据传递系统可以用于钻探阶段和生产阶段；因此，双向数据传递系统可以与钻探钻机100和完井钻机相关联。
为了简化讨论，下面将参考双向数据传递系统在钻探钻机100上的应用，例如图3所示的钻探钻机。所述钻探钻机100包括钻探柱110，该钻探柱进而包括多个彼此连续地连接的钻杆111，以形成钻杆的钻柱和挖掘工具，该挖掘工具连接到钻杆的柱的端部钻杆之一的自由末端。
钻杆111具有内部贯穿导管112，以允许朝向井下的钻探流体通过。众所周知，这种钻探流体通过钻杆的柱和钻孔壁之间的空隙、即通过所谓的“环”向上流动。
在钻孔壁被壳体覆盖的情况下，所述环对应于在钻杆的柱和覆盖钻孔壁的壳体的壁之间的空隙。
在完井组件的情况下，其包括完井管，该完井管由适于朝向地面输送地层流体、例如油的管道形成。
在任何情况下，双向数据传递系统包括多个通信模块120，这些通信模块沿着钻探柱或完井柱布置并被配置为向井下发送信息或命令信号并且/或者从井下接收信息或命令信号。
在下文的讨论中，对钻杆111的考虑可以类似地应用于完井管。
这些通信模块120中的每一个都包括：
-至少一个电声换能器10；
-处理和控制单元50，其例如包括微处理器，其与至少一个电声换能器10相关联并被配置为处理将由该至少一个电声换能器10发送和/或接收的信号；
-电连接到至少一个电声换能器10以及处理和控制单元50的电能供应源60、70。
因此，通信模块120可以包括被配置为发送器的单个电声换能器10、或者被配置为接收器的单个电声换能器10、或者被配置为收发器的单个电声换能器10，或者一对电声换能器：一个被配置为发送器而另一个被配置为接收器。
在任何情况下，每个通信模块120的至少一个电声换能器10从内部或外部连接到钻杆的或完井管的壁，但在任何情况下都与钻探流体接触。
处理和控制单元50包含在应用于钻杆或完井管的主体中、或者包含在钻杆或管中获得的隔室中。
电能供应源60、70可以包括一个或更多个电池60，该一个或更多个电池包含在应用于钻杆或完井管的主体中、或者包含在钻杆或管中获得的隔室中。对于电池60而言可选地或附加地，电能供应源60、70可以包括至少一个发电装置70，该发电装置被配置成从钻探流体流中产生电能。例如，该发电装置70可以是例如位于钻探流体的通道上的涡轮机，其被配置为从钻探流体流中收集能量并产生电能，以便为电声换能器进行供给和/或以便通过以下方式给电池60充电，即，使得即使在钻探流体流暂时中断的情况下也保证电声换能器10的操作。
在图4a和图5a所示的实施例中，设置有通信模块110的钻杆具有用于钻探流体的导管的变窄部。
在图4a的实施例中，钻杆的壁在该变窄部处具有面向导管的通路，发电装置70、特别是一些涡轮机定位在该通路中。
在图5a的实施例中，发电装置70、特别是涡轮机定位在中央导管中。
借助于电声换能器10进行的信号发送和接收允许在上述频率下覆盖相当大的距离。
在特定实施例中，双向数据传递系统包括两个通信模块120，每个通信模块包括被配置为发送器和接收器的相应的一对电声换能器。
在这种情况下，一个通信模块120被布置在所谓的井下组件处，而另一个通信模块120被放置在钻杆的或所谓的顶驱的运动单元附近。
从以上描述中，本发明的电声换能器和双向数据传递系统的特征及其优点是清楚的。
最后明显的是：在不脱离本发明的范围的情况下，如此构思的电声换能器和双向数据传递系统易于进行多种修改和变化；此外，所有细节都可以用技术上等同的要素来代替。实际上，根据技术要求，所使用的材料及其尺寸可以是任何类型。

Claims (9)

1.一种电声换能器(10)，其适于在压力下与流体接触，该电声换能器包括：
-沿纵向方向X在长度上延伸的管状主体(20)，所述管状主体(20)包括在纵向上彼此相对的第一端部部分(21)和第二端部部分(22)，所述管状主体(20)在内部具有第一腔室(23)和第二腔室(24)，所述第一腔室终止于所述第一端部部分(21)，所述第二腔室在一侧与所述第一腔室(23)相邻且流体连通而在另一侧终止于所述第二端部部分(22)，所述第一端部部分(21)借助施加到所述管状主体(20)的膜片(26)对外部封闭，所述第二端部部分(22)具有一个或更多个开口(27)，该一个或更多个开口使第二端部部分与所述管状主体(20)的外部流体连通，所述第一腔室(23)在其壁中包含在纵向方向X上彼此连续布置的多个电绕组(25)，所述第二腔室(24)填充有液体；
-容纳在所述第一腔室(23)中的可移动元件(30)，所述可移动元件(30)包括多个永磁体(31)，所述多个永磁体一个在另一个之上地封装和布置、在纵向方向X上交替磁化、并且通过铁磁材料的盘彼此隔开，所述可移动元件(31)在纵向端部处由弹簧(40)支撑，所述可移动元件(30)也连接到所述膜片(26)；
-可移动活塞(45)，其定位在第二端部部分(22)中并且能在该第二端部部分中滑动。
2.根据权利要求1所述的电声换能器(10)，其中，所述电绕组(25)由被绝缘层隔开的金属环制成。
3.根据权利要求1或2所述的电声换能器(10)，其中，所述可移动元件(30)借助延伸元件(27)连接到所述膜片(26)，所述延伸元件在一侧联接到所述可移动元件(30)的端部而在另一侧联接到所述膜片(26)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电声换能器(10)，其中，所述弹簧(40)是成对的预加载的盘式弹簧(40)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电声换能器(10)，其中，所述第二端部部分(22)联接到衬套(28)上，该衬套朝向所述第二腔室(24)的内部延伸其长度的一段，由此限制内通道，所述可移动活塞(45)定位在狭窄的内通道中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电声换能器(10)，其中，所述可移动活塞(45)和所述第二腔室(24)的尺寸确定为，当在450-5000Hz频率范围内、优选在500-3000Hz频率范围内发送或接收声信号时允许压力补偿。
7.一种双向数据传递系统，其适于安装在用于提取地层流体的井的钻探柱或完井组件中，所述双向数据传递系统包括：
沿着钻探柱或完井柱布置的多个通信模块(120)，这些通信模块被配置为向井底发送信息或控制信号并且/或者从井底接收信息或控制信号，每个所述通信模块(120)包括：
-至少一个根据前述权利要求中的一项或更多项所述的电声换能器(10)，所述至少一个电声换能器(10)从内部或外部连接到钻杆(111)的或完井管的壁、但仍与钻探流体接触；
-与所述至少一个电声换能器(10)相关联的处理和控制单元(50)，其被配置为处理需由所述至少一个电声换能器(10)发送和/或接收的信号；
-电连接到所述至少一个电声换能器(10)和所述处理和控制单元(50)的电能供应源(60，70)。
8.根据权利要求7所述的双向数据传递系统，其中，所述电能供应源(60，70)包括一个或更多个电池(60)。
9.根据权利要求7或8所述的双向数据传递系统，所述电能供应源(60，70)包括至少一个发电装置(70)，所述发电装置被配置成由钻探流体流产生电能。
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