МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
«РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА СЕЛЬСКИХ ТЕРРИТОРИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ АПК»
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2007


УДК 621.3:622.3
Электроакустические излучатели для восстановления дебита скважин

В.В. Атаманов, Ю.Ф. Жуйков, В.н. Пряхин
ФГОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»,
г. Москва, Россия

В настоящее время 87 % от общего объема водопотребления в сельских населенных пунктах осуществляется из подземных источников.  В настоящее время около половины скважинного фонда имеет срок эксплуатации более 25 лет.  Длительный период эксплуатации приводит к снижению дебета скважин до половины от первоначального. При этом падение дебета зачастую не связано с истощением водоносных пластов, а является следствием снижения проницаемости призабойной зоны водоносного пласта. В наиболее тяжелых случаях механической очисткой и промывкой скважинных фильтров не удается восстановить производительность скважин. В таких случаях единственным способом обеспечения необходимого уровня водопотребления является строительство новой скважины.

Существует и альтернативный метод восстановления дебита, позволяющий в отдельных случаях получить практически полное восстановление производительности скважины. Основой рассматриваемого метода является воздействие на фильтр и призабойную зону скважины акустическим полем ультразвукового диапазона. Необходимую интенсивность такого излучения, из известных методов, возможно получить путем преобразования электрического сигнала.

Практическому применению ультразвука посвящено достаточно много отечественных и зарубежных работ. Однако большинство сведений в этих работах ограничены изложением решений по отдельным прикладным вопросам и описывали несопоставимые условия использования ультразвуковых технологий.

Поэтому выявление общих закономерностей процессов и сравнение технических характеристик применявшихся ультразвуковых аппаратов по литературным источникам может быть только приближенным. Так как в основе каждого практического применения ультразвука лежит какой-либо определенный эффект, а сопутствующие эффекты могут играть вспомогательную роль, или быть вредными, то задача проектирования ультразвуковой технологии обработки продукта будет заключаться в максимальном усилении работающего (полезного) эффекта и подавлении остальных. В результате, решение задачи проектирования технологии сводится к выбору (конструированию) соответствующей аппаратуры и разработке оптимального технологического режима. В настоящей работе проанализированы физико-технические аспекты реализации электротехнологии восстановления дебита скважин.

1. Физические основы акустического восстановления дебита скважин
Как показано в [1], излучатель в скважине создает цилиндрическую волну, затухающую с учетом геометрической расходимости по следующему закону



где   I(r) – интенсивность акустической волны на расстоянии r от скважины;  In. – интенсивность на стенке скважины в породе (на расстоянии ), поскольку ~ 0,1 м, то на расстоянии 1 м учёт фактора геометрической расходимости волны снижает ее интенсивность на порядок. Следовательно, в окрестности скважины характерное расстояние затухания волны частотой 20 кГц в породах типа песчаника составит несколько десятков сантиметров. То есть, фактически радиус зоны L, ,в которой реально проявится воздействие акустического источника (I > 2 Вт/м2), составит величину порядка 10-1 м или , где rC  – радиус скважины.
В капилляре радиуса Rза время t  работы источника монохроматических волн частоты  v при его интенсивности Iо происходит повышение температуры


,


где  q – есть коэффициент прохождения [2], показывающий степень ослабления ультразвуковой волны при её прохождении от излучателя через жидкостную среду, заполняющую скважину и стенку скважины в породу;  d – толщина слоя теплового потока, имеющая порядок толщины диффузного слоя [3], равного нескольким длинам свободного пробега молекул флюида;  h – коэффициент температуропроводности;  СТ  – удельная емкость флюида;   С – скорость звука в среде. Поскольку температура среды пропорциональна давлению [4]


                                                         (1)


и, соответственно, градиент температур пропорционален градиенту давления, dT ~ dP максимальная скорость теплового скольжения, компенсирующего пуазейлевский поток, будет в направлении NP, то есть в направлении .
Связь давления Р с температурой Т при отсутствии фильтрации (что наблюдается в механизме теплового скольжения) и в приближении хрупкого характера поведения скелета среды и цемента представим в виде

Р/Т = b/c,
где   b – коэффициент объемного теплового расширения жидкости;  
c – коэффициент изотермической сжимаемости.
Для воды
b = 0,2?10 -3 °К-1,   c = 5 Па-1.


Используем для оценки максимальное значение прочности цемента на раздавливание  s*~10 МПа. Давление в жидкости будет возрастать в процессе нагревания ее при акустическом воздействии в соответствии с (1). Оценим характерное время нагревания t*, необходимое для повышения давления в жидкости до Р ~10 МПа.
Величина критического интервала температуры DT*, при которой увеличение давления DР ~ s*есть: DT* ~ l0°К-1. Тогда из (1) получаем, время t* термоакустического воздействия на капилляры с радиусом  r0 ~ 10-6 м при  v = 20 кГц,  Iо = 2 Вт/см2 и q = 10-1 составит ~ 5?103 с, то есть t* ~ 1 ч.

Следовательно, после проведения акустического воздействия в течение указанного интервала времени, стенки капилляров с радиусом меньшим чем r0 разрушатся, продукты разрушения будут впоследствии (после возобновления фильтрации) вынесены, а радиусы капилляров, значения которых лежат в окрестности  r1, увеличатся в несколько раз, то есть в 1,5-2 раза.
При этом проницаемость должна возрасти на полпорядка – порядок, что в целом коррелирует с результатами экспериментальных исследований, которые показали возрастание проницаемости после акустической обработки модельной среды с глинистым цементом примерно на порядок.

Таким образом, можно сделать заключение, что для зернистых пород типа песчаника с характерной кривой плотности распределения капилляров по радиусам  f(r) =l/r2 и характерной прочностью цементирующего материала s* ~ 10 МПа, после акустической обработки с параметрами  v = 2?104Гц и Рa = 1,7?105 Па в течение не менее 1 ч, дебит водной скважины должен возрасти. Причем, данный эффект будет иметь необратимый характер, поскольку связан с перестройкой структуры порового пространства. Полученный вывод хорошо согласуется с многочисленными результатами натурных и промышленных испытаний, которые показывают устойчивое возрастание дебитов откачных скважин ( DQ) в среднем на 20 % после обработки их в течение 1 ч.

2. Требования к электрофизическим параметрам излучателей
Для обеспечения достаточной глубины зоны проявления  эффекта (до 0,5 м) необходимо получить интенсивность акустического поля на излучающей поверхности излучателя механических колебаний (ИМК) более 10 Вт/см2. При этом возникают определенные ограничения,  связанные с относительно небольшим размером (диаметром) скважины, где необходимо располагать скважинный прибор с ИМК при обработке.

Унифицированный для всей имеющийся номенклатуры скважин излучатель должен удовлетворять следующим требованиями:
диаметр скважинного прибора (излучателя)   O 36 мм;
снимаемая с рабочей поверхности излучателя мощность должна быть максимально возможной, и не менее 10 Вт/см2;
диапазон рабочих температур 0?90°С;
скважинный прибор должен быть работоспособен при воздействии давлений до 200 атм; время непрерывной работы не менее 12 ч;
возможность регулирования частоты излучателя и исследование эффективности комбинированного воздействия различных частот излучателя;
в режиме импульсного воздействия средняя излучаемая мощность должна соответствовать мощности излучения при непрерывном режиме.

Для практического» применения ИМК любого типа необходимо выполнить его конструктивное оформление, соответствующее конкретным условиям решаемой задачи. Как правило, в основу УЗ ИМК кладут пьезомагнитный (ПМ) или пьезоэлектрический (ПЭ) вибратор, каждый из которых вместе с креплением и арматурой образует соответствующий ПМ или ПЭ ИМК.

Таблица 1


для прямоугольного вибратора, продольные колебания по длине L

для кольцевого вибратора, где  –  средний радиус кольца при  h <<2r

продольные колебания по толщине (r1 – r2) для трубчатого вибратора h >>2r

Проведем  сравнительный анализ эффективности работ ПМ и ПЭ ИМК и тех технических задач, который возникаeт и требуeт своего разрешения при разработке обсуждаемых излучателей.

Известны ПМ вибраторы прямоугольного и кольцевогоh ? 2r2  (трубчатого  h >> 2r2) типа (рис. 1), которые состоят, соответственно, из прямоугольного и кольцевого (трубчатого) магнитострикционного (МС) сердечника 1 и обмотки соленоида 2, причем сердечник набирается из тонких пластин 3 МС металла, склеенных между собой 4, чтобы свести потери на вихревые токи к минимуму. Витки соленоида и сердечник образуют замкнутый магнитопровод, в котором создается замкнутый магнитный лоток (МП) для устранения эффекта размагничивания.

Рис. 1. Магнитострикционные вибраторы с продольными колебаниями
а – колебания по длине  с продольным МС эффектом  (прямоугольный
вибратор); б – колебания по толщине (z2 –v1 ) с поперечным МС эффектом
() (кольцевой вибратор при h << 2l  и трубчатый вибратор при h >> 2l

 
 


Высокочастотный ток i = I?sin(wt), протекающий по обмотке соленоида вместе с постоянным током подмагничивания I0, вызывает продольные меха­нические колебания по длине сердечника с продольным МС эффектом (прямоугольный вибратор, рис. 1 а) или по толщине (r2 -r1) – с поперечным МС эффектом (кольцевой вибратор, рис. 1 б).

Собственная основная частота f ПМ вибратора зависит не только от длины L сердечника, но также и от размеров различных его частей: отверстий для обмотки, стержней, накладок.
Известны ПЭ УЗ вибраторы (рис. 1) в форме прямоугольного стержня и пластины с поляризацией по их толщине, с электродами на боковых гранях, перпендикулярных к направлению вектора поляризации . Переменное электрическое поле (ЭП) будучи приложено к электродам, возбуждает в вибраторах продольные колебания по длине стержня с поперечным пъезоэффектом  или по толщине пластины с продольным пьезоэффектом () на собственной основной частоте f = C/2x, где С – скорость продольных колебаний в материале вибратора, заданной формы), если длина стержня (L = x) и толщина пластины (h = x)  равны целому числу полуволн. Следовательно, минимальный габаритный размер вибратора может составить   причем при L = x будем иметь полуволновый вибратор по длине стержня с, а при h = x – по толщине пластины с  (). Очевидно, что при C » 4?103,  f ~ 20 кГц будем иметь стержень, длиной  см, а при f ~ 200 кГц ~ пластину ~ 1 см.  Предполагается, что другие размеры стержня (пластины) малы (велики) по сравнению с  L(h) .

 
 

При продольных колебаниях полуволнового вибратора типа стержня или пластины в форме диска (h << d, где (d ~ его диаметр) на их свободных торцах возникают пучности, а в среднем поперечном сечении узел смещения стоящей волны (СВ).
ПМ и ПЭ полуволновые вибраторы, как правило, закрепляют в узле СВ, находящемся па половине дайны сердечника, стержня или толщины кольца, диска. Закрепление другим способом приводит к сильному затуханию колебаний (дополнительным по отношению к внутренним потерям мощности УЗ излучения до 30 %).

 

Ферромагнитные металлы, например, Fe, Ni, Co и сплавы на их основе, обладающие высокой магнитострикцией (МС), используются в качестве рабочих тел для ПМ вибраторов. Однако для работы таких вибраторов в колебательном (синусоидальном) режиме с частотой f требуется расположение МС материалов в полости соленоида с постоянным магнитным полем (МП). Но для линеаризации квадратичного МС эффекта и выбора рабочей точки на наиболее крутом линейном участке МС кривой Dl/l = f(H0). Эта часть МС кривой соответствует наиболее оптимальным условиям для разработки ПМ излучателей высокой интенсивности. Так, для Ni сплавов пермаллоя Fe-Ni, Fe-Co часто используемых в ПМ излучателях, рабочая точка, (H0, Dl/l) па статической кривой Dl/l = f(H0) лежит вблизи сравнительно небольших значений H0  (табл. 2).

 

Таблица 2

 

Ni

Ft-Ni

Параметры соленоида
(А?витки/см)

H0 (Э)

Dl/l 10-5

Dl/l 10-5

H0 (Э)

3

1,2

3

0,6

2,4

5

1,7

5

1,0

4

10

24

10

1,6

8

Приведенные в табл. 2 значения подмагничивающего поля H0, могут быть получены в соленоиде с числом витков  n, приходящихся на 1 см его длины, при прохождении постоянного тока I0 (А), причем значения n и I0  могут быть разными в пределах данного произведения n?I0.
Исключение составляет C0, для которого получена статическая зависимость                     Dl/l = f(H0) вплоть до Dl/l =4?105 при  H0 = 103 Э, (табл. 3).
К исключению можно отнести и дорогостоящий сплав Fe-Pt рабочей точкой                H0 = 125Э,  Dl/l =4?10-5, n?I0 = 100 А?витков/см.
Таблица 3


C0

H0 103

Dl/l 10-5

n?I0 (А?витков/см)

1

1

800

2

2,3

1600

3

3,2

2400

4

4

3200

Приведенные в табл. 3  параметры соленоида трудно реализуемы в рамках сформулированных выше требований как по габаритным размерам, так и по значениям требуемого тока.
На остаточную намагниченность (при H0» 0) рассчитывать нельзя из-за малого значения коэрцитивной силы (H0» 0,01-0,1Э) у используемых ферромагнитных материалов для ПМ излучателей. В этом случае линеаризация эффекта МС до ПМ эффекта не достигается, в результате чего ПМ излучатель в высокочастотном МП Н=?sin(wt), будет пульсировать в одном направлении с удвоенной частотой по отношению к частоте МП.
Для обеспечения работы ПМ излучателя в режиме достижения МС  насыщения необходимо увеличить подмагничивающее поле Н0.
Таблица 4


Материал

МС насыщения
Dl/l10-5

Н0

n?I0 (А?витков/см)

Ni

-35

12,5-25

10-20

50 %Fe – 50 %

+25

6,25-12,5

5-10

50 %Fe – 50 %Co

+70

25-37,5

20-30

В таблице 4 приведены параметры такого режима для различных МО материалов.
Пьезокерамические материалы, обладающие высокой поляризационной способностью Dl/l = f(р), сохраняют остаточную поляризацию p, достаточную для работы ПЭ вибратора без введения дополнительного источника постоянного электрического поля (ЭП). При подводе переменного электрического напряжения U = ? sin(wt) к электродам вибратора, последний будет испытывать и повторять с частотой  f  колебания подведенного поля.
Для реализации работы ПМ излучателей с подмагничивающим постоянным полем  Н0 амплитуда подводимого переменного МП Н=? ?sin(wt) не должна превышать Н0              (Н0 ? или Н0 »). Тогда суммарное значение полей (Н0 +) составит близкую величину, при которой достигается магнитное насыщение используемых ферромагнитных веществ, а МС  Dl/l  приближается к своему предельному  значению. Так, для Ni и сплавов Fe-Ni, Fe-Co величина (Н0 +) составляет 20-25 Э (табл. 5).
Таблица 5

Ni

FeNi

n?(I0 +) (А?витков/см)

Dl/l10-5

Н0 +(э)

Dl/l10-5

Н0 +(э)

2,6

10

1,6

10

8

2,9

20

2,3

20

16

3

25

2,4

25

20

3,1

30

2,5

30

24

Для Fe эти данные существенно меньше: Н0 =2,5Э, Dl/l = 0,2?10-5 работая точка,         (Н0 +)~5 Э.

Для реализации работы ПЭ излучателей с остаточной поляризацией материала вибратора необходимо обеспечить подвод к электродам переменного электрического напряжения U = ? sin(wt), создающего в материале вибратора ЭП  Е =  ? sin(wt),  амплитудное значение которого не должно выходить за верхний предел диапазона полей   = 0,2-0,7 МВ/м [5].
Поля приведенного диапазона не нарушают остаточную поляризацию в пьезокерамических (ПК) материалах, если рабочая температура вибратора не превышает 20°С. Для сравнения, поляризация ПК материалов производится при постоянных электрических полях (ЭП) порядка  ЕП = 1-4 МВ/м. При повышении рабочей температуры вибратора амплитудное значение напряженности поля следует пропорционально снизить. Согласно [1] температура окружающей среды может достигать до 1500 C, тогда  не должна превышать  = 0,03-0,1 мв/м.


Эти значения полей, во-первых, могут оказаться недостаточными для получения необходимых амплитуд механических колебаний ПЭ излучателя. Во-вторых, не исключено, что наблюдаемый при высоких температурах Т < Тк срыв генерирующего излучения обусловлен деполяризацией рабочего тела (РТ) ПЭ излучателя как под действием переменного ЭП с амплитудным значением   ? 0,1 МВ/м, так и тепловых воздействий. Решить эти задачи (получение необходимой величины Dl/l  и исключение срыва генерации излучения) в условиях сравнительно высоких температур можно было бы созданием на электродах ПЭ излучателя постоянного напряжения U0, (постоянного поля E0 в РТ вибратора), аналогичного по-своему действию постоянному МП H0 в ПЭ излучателе, примем E0 по значению должно больше E0 >  = 0,1 МА/м, а по направлению – совпадать с вектором остаточной поляризации. Такой прием использовался для ПК материалов с малой остаточной поляризацией при нормальных условиях работы.

3. Сравнительные характеристики ПМ и ПЭ ИМК
Сравнение предельных интенсивностей УЗ излучения для ПM и ПЭ ИМК при работе проводилось в одинаковых нормальных условиях в среде (вода) с заданным волновым сопротивлением (ВС). Для простоты расчета предположим, что упругие напряжения в материале ИМК на частоте резонанса равны акустическому давлению в окружающей среде вблизи излучаю­щих поверхностей ИМК:


 

(2)

где – интенсивность излучения ПМ ИМК (продольные колебания по длине сердечника с продольным МС эффектом; () – интенсивность излучения ПЭ ИМК – продольные колебания по длине стержня (толщине диска) с поперечным ПЭ (продольным ПЭ) эффектом;  JПМJПЭ – модуль Юнга для материала ПМ, ПЭ излучателя, соответственно; dm – МС константа для МС материала; dkj = d31 – ПЭ модуль для материала ИМК с поперечным ПЭ эффектом;   dhh= d33  – ПЭ модуль для материала ИМК с продольным ПЭ эффектом;  Hm, Eh – амплитудное значение магнитного (Hm= H0 +) и электрического поля (Em= Ef = ), соответственно.
Параметры ПК материалов устойчивых к механическим и электрическим воздействиям приведены в табл. 6.

Таблица 6


ПК-8

ЦТсСтЗ

d33,10-12
(Кл/Н)

JПЭ 1011
(Н/м2)

d31,10-12
(Кл/Н)

d33,10-12
(Кл/Н)

JПЭ 1011
(Н/м2)

d31,10-12
(Кл/Н)

290

0,8

130

270-350

1

140

Параметры МС материалов даны в табл. 7.
Таблица 7


Материал

dm, 10-10 (М/Ав)

JПМ 1011 (Н/м2)

Ni

20

2

50 %Fe – 50 %Ni (пермаллой)

25

1,5

50 %Fe – 50 % Co (пермендюр)

35

2,3

Используя данные табл. 6, 7 значения МП, соответствующие МС насыщения (см. табл. 4) и диапазон ЭП, при которых исключается перед поляризация ПЭ материалов, получим:
Численные значения отношений интенсивностей получены при (Hm= H0 +),  которому соответствует Dl/lнасыщ. и усталостное механическое напряжение МС материала sуст.?sПМ, где sПМ – механическое напряжение, создаваемое эффектом, равное dm, JПМ, Нm. Для   взято значение 0,2 МВ/м, которому соответствует механическое напряжение sПЭ, создаваемое ПЭ эффектом, причем sуст. для ПКР 8 удовлетворяет условию                   sуст.?sПэ согласованного режима работы ПЭ ИМК. ПМ ИМК, не достигнув sуст, достигает границы магнитного насыщения, то есть работает в несогласованном режиме в режиме перегрузки (Dl/l  соответствует насыщению, а sуст.>sПМ).
Таблица 8

 

Hm

Ni и ПКР-8

6,7

60

2?103 Ав/м

 

0,2 МВ/м

Ni-Fe ПКР-8

30,8

152

103 Ав/м

Fe-Co и ПКР-8

~I

3,7

3?103 Ав/м

Применение МС и ПК материалов в ПМ и ПЭ ИМК может быть ограничено одним из следующих двух факторов: механической усталостной прочностью, ограничивающей переменное напряжение в материалах;  магнитным насыщением, ограничивающим значение МС Dl/l.

Прочность на разрыв у ПМ ферритов и ПЭ керамики значительно меньше, чем прочность МС металлов [31]. Поэтому именно механическая прочность на разрыв будет определять верхний предел удельной акустической мощности, которую могут обеспечить ферритовые и ПЭ ШК. Для ПМ излучателей такое ограничение характерно из-за магнитного насыщения.
В процессе эксплуатации в ПЭ и ПМ ИМК возникают большие механические напряжения, которые могут привести к разрушению излучателя после достаточно большого числа циклов включения, характеризуемого величиной усталостного разрушения. Поэтому динамическая прочность является также важным параметром для МС металлов, ПЭ и ПМ керамики. Количественные данные по механической усталостной прочности, особенно для ПМ и ПЭ керамики почти отсутствуют.
Испытания ПМ феррита марки Ф-107 при большом числе циклов включения (до 6?109 циклов). Испытанные образцы не изменили своих параметров при механических напряжениях растяжения (60-110)?105 Па, то есть предел усталости феррита марки Ф-7 лежит выше 100?105 Па. В таблице 9 приведены характеристики динамической и статической прочности на разрыв для ПМ феррита FxC7A, а также сравнительные данные для никеля и ПЭ керамики, включал и керамику, предназначенную для разработки ПЭ ИМК.
Таблица 9


Параметр

Ni

FxC7A

PZT-4

ПКР-4

ПКР-8

ЦСТ Ст-3

Тк ,(0С)

360

530

328

330

325

200

sg, МПа

25

9-11

24,5

-

40

40

Dl/l10-6

120

55-65

-

-

-

-

sl, МПа

150

30

30

-

-

-

Если в среде, в которую излучается ультразвук, происходит кавитация, то воздушные пузырьки могут вызывать дополнительные динамические локальные напряжения, действующие на рабочую поверхность ИМК. В этом случае вместо предела усталости (sуст.) решающим является кажущийся предел усталости (s*уст.), примем s*уст. < sуст. Для ПМ  и ПЭ керамики  s*уст » 8 МПа, sуст.»10 МПа.


4. Электроды пьезоэлектрических преобразователей
Для подведения к ПЭ вибраторам высокочастотного электрического напряжения необходимы электроды, которые могут представлять собой металлические пластины, металлическую фольгу или плотно нанесенные на вибратор металлические покрытия (металлизация).

Для изготовления электродов важно знать тип колебаний, совершаемых вибраторами, то есть служат ли покрытые электродами поверхности только для возбуждения колебании, а излучение происходит с других поверхностей или же электродные поверхности одновременно являются излучающими. В первом случае, которому соответствует вибратор, колеблющийся по длине, электроды могут быть выполнены в любом виде. Они не препятствуют излучению другими поверхностями. Сложнее обстоит дело с нанесением электродов на вибраторы, колеблющиеся по толщине. Здесь поверхности с нанесенными электродами одновременно являются излучающими.

Практически металлические пластины должны выбираться из соображений обеспечения их прозрачности (коэффициент прохождения) для ультразвука, близкой к 100 %. Это достигается, если:
а) толщина пластины составляет целое число полуволн, h1 = nl1/2, где l1  – длина  волны в металле, соответствующая собственной частоте вибратора, тo есть при n = 1;
б) толщина пластин, фольг, покрытий много меньше длины волны h1 << l1 100 % прозрачность достигается (без учета потерь на поглощение), если пластина независимо от ее волнового сопротивления (Zпл) выбрана указанным в п. 1 путем, а среда одна и та же до пластины и за ней  (Zдо = Zза). Здесь Zдо и Zза – волновое сопротивление среды до пластины и за ней, соответственно.
Если последнее условие не выполнено  (Zдо ? Zза) , то нужно также учитывать Zза. Пластина будет обладать близкой к 100% прозрачностью, когда ее   и если, кроме того,  h1 = l1/4, то отражение полностью отсутствует.

Однако до сих пор проблема существенного ослабления отражения излучения на границе сред практически не решена до конца по той причине, что выбор веществ с подходящими Z весьма ограничен, а при больших интенсивностях излучения, сопровождающих нестабильностью (уходом) излучаемой частоты из-за нагревания ПЭ вибратора, едва ли можно будет избежать появления граничных отражении УЗ излучения. Было бы целесообразно предусмотреть регулированию частоты подаваемого на электроды электрического напряжения в процессе ухода собственной частоты вибратора из-за его нагревания.
Электроды из металлической фольги непрочны, так как фольга легко отклеивается под действием ультразвука.
Наиболее употребительный способ изготовления электродов основан па нанесении тонких металлических покрытий. Эти покрытия не влияют на колебания вибратора и не вносят дополнительных потерь. Известны различные способы нанесения металлических покрытий.

Наиболее прочные покрытия, устойчивые к механическим нагрузкам, получаются путем распыления серебра с последующим сжиганием его при высоких температурах. Тем не менее, изготовленные указанным способом при соблюдении всех технологических правил такие электроды пригодны для излучения ультразвука интенсивностью до 10 Вт/cм2. при более высоких интенсивностях может наступить отслоение или разрушение покрытия вследствие дисперсии. Не исключено, что для получения в среде вблизи рабочей поверхности (РП) ГУК интенсивности УЗ колебаний ~ 2 Вт/см2 потребуется создавать на РП ПЭ ИМК свыше 10 Вт/см2, чтобы обеспечить компенсацию потерь излучения на пути прохода к РП ГУК. Например, из-за рассогласования акустических импедансов на границе двух сред ПК материал и трансформаторное масло коэффициент прохождения излучения в масло составит ~ 20 %. Это означает, чтобы иметь в масле ~2 Вт/см2 на излучающей поверхности ПЭ вибратора, необходимо обеспечить ~ 10 Вт/см2 без учета потерь излучения на пути к РП ГУК.

5. Конструкции скважинных приборов
ИМК представляет собой часть скважинного прибора. Следовательно, УЗ колебания должны пройти путь от рабочей поверхности ИМК к излучающей поверхности через различные среды. Проходя границу сред, часть энергии УЗ волны отражается в первоначальную среду с удельным волновым сопротивлением  Z1 = r1 ? Z1 . а другая часть – проходит в среду с удильным волновым сопротивлением Z2 = r2 ? Z2.
Доля отраженной энергии соответствует коэффициенту отражения  прошедшая часть характеризуется коэффициентом прохождения D = 1 - R. Из этого следует, что при переходе энергии УЗ излучения от рабочего тела (например, ПК марки       ПКР-8 с Z1 = 27?106 кг/с?м2) вибратора в жидкую среду (например, трансформаторное масло с  Z2=1,28?106 кг/с?м2)  R » 0,8, и D » 0,2. Тогда как при переходе энергии от ИМК в воздух (Z2=1,28?106 кг/с?м2)  R » 1, и D » 0. Этот факт можно использовать при разработке конструкции ИМК для увеличения интенсивности излучения в  более чем 4 раза, располагая для этого одну излучающую поверхность вибратора в жидкой среде, а другую в воздухе.

Исходя из требований нa габаритные размеры скважинного прибора, в основу конструкции ПЭ ИМК можно положить два типа полуволновых модулей трубчатой формы (см. рис. 3), Оба модуля могут обеспечить получение продольных УЗ колебаний, один из них (см. рис. 3 а) по длине вибратора с собственной частотой  f ~ 20 кГц, с поперечным пьезоэффектом, а второй (см. рис. 3 б) по толщине с собственной частотой _f – 220 кГц с продольным пьезоэффектом. Следует иметь в виду, что эти модули допускают возможность возбуждения других колебаний - поперечных по диаметру с частотой 40-45 кГЦ и продольных по длине  l = 5 см с частотой 30-35 кГц. Исполнение модулей и расположение их в корпусе ГУК, как показано на рис. 3, позволяет обеспечить «одностороннее» излучение УЗ колебаний. Отметим, что наиболее целесообразными материалами с позиции обеспечения лучших акустических характеристик ГУК были бы:
алюминий (или титан) – для выполнения частей корпуса ГУК между излучающими торцами модулей (см. позицию 4 на рис. 3а) и напротив боковых поверхностей модулей, приведенных на рис. 3б) (см. позицию 4); 
вольфрам (или никель, а из экономических соображений лучше сталь после W и Ni) ~ для изготовления дисков, обеспечивающих лучшее отражение акустического излучения к рабочей поверхности скважинного прибора;
глицерин – как рабочая среда, обеспечивающая из всех известных жидких сред наибольшее прохождение излучения на границе ИГЖ со средой;
воздушные прослойки для обеспечения одностороннего излучения УЗ колебаний большей интенсивности.

Проведенный сопоставительный анализ эффективности работы известных ИМК в УЗ диапазоне частот на основе ПМ и ПЭ вибраторов с целью разработки акустического излучателя для применений в специфических условиях, реализуемых в зоне скважин, не позволяет в настоящее время сделать однозначного вывода о полном преимуществе одного из типов излучателей. Но можно однозначно утверждать, что преимущества известных ИМК, построенных на элементной базе магнитострикционных металлов ПМ и ПЭ керамики, не могут основываться только на свойствах используемых материалов в чистом виде, скорее их преимущества основываются на свойствах изготовляемых образцов из указанных материалов, зависящих от формы и размеров.

Как говорилось выше, снимаемая с рабочей (излучающей) поверхности скважинного прибора удельная акустическая мощность должна быть максимально возможной, но не менее 2 Вт/см2. Однако заданная форма и габаритные размеры скважинного прибора (диаметр 36 мм) ограничивают возможности конструкционного исполнения ИМК, как составной части скважинного прибора. Конструкционные схемы модулей ИМК, приведенных на рис. 3, вписываются в допустимые габариты скважинного прибора. Однако их рабочие поверхности (РП) отделены от РП излучателя как жидкостной средой, так и конструкционными металлическими элементами, что будет приводить к потере УЗ излучения на его пути к РП скважинного прибора. На рис. 4. показан путь прохода излучения от РП ИМК 8 к РП ГУК 7, причем такой путь на рис. 4 а соответствует модулю № 1, а на рис.        4 б – модулю № 2. Перечень различных сред под рисунком приведен для сопоставления возможных потерь излучения на пути прохода через выбранные среды.

В том случае, когда среда, находящаяся за гранитной поверхностью, ограничена в направлении распространения УЗ излучения, то есть представляет собой пластину, коэффициент отражения излучения можно оценить по формуле

,


где Di  – толщина пластины или слоя;   li – длина волны в материале.

Подпись:

 

 

 

 

 

 

 

Выбором сред на пути прохода УЗ излучения можно регулировать уровни потерь излучения. Так, если использовать стальной корпус скважинного прибора 2 с толщиной стенки DFe= 0,4cм(см. рис. 4 а) с трансформаторным маслом (ТМ) 3 в его полости и стальной отражающий диск 4 (DFe = 0,5 см), то для обеспечения заданной в ТЗ [1] интенсивности излучения на выходе ГУК необходимо на РП ИМК (модуля № 1) иметь                 ~ 50 Вт/см2. При тех же условиях, но с заменой ТМ на глицерин, необходимая величина интенсивности УЗ излучения на РП ИМК (I ИМК) снижается до 22 Вт/см2.
Для титанового корпуса скважинного прибора (DTi = 0,4 см) с ТМ в полости и стальным отражающим диском (ОД) DFe- = 0,5 см I ИМК ~ 26 Вт/см2. Замена ТМ на глицерин приводит I ИМК ~ 16 Вт/см2.
При выборе корпуса ГУК с алюминиевыми окнами (=0,4 см) напротив выхода УЗ излучения с ТМ и со стальным ОД ( = 0,5 см) I ИМК ~ 19 В т/см2 с использованием глицерина I ИМК ~ 14 Вт/см2. Замена стального ОД на вольфрамовый (=0,3 см) может обеспечить I ИМК ~ 17 Вт/см2 (с ТМ) и I ИМК ~ 10,5 Вт/см2 (с глицерином).
Таким образом, выбором вещества на пути прохода УЗ излучения от РП ИМК (от модуля № 1) к РП ГУК можно существенно снизить характерную величину излучения     (I ИМК = 10?50 Вт/см2)  на РП ИМК. Для модуля № 2 разброс величины I ИМК составляет I ИМК = 7?40 Вт/см2.

Если ПЭ вибраторы по свой форме не являются достаточно длинными стержнями или тонкими по сравнению с диаметром дисками, то характер их колебании становится более сложным, а при расчете собственной частоты, надо учитывать фактор формы, зависящий от отношения L/d длины стержня L к его диаметру d. Полуволновый ПЭ вибратор Ланжевена по существу представляет собой короткий стержень с электродами на торцах – ПК диск поляризованный по толщине и механически зажатый с торцов металлическими дисками. Преимуществом такого вибратора является: 1) повышенная прочность на разрыв, что позволяет подводить к электродам большие амплитуды переменного напряжения; 2) большую часть УЗ излучения можно выполнить направленным в сторону одного из торцов путем выбора удельных волновых сопротивлений металлических дисков (Z1 и Z2)  примыкающих к ПК диску (Z2 ? ZПК»Z1), металлические диски действуют как добавочные массы и понижают собственную частоту системы дисков до значения fm, меньшего по сравнению с частотой ПК диска (f).

Представляется важным конструкционное исполнение скважинного прибора, РП которого была бы одновременно и РП модулей ИМК, из которых формируется скважинный прибор. Это исключило бы как потери интенсивности УЗ излучения на пути его распространения от РП модулей к РП скважинного прибора, так и применение дорогостоящих материалов.
На рисунке 5 приведены две конструкционные схемы скважинных приборов, построенные на основе короткостержневых ПЭ вибраторов (полуволновых вибраторов Ланжевена).
Первая схема представляет собой металлическую трубу 1 (см. рис. 5. а и б), в полости которой располагается короткостержневые модули ИМК 2, закрепленные на металлическом стержне 3. Полость трубы 1 заполняется, например, глицерином. Излучающий диск – 4 каждого модуля ИЖ может быть совмещен с излучающей поверхностью корпуса ИМК путем введения металлических окон (см. поз. 5 на рис. 5б).


Рис. 5. Схемы ГУК на основе
короткостержневых ИМК
а,) продольные сечения ГУК;
б, г) поперечные сечения ГУК

А –

 

Вторая схема скважинного прибора представляет собой полый параллепипед 1 (см. рис. 5в и г), габаритные размеры которого не выходят за пределы размеров трубы с внутренним диаметром 28 мм, как условно показано на рис. 5г, см. позицию 6. Для вписанного параллепипеда да во внешнюю границу трубы габаритного размера по диаметру 36 мм габаритный размер ГУК составит 36 мм, а для вписанного параллепипеда во внутреннюю границу такой трубы с диаметром 28 мм габаритный размер скважинного прибора также составит 28 мм, как показано на рис. 5в, г), где размеры короткостержневого модуля ИМК даны в мм. Короткостержневые модули ИМК закрепляются на внутренних поверх­ностях граней параллепипеда, причем излучающая часть его грани (РП ГЖ) является одновременно и излучающим диском вибратора (см. поз. 1 и 4 на рис. 5в).

Полость параллепипеда также заполняется жидкