RU2276725C2

RU2276725C2 - Electromechanical converter for acoustic communication channel

Info

Publication number: RU2276725C2
Application number: RU2004124861/03A
Authority: RU
Inventors: ков Николай Викторович Бел (RU); Николай Викторович Беляков; Валерий Прокофьевич Коданев (RU); Валерий Прокофьевич Коданев; Иван Иванович Сизов (RU); Иван Иванович Сизов
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2004-08-13
Publication date: 2006-05-20

Abstract

FIELD: well drilling, particularly devices to convey borehole information via acoustic communication channel during well drilling.

SUBSTANCE: electromechanical converter comprises a set of piezoelectric discs with central round orifices. The set is located between front and rear steel cylindrical covering plates and is tightened with pin passing through above orifices. The pin is created of material having product of density by modulus of elasticity of not more than that of covering plate material, namely steel. Protective container is secured to outer surface of front cylindrical covering plate. The container has connection unit for measuring block attachment. The front cylindrical covering plate is fixedly secured to inner partition of sub. The inner partition is transversal to sub axis and has through orifices. The sub has conical locking threads created on both sub ends adapted to arrange thereof in any drilling string section. Rear steel cylindrical covering plate includes permanent and replaceable trimming sections.

EFFECT: increased operational reliability.

3 dwg

Description

Предложение относится к области промысловой геофизики и предназначено для передачи на поверхность с забоя скважины геофизической и инклинометрической информации, измеряемой в процессе бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных участков скважины.The proposal relates to the field of field geophysics and is intended to transmit geophysical and inclinometric information to the surface from the bottom of the well, measured during the drilling of vertical, inclined and horizontal sections of the well.

Известны несколько видов беспроводных каналов связи от забоя к устью скважины: гидравлический, электромагнитный и акустический.Several types of wireless communication channels from the bottom to the wellhead are known: hydraulic, electromagnetic and acoustic.

Акустический канал связи по колонне бурильных труб в настоящее время представляется одним из наиболее перспективных для существенного улучшения информационных и эксплуатационно-технологических характеристик забойных телеметрических систем [1].The acoustic communication channel through the drill string is currently one of the most promising for a significant improvement in information and operational and technological characteristics of downhole telemetry systems [1].

Важнейшим техническим узлом аппаратуры акустического канала связи по колонне бурильных труб, в значительной мере определяющим технические характеристики канала, является электромеханический преобразователь, служащий для возбуждения в колонне акустических колебаний, несущих информацию.The most important technical unit of the equipment of the acoustic communication channel along the drill pipe string, which largely determines the technical characteristics of the channel, is an electromechanical transducer, which serves to excite acoustic vibrations carrying information in the string.

Известна конструкция электромеханического преобразователя [2], выполненного в виде отрезка толстостенной бурильной трубы. Такие трубы обычно называются утяжеленными бурильными трубами (УБТ). По концам этого отрезка УБТ предусмотрены стандартные резьбы под замковые соединения бурильных труб. Такой преобразователь предпочтительнее включать в состав секции УБТ бурильной колонны. Преобразование электрических сигналов передатчика забойной телеметрической системы в акустические колебания колонны осуществляется с помощью пакета плоских пьезокерамических элементов в форме круглых шайб (в последующем тексте - пьезокерамических колец), коаксиально нанизанных на отрезок УБТ на участке со сточенным наружным диаметром. Таким образом, внутренний диаметр пьезокерамических колец больше внутреннего диаметра трубы на двойную толщину оставшейся стенки трубы. Наружный диаметр пьезокерамических колец меньше внешнего диаметра трубы на двойную толщину необходимого защитного кожуха, покрывающего весь пакет пьезокерамических колец и, возможно, электронный узел передатчика сигналов акустической линии связи. Электронный узел должен быть размещен так же, как и пакет пьезокерамических колец, в пределах возможных объемов внутри стенки УБТ.The known design of the electromechanical transducer [2], made in the form of a segment of a thick-walled drill pipe. Such pipes are commonly called drill collars (drill collars). At the ends of this section of the drill collar, standard threads for drill pipe tool joints are provided. Such a converter is preferably included in the drill collar section of the drill string. The electrical signals of the downhole telemetry system transmitter are converted into acoustic vibrations of the column using a package of flat piezoceramic elements in the form of round washers (in the following text, piezoceramic rings) coaxially strung onto a section of a drill collar in a section with a sharpened outer diameter. Thus, the inner diameter of the piezoceramic rings is greater than the inner diameter of the pipe by twice the thickness of the remaining pipe wall. The outer diameter of the piezoceramic rings is less than the outer diameter of the pipe by twice the thickness of the required protective cover covering the entire package of piezoceramic rings and, possibly, the electronic assembly of the signal transmitter of the acoustic communication line. The electronic assembly should be placed in the same way as the package of piezoceramic rings, within the limits of possible volumes inside the wall of the collar.

Такой конструкции электромеханического преобразователя свойственен ряд недостатков, среди которых наиболее существенными являются следующие:This design of the electromechanical converter is characterized by a number of disadvantages, among which the most significant are the following:

1. Предпочтительность установки преобразователя в составе секции УБТ бурильной колонны. Но при бурении горизонтальных участков скважины секция УБТ вынесена в вертикальный участок ствола скважины и может быть удалена от породоразрушающего инструмента на сотни метров, тогда как забойная телеметрическая система должна размещаться в непосредственной близости от долота.1. The preferred installation of the Converter as part of the drill collar section of the drill string. But when drilling horizontal sections of the well, the drill collar section is placed in the vertical section of the wellbore and can be removed from the rock cutting tool hundreds of meters, while the downhole telemetry system should be located in the immediate vicinity of the bit.

2. Значительное ослабление механической прочности бурильной колонны в месте установки преобразователя за счет уменьшения толщины стенки трубы на длине распределения пакета пьезокерамических колец и электронного узла передатчика сигналов.2. Significant weakening of the mechanical strength of the drill string at the transducer installation site by reducing the pipe wall thickness along the distribution length of the piezoceramic ring pack and the electronic signal transmitter assembly.

3. Подверженность пакета пьезокерамических колец воздействиям всех механических напряжений (растяжению, сжатию, изгибу, скручиванию), возникающих при спускоподъемных операциях, периодически проводимых с колонной, и при вращении колонны ротором.3. The susceptibility of the package of piezoceramic rings to the effects of all mechanical stresses (tensile, compression, bending, twisting) arising during tripping, periodically carried out with the column, and when the column rotates with a rotor.

4. Неконтролируемые, возможно превосходящие предел разрушения керамики осевые сжатия пакета пьезокерамических колец колонной со стороны обоих торцов пакета при изменении температуры окружающей среды (от -50°С на дневной поверхности до +100°С на забое) за счет разности температурных коэффициентов расширения материалов.4. Uncontrolled, possibly exceeding the ceramics fracture limit, axial compressions of the piezoelectric ring pack of columns by the column from the side of both ends of the stack when the ambient temperature changes (from -50 ° С on the day surface to + 100 ° С on the bottom) due to the difference in temperature expansion coefficients of the materials.

5. Отсутствие управляемых возможностей перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя акустическими методами для согласования спектра возбуждаемых в колонне акустических колебаний с положением на частотной оси окон прозрачности [1] конкретной бурильной колонны, скомпонованной из труб определенного типоразмера.5. Lack of controllable possibilities for tuning or adjusting the resonance frequency of the electromechanical transducer by acoustic methods to match the spectrum of acoustic vibrations excited in the column with the position on the frequency axis of the transparency windows [1] of a particular drill string composed of pipes of a certain size.

Более близкой к заявляемому изобретению является конструкция акустического преобразователя [3]. Акустический преобразователь содержит полый сердечник с цилиндрическим пазом, расположенным на внешней стенке сердечника, в котором находится пакет пьезокерамических колец. Площадь поперечного сечения полого сердечника может совпадать с площадью поперечного сечения бурильной трубы или превосходить ее, что устраняет недостаток, связанный с ослаблением механической прочности бурильной колонны в месте установки электромеханического преобразователя.Closer to the claimed invention is the design of an acoustic transducer [3]. The acoustic transducer contains a hollow core with a cylindrical groove located on the outer wall of the core, in which there is a package of piezoceramic rings. The cross-sectional area of the hollow core may coincide with or exceed the cross-sectional area of the drill pipe, which eliminates the disadvantage associated with the weakening of the mechanical strength of the drill string at the installation site of the electromechanical transducer.

Наружный диаметр акустического преобразователя по защитному кожуху может быть выбран исходя из требований конкретной конструкции. Кроме того, полый сердечник акустического преобразователя может быть адаптирован на обоих своих концах под соединение с бурильными трубами произвольного типоразмера. Это практически снимает ограничение на место установки преобразователя в компоновке бурильной колонны.The outer diameter of the acoustic transducer along the protective casing can be selected based on the requirements of a particular design. In addition, the hollow core of the acoustic transducer can be adapted at both ends for connection with drill pipes of arbitrary size. This practically removes the restriction on the installation location of the transducer in the drill string assembly.

В конструкции электромеханического преобразователя [3] предусмотрены дополнительные термокомпенсирующие кольцевые латунные вставки, установленные по концам пьезопакета и служащие для снятия осевого сжатия пьезопакета при изменении температуры окружающей среды.The design of the electromechanical transducer [3] provides additional thermally compensating ring brass inserts installed at the ends of the piezoelectric packet and used to relieve axial compression of the piezoelectric packet when the ambient temperature changes.

Такие недостатки, как подверженность пакета пьезокерамических колец воздействиям всех механических напряжений при выполнении спускоподъемных операций и при вращении колонны и отсутствие управляемых возможностей перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя в конструкции акустического преобразователя [3], остаются.Disadvantages such as the susceptibility of a package of piezoceramic rings to all mechanical stresses during hoisting operations and column rotation and the lack of controllable possibilities for tuning or tuning the resonant frequency of the electromechanical transducer in the design of an acoustic transducer [3] remain.

Вместе с тем в конструкции акустического преобразователя [3] появляются, по меньшей мере, два новых недостатка:At the same time, at least two new disadvantages appear in the design of the acoustic transducer [3]:

1) в этой конструкции оказалось невозможным собрать пакет пьезоэлектрических элементов из цельных пьезокерамических колец. Технология сборки акустического преобразователя должна предусматривать диаметральный разрез пьезокерамических колец и последующую их склейку, что ухудшает технические характеристики пакета пьезоэлементов и понижает технологические качества самого преобразователя;1) in this design it was impossible to assemble a package of piezoelectric elements from solid piezoceramic rings. The assembly technology of the acoustic transducer should include a diametrical section of the piezoceramic rings and their subsequent gluing, which degrades the technical characteristics of the package of piezoelectric elements and reduces the technological quality of the transducer itself;

2) пакет пьезоэлектрических элементов, возбуждающий продольные колебания колонны, должен преодолевать в конструкции [3] реакцию стягивающего пакет полого сердечника, площадь поперечного сечения которого может значительно превосходить площадь поперечного сечения оставшейся толщины стенки трубы, стягивающей пакет в конструкции электромеханического преобразователя [2]. Это может привести к существенному снижению эффективности электроакустического преобразования энергии.2) the package of piezoelectric elements, exciting longitudinal vibrations of the column, must overcome in the design [3] the reaction of the tightening package of the hollow core, the cross-sectional area of which can significantly exceed the cross-sectional area of the remaining pipe wall thickness, tightening the package in the design of the electromechanical transducer [2]. This can lead to a significant decrease in the efficiency of electro-acoustic energy conversion.

Влияние реактивности (гибкости и массы) узла, стягивающего (армирующего) пакет пьезоэлектрических элементов в конструкции преобразователя, поясняется на фиг.3, где в соответствии с методом электромеханических аналогий [4] представлена эквивалентная электрическая схема нагруженного по торцам импедансами Z₁ и Z₂ армированного пьезоэлектрического стержня, совершающего продольные (вдоль вектора электрической напряженности) механические колебания. Схема справедлива при достаточно малой волновой длине пьезокерамического стержня. Пьезопреобразователь возбуждается переменным электрическим напряжением U, которое через электромеханический трансформатор (1:N) преобразуется во вторичной цепи в силу F (аналог электрического напряжения), создающую колебательные скорости ν₁ и ν₂ (аналоги электрических токов). С₀ - суммарная статическая емкость пакета пьезоэлектрических элементов, M_equ и M_arm - эквивалентные сосредоточенные массы пьезоэлектрического стержня и армирующего элемента, C_equ и C_arm - эквивалентные гибкости пьезоэлектрического стержня и армирующего элемента. Поскольку для армированного преобразователя в целом, как следует из эквивалентной схемы, справедливоThe effect of the reactivity (flexibility and mass) of the node, tightening (reinforcing) a package of piezoelectric elements in the design of the Converter, is illustrated in figure 3, where in accordance with the method of electromechanical analogies [4] presents an equivalent electrical circuit loaded at the ends of the impedances Z ₁ and Z ₂ reinforced a piezoelectric rod that performs longitudinal (along the electric tension vector) mechanical vibrations. The scheme is valid for a sufficiently small wavelength of the piezoceramic rod. The piezoelectric transducer is excited by an alternating voltage U, which is transformed through the electromechanical transformer (1: N) in the secondary circuit to the force F (an analog of the electric voltage), which creates vibrational velocities ν ₁ and ν ₂ (analogues of electric currents). C ₀ is the total static capacity of the package of piezoelectric elements, M _equ and M _arm are the equivalent concentrated masses of the piezoelectric rod and the reinforcing element, C _equ and C _arm are the equivalent flexibility of the piezoelectric rod and the reinforcing element. Since for a reinforced converter as a whole, as follows from the equivalent circuit, it is valid

M_sum=M_equ+M_arm,

M _sum = M _equ + M _arm ,

то очевидно, что для более эффективной работы пьезоэлектрического стержня на нагрузку следует стремиться к минимальной эквивалентной сосредоточенной массе M_arm и максимальной эквивалентной гибкости C_arm армирующего элемента. Эквивалентные масса и гибкость равныit is obvious that for a more efficient operation of the piezoelectric rod under load, one should strive for the minimum equivalent concentrated mass M _arm and maximum equivalent flexibility C _{arm of the} reinforcing element. Equivalent mass and flexibility are equal

где ρ - плотность материала, l - длина стержня (армирующего элемента), S - площадь поперечного сечения, Е_ю - значение модуля упругости.where ρ is the density of the material, l is the length of the rod (reinforcing element), S is the cross-sectional area, E _u is the value of the elastic modulus.

В конструкциях преобразователей [2, 3] материал армирующих элементов - это материал бурильных труб (сталь). Плотность стали немного больше плотности пьезокерамики, значение модуля упругости стали в два раза больше, чем значение модуля упругости пьезокерамики [5]. Значит, при одинаковых площадях поперечного сечения S армирующего элемента и пакета пьезоэлектрических элементов справедливы соотношения: M_arm>M_equ, C_arm=C_equ/2. To есть компоненты эквивалентной схемы, относящиеся к армирующему элементу, более существенно влияют на характеристики электромеханического преобразователя, чем компоненты, соответствующие активному пьезокерамическому материалу. Это тем более свойственно конструкции акустического преобразователя [3], где площадь поперечного сечения армирующего элемента (бурильной трубы) может оказаться заметно больше площади поперечного сечения пакета пьезоэлектрических элементов.In the designs of the transducers [2, 3], the material of the reinforcing elements is the material of the drill pipe (steel). The density of steel is slightly higher than the density of piezoelectric ceramics, the value of the modulus of elasticity of steel is two times higher than the value of the elastic modulus of piezoceramics [5]. Therefore, for identical cross-sectional areas S of the reinforcing element and the package of piezoelectric elements, the following relations are valid: M _arm > M _equ, C _arm = C _equ / 2. That is, the components of the equivalent circuit related to the reinforcing element, more significantly affect the characteristics of the electromechanical transducer than the components corresponding to the active piezoceramic material. This is all the more characteristic of the design of the acoustic transducer [3], where the cross-sectional area of the reinforcing element (drill pipe) may be noticeably larger than the cross-sectional area of the package of piezoelectric elements.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков заявляемому изобретению является конструкция акустического преобразователя [6]. Эта конструкция идентична конструкции электромеханического преобразователя [3]. Но за счет предлагаемой новой технологии сборки преобразователя оказывается возможным избежать необходимости диаметрального разреза пьезокерамических колец и термокомпенсирующих вставок.Closest to the totality of the essential features of the claimed invention is the design of the acoustic transducer [6]. This design is identical to the design of the electromechanical transducer [3]. But due to the proposed new converter assembly technology, it is possible to avoid the need for a diametrical section of piezoceramic rings and thermocompensating inserts.

При этом такие недостатки, как подверженность пакета пьезокерамических колец воздействиям всех механических напряжений при выполнении спускоподъемных операций и при вращении колонны, отсутствие управляемых возможностей перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя конструкции [2] и то, что пакет пьезоэлектрических элементов, возбуждающий продольные колебания колонны, должен преодолевать реакцию стягивающего пакет полого сердечника [6], площадь поперечного сечения которого может значительно превосходить площадь поперечного сечения оставшейся толщины стенки трубы, стягивающей пакет в конструкции электромеханического преобразователя [3], по-прежнему остаются.Moreover, such disadvantages as the susceptibility of the package of piezoceramic rings to all mechanical stresses during hoisting operations and column rotation, the lack of controllable possibilities for tuning or tuning the resonant frequency of the electromechanical transducer design [2] and the fact that the package of piezoelectric elements exciting longitudinal vibrations of the column, must overcome the reaction of the hollow core contracting package [6], the cross-sectional area of which can significantly evoskhodit cross-sectional area of the remaining wall thickness subtending packet structure electromechanical transducer [3], still remain.

Предлагаемый электромеханический преобразователь для акустического канала связи решает задачу размещения преобразователя внутри колонны бурильных труб. При решении этой задачи повышаются эффективность, надежность и достигается универсальность по отношению к типоразмеру труб колонны и месторасположению в колонне.The proposed electromechanical transducer for an acoustic communication channel solves the problem of placing the transducer inside the drill pipe string. When solving this problem, efficiency, reliability are increased and versatility is achieved with respect to the size of the column pipes and the location in the column.

Поставленная задача решается таким образом. Электромеханический преобразователь для акустического канала связи имеет пакет пьезокерамических дисков с круглым отверстием в центре, в преобразователь дополнительно введен переводник, имеющий конические замковые резьбы на обоих концах и установленную перпендикулярно его оси перегородку с пропускными отверстиями, и защитный контейнер, который имеет стыковочный узел, а пакет пьезокерамических дисков расположен между передней и тыльной стальными цилиндрическими накладками, стянут шпилькой, проходящей через отверстие в пакете пьезокерамических дисков и выполненной из материала со значением произведения плотности и модуля упругости не больше, чем у материала указанных цилиндрических накладок - стали, при этом защитный контейнер закреплен на наружной поверхности передней стальной цилиндрической накладки, которая жестко закреплена на внутренней перегородке переводника, а тыльная стальная цилиндрическая накладка состоит из постоянной и сменной подстроечной секций.The problem is solved in this way. The electromechanical transducer for the acoustic communication channel has a package of piezoceramic disks with a round hole in the center, an additional sub is inserted into the transducer, having tapered lock threads at both ends and a partition perpendicular to its axis with through holes, and a protective container that has a docking unit, and the package piezoceramic discs located between the front and rear steel cylindrical plates, pulled together with a pin passing through the hole in the piezo pack ceramic disks and made of a material with a product of density and elastic modulus not greater than that of the material of the indicated cylindrical plates - steel, while the protective container is fixed on the outer surface of the front steel cylindrical plate, which is rigidly fixed on the inner partition wall of the sub, and the rear steel cylinder the overlay consists of a permanent and interchangeable trimming sections.

Это позволяет осуществить передачу на поверхность с забоя скважины геофизической и инклинометрической информации, измеряемой в процессе бурения вертикальных, наклонных и горизонтальных участков скважины.This allows for the transfer to the surface from the bottom of the well of geophysical and inclinometric information, measured during the drilling of vertical, inclined and horizontal sections of the well.

Новым по отношению к прототипу является то, что электромеханический преобразователь для акустического канала связи включает пакет пьезокерамических дисков с круглым отверстием в центре и дополнительно снабжен переводником, имеющим конические замковые резьбы на обоих концах и установленную перпендикулярно его оси перегородку с пропускными отверстиями и защитным контейнером, имеющим стыковочный узел, а пакет пьезокерамических дисков расположен между передней и тыльной стальными цилиндрическими накладками, стянут шпилькой, проходящей через отверстие в пакете пьезокерамических дисков и выполненной из материала со значением произведения плотности и модуля упругости не больше, чем у материала указанных цилиндрических накладок - стали, при этом защитный контейнер закреплен на наружной поверхности передней стальной цилиндрической накладки, которая жестко закреплена на внутренней перегородке переводника, а тыльная стальная цилиндрическая накладка состоит из постоянной и сменной подстроечной секций.New in relation to the prototype is that the electromechanical transducer for an acoustic communication channel includes a package of piezoceramic discs with a round hole in the center and is additionally equipped with an adapter having tapered lock threads at both ends and a partition perpendicular to its axis with through holes and a protective container having a docking unit, and a package of piezoceramic discs is located between the front and rear steel cylindrical plates, pulled together with a hairpin, passing through the hole in the package of piezoceramic disks and made of a material with a product of the density and elastic modulus not more than that of the material of the indicated cylindrical plates - steel, while the protective container is fixed to the outer surface of the front steel cylindrical plate, which is rigidly fixed to the inner partition wall of the sub and the rear steel cylindrical plate consists of a permanent and interchangeable trimming sections.

Анализ существующих электромеханических преобразователей для акустических каналов связи показал, что аналогичного устройства, имеющего такую же совокупность существенных признаков, не существует. Техническая сущность изобретения поясняется чертежами, где:Analysis of existing electromechanical transducers for acoustic communication channels showed that a similar device having the same set of essential features does not exist. The technical essence of the invention is illustrated by drawings, where:

На фиг.1 изображен электромеханический преобразователь;Figure 1 shows the electromechanical converter;

На фиг.2 изображен фрагмент конструкции электромеханического преобразователя - армированный пакет пьезокерамических дисков;Figure 2 shows a fragment of the design of the electromechanical transducer - a reinforced package of piezoceramic disks;

На фиг.3 изображена эквивалентная электрическая схема нагруженного армированного пьезоэлектрического стержня, совершающего продольные механические колебания.Figure 3 shows the equivalent circuit diagram of a loaded reinforced piezoelectric rod, performing longitudinal mechanical vibrations.

Предлагаемая в изобретении конструкция электромеханического преобразователя принципиально отличается от рассмотренных конструкций и устраняет все указанные выше их недостатки. Это отличие в конструкциях обусловлено размещением преобразователя внутри колонны бурильных труб.The design of the electromechanical converter proposed in the invention is fundamentally different from the constructions considered and eliminates all of the above disadvantages. This design difference is due to the placement of the transducer inside the drill string.

Предлагаемый электромеханический преобразователь включает пакет пьезокерамических "шайб" (дисков с круглыми отверстиями по центру) 1, переднюю стальную накладку 2 и тыльную цилиндрическую стальную накладку, состоящую из двух секций: постоянной 3 и сменной 4. Сменная секция закреплена на основной с помощью резьбового соединения 5. Она служит для подстройки преобразователя, поскольку его резонансная частота зависит от полной длины тыльной накладки. Преобразователь заключен в цилиндрический защитный контейнер 6 для предохранения от воздействия потока промывочной жидкости внутри колонны бурильных труб. Дополнительно защитный контейнер обеспечивает свободные колебания тыльной накладки, поскольку ее свободный торец акустически нагружен внутри контейнера только воздухом. Защитный контейнер 6 закреплен на передней накладке 2 с помощью резьбового соединения 7, герметизированного резиновым уплотнительным кольцом 8. Длина контейнера может превышать длину преобразователя на величину, необходимую для размещения аппаратной части передающего устройства забойной телеметрической системы и автономного источника электропитания (не показано). Возбуждающий электрический сигнал от передающего устройства подается на пакет пьезокерамических дисков 1 по проводам 9.The proposed electromechanical converter includes a package of piezoceramic "washers" (discs with round holes in the center) 1, a front steel plate 2 and a rear cylindrical steel plate, which consists of two sections: a constant 3 and a removable 4. The replaceable section is fixed to the main one using a threaded connection 5 It serves to fine-tune the transducer, since its resonant frequency depends on the full length of the back plate. The converter is enclosed in a cylindrical protective container 6 to protect against the effects of flushing fluid flow inside the drill pipe string. Additionally, the protective container provides free oscillations of the back lining, because its free end is acoustically loaded inside the container with only air. The protective container 6 is mounted on the front plate 2 by means of a threaded connection 7, sealed with a rubber O-ring 8. The length of the container may exceed the length of the converter by the amount necessary to accommodate the hardware of the downhole telemetry system transmitting system and an autonomous power supply (not shown). The exciting electric signal from the transmitting device is supplied to the package of piezoceramic disks 1 via wires 9.

Защитный контейнер 6 со стороны тыльной накладки (секции 3 и 4) заканчивается стыковочным узлом 10, предназначенным для электрической и механической пристыковки наконечника кабельной вставки (не показано).The protective container 6 from the back of the lining (sections 3 and 4) ends with a docking unit 10, designed for electrical and mechanical docking of the tip of the cable insert (not shown).

Кабельная вставка позволяет передавать электрические сигналы от забойных измерительных датчиков (например, от инклинометра), размещенных в измерительном блоке забойной телеметрической системы (не показано). Стыковочный узел 10 включает в себя резьбовое соединение 11, герметизирующее резиновое уплотнительное кольцо 12 и электрический контактор 13.The cable insert allows the transmission of electrical signals from downhole measuring sensors (for example, from an inclinometer) located in the measuring unit of a downhole telemetry system (not shown). Docking unit 10 includes a threaded connection 11, a sealing rubber o-ring 12 and an electrical contactor 13.

Электромеханический преобразователь в сборе с защитным контейнером жестко присоединяется к специальному переводнику 14. Переводник 14 предназначен для передачи механических колебаний передней накладки 2 электромеханического преобразователя в колонну бурильных труб. На обоих своих концах переводник имеет стандартные конические замковые резьбы: резьба под замковый ниппель 15 и резьба под замковую муфту 16. Таким образом, специальный переводник 14 в сборе с электромеханическим преобразователем и защитным контейнером может быть установлен в произвольном месте бурильной колонны между замковым ниппелем и замковой муфтой двух смежных бурильных труб.The electromechanical converter assembly with the protective container is rigidly attached to a special sub 14. The sub 14 is designed to transmit mechanical vibrations of the front plate 2 of the electromechanical converter to the drill pipe string. At both ends, the sub has standard conical locking threads: a thread for a locking nipple 15 and a thread for a locking clutch 16. Thus, a special sub 14 assembled with an electromechanical converter and a protective container can be installed in an arbitrary place of the drill string between the locking nipple and the lock coupling of two adjacent drill pipes.

Переводник 14 в своем среднем поперечном сечении имеет прочную толстую стенку 17 с цилиндрическим отверстием по оси переводника. При механическом соединении переводника с электромеханическим преобразователем в это отверстие вставляется цилиндрический штифт 18 передней накладки 2 преобразователя. Соединение фиксируется стягивающей гайкой 19.The sub 14 in its middle cross section has a strong thick wall 17 with a cylindrical hole along the axis of the sub. When the sub is connected mechanically with the electromechanical converter, a cylindrical pin 18 of the front cover 2 of the converter is inserted into this hole. The connection is fixed with a tightening nut 19.

На внутренней стенке 17 переводника 14 по окружности диаметра, среднего между наружным диаметром защитного контейнера 6 и внутренним диаметром переводника, проточены сквозные отверстия 20, предназначенные для пропускания потока промывочной жидкости внутри колонны бурильных труб.On the inner wall 17 of the sub 14 around the circumference of a diameter intermediate between the outer diameter of the protective container 6 and the inner diameter of the sub, through holes 20 are provided for passing a flow of flushing fluid inside the drill pipe string.

Пакет пьезокерамических дисков 1 сжат между передней накладкой 2 и секции 3 тыльной накладки с помощью цилиндрической шпильки 21 и резьбовых соединений 22 в передней накладке 2 и секции 3 тыльной накладки. Площадь поперечного сечения S_шп шпильки 21 может быть значительно меньше площади поперечного сечения S_кер пакета пьезокерамических дисков 1, что позволяет уменьшить эквивалентную сосредоточенную массу M_arm армирующего элемента и увеличить его эквивалентную гибкость C_arm. Это снижает влияние шпильки 21 на эффективность электроакустического преобразования пакета пьезокерамических элементов. Кроме того, можно подобрать материал шпильки 21, который обладает более подходящими акустическими характеристиками для армирующего элемента, чем материал передней 2 и тыльной накладок - сталь. Например, бронза при практически одинаковой со сталью плотности ρ имеет в два раза меньшее значение модуля упругости Е_ю [5], что соответственно в два раза увеличивает эквивалентную гибкость С_arm армирующего элемента. Высокопрочные на разрыв алюминиевые сплавы имеют в 2,5 раза меньшую плотность ρ и в 3 раза меньшее значение модуля упругости Е_ю по сравнению со сталью [5], что позволяет соответственно уменьшить эквивалентную сосредоточенную массу M_arm армирующего элемента и одновременно увеличить его эквивалентную гибкость C_arm.A package of piezoceramic discs 1 is compressed between the front cover 2 and the back cover section 3 with the help of a cylindrical pin 21 and threaded connections 22 in the front cover 2 and the back cover section 3. The cross sectional area S _wn studs 21 can be significantly smaller cross-sectional area S _ker packet piezoceramic disc 1, thus reducing the equivalent lumped mass M _arm, and a reinforcing member to increase its flexibility equivalent C _arm. This reduces the influence of the studs 21 on the efficiency of electro-acoustic conversion of the package of piezoceramic elements. In addition, you can choose the material of the stud 21, which has more suitable acoustic characteristics for the reinforcing element than the material of the front 2 and the back plates - steel. For example, bronze at almost the same density ρ as steel has a half-value of the elastic modulus E _w [5], which accordingly doubles the equivalent flexibility C _{arm of the} reinforcing element. High tensile aluminum alloys have 2.5 times less density ρ and 3 times the minimal value of the modulus of elasticity E _w as compared with steel [5], respectively, which allows to reduce the equivalent lumped mass M _arm reinforcing element and simultaneously to increase its flexibility equivalent C _arm .

Смежные пьезокерамические диски (например, 22 и 24) в пакете 1 устанавливаются встречно по направлению вектора поляризации, как и в конструкциях [2, 3, 6]. Между дисками имеются контактные лепестки 25, которые электрически соединяются проводами 9 в соответствии со своей полярностью. Все пьезокерамические диски склеиваются между собой и с накладками 2 и 3 токопроводящим клеем.Adjacent piezoceramic disks (for example, 22 and 24) in package 1 are installed counterclockwise in the direction of the polarization vector, as in designs [2, 3, 6]. Between the disks there are contact lobes 25, which are electrically connected by wires 9 in accordance with their polarity. All piezoceramic discs are glued together and with pads 2 and 3 conductive glue.

Таким образом, установка электромеханического преобразователя, состоящего из элементов 1, 2 и 3, в сборе с защитным контейнером 6, жестко присоединенного к специальному переводнику 14, внутри колонны бурильных труб устраняет такие недостатки, как предпочтительность установки преобразователя в составе секции УБТ бурильной колонны. Но при бурении горизонтальных участков скважины секция УБТ вынесена в вертикальный участок ствола скважины и может быть удалена от породоразрушающего инструмента на сотни метров, тогда как забойная телеметрическая система должна размещаться в непосредственной близости от долота. Одновременно не происходит никакого ослабления механической прочности бурильной колонны в месте установки преобразователя. Неконтролируемые, возможно превосходящие предел разрушения керамики осевые сжатия пакета пьезокерамических колец не происходят за счет термокомпенсирующих вставок по причине использования для сжатия пьезокерамического пакета шпильки 21 с малой площадью поперечного сечения.Thus, the installation of an electromechanical transducer, consisting of elements 1, 2 and 3, assembled with a protective container 6, rigidly attached to a special sub 14, inside the drill pipe string eliminates such disadvantages as the preferred installation of the transducer in the drill string section of the drill string. But when drilling horizontal sections of the well, the drill collar section is placed in the vertical section of the wellbore and can be removed from the rock cutting tool hundreds of meters, while the downhole telemetry system should be located in the immediate vicinity of the bit. At the same time, there is no weakening of the mechanical strength of the drill string at the location of the transducer. Uncontrolled, possibly exceeding the ceramic fracture limit, axial compressions of the piezoceramic ring pack do not occur due to thermo-compensating inserts due to the use of studs 21 with a small cross-sectional area for compression of the piezoceramic pack.

Возможность изменять полную длину тыльной накладки электромеханического преобразователя с помощью сменной секции 4 позволяет осуществлять управляемые перестройки или подстройки резонансной частоты электромеханического преобразователя. Конструктивное решение сборки электромеханического преобразователя из склеенного пакета пьезокерамических дисков 1 и двух накладок 2 и 3 посредством стягивания всех трех элементов с помощью шпильки 21 устраняет тот недостаток, что пакет пьезоэлектрических элементов, возбуждающий продольные колебания колонны, должен преодолевать реакцию стягивающего пакет полого сердечника [3, 6] или оставшейся толщины стенки трубы [2].The ability to change the full length of the back plate of the electromechanical converter using the removable section 4 allows you to perform controlled tuning or fine tuning of the resonant frequency of the electromechanical converter. A constructive solution for assembling an electromechanical transducer from a glued package of piezoceramic disks 1 and two plates 2 and 3 by tightening all three elements with a pin 21 eliminates the disadvantage that the package of piezoelectric elements, exciting longitudinal vibrations of the column, must overcome the reaction of the tightening package of the hollow core [3, 6] or the remaining pipe wall thickness [2].

Эффективность предлагаемой конструкции электромеханического преобразователя подтверждена его натурными испытаниями в скважинах в составе аппаратуры акустомеханического канала связи [7].The effectiveness of the proposed design of the electromechanical converter is confirmed by its full-scale tests in wells as part of the equipment of the acoustomechanical communication channel [7].

Источники информацииInformation sources

1. Акустические каналы связи забойных телеметрических систем. Геофизика. 2000. №1. Тверь, ЕАГО, с.43-48.1. Acoustic communication channels for downhole telemetry systems. Geophysics. 2000. No1. Tver, EAGO, p. 43-48.

2. Патент США №5222049, НКИ 367/82, МПК G 01 V 1/40, June 22, 1993, Electromechanical transducer for acoustic telemetry system.2. US Patent No. 5222049, NKI 367/82, IPC G 01 V 1/40, June 22, 1993, Electromechanical transducer for acoustic telemetry system.

3. Патент США №5703836, НКИ 367/165, МПК Н 01 R 17/00, Dec. 30, 1997, Acoustic transducer.3. US patent No. 5703836, NKI 367/165, IPC H 01 R 17/00, Dec. 30, 1997, Acoustic transducer.

4. Физическая акустика, т.1, ч.А. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Под редакцией У.Мэзона. - М.: Мир, 1966, с.284-287.4. Physical acoustics, t.1, part A. Methods and instruments of ultrasound research. Edited by W. Mason. - M.: Mir, 1966, p. 284-287.

5. Справочник по гидроакустике. А.П.Евтютов, А.Е.Колесников, Е.А.Корепин и др. - Л.: Судостроение, 1988, с.248-249.5. Handbook of sonar. A.P. Evtyutov, A.E. Kolesnikov, E.A. Korepin, etc. - L .: Shipbuilding, 1988, p. 248-249.

6. Патент США №6147932, НКИ 367/165, МПК Н 04 R 17/00, November 14, 2000, Acoustic transducer [прототип].6. US patent No. 6147932, NKI 367/165, IPC H 04 R 17/00, November 14, 2000, Acoustic transducer [prototype].

7. Акустические каналы связи забойных телеметрических систем - особенности построения и результаты скважинных испытаний // НТВ Каротажник. 2000. Выпуск 73. Тверь, издательство АИС, с.92-99.7. Acoustic communication channels for downhole telemetry systems - construction features and results of downhole tests // NTV Karotazhnik. 2000. Issue 73. Tver, AIS Publishing House, pp. 92-99.

Claims

An electromechanical transducer for an acoustic communication channel, comprising a package of piezoceramic disks with a round hole in the center, characterized in that the transducer is equipped with a sub having tapered lock threads at both ends and a partition perpendicular to its axis with through holes and a protective container having a docking unit, and a package of piezoceramic discs is located between the front and rear steel cylindrical plates, pulled together with a pin passing through the hole in a piezoceramic disc and made of a material with a product of density and elastic modulus not greater than that of the material of the indicated cylindrical plates - steel, while the protective container is fixed to the outer surface of the front steel cylindrical plate, which is rigidly fixed to the inner partition wall of the sub, and the rear steel cylinder the overlay consists of a permanent and interchangeable trimming sections.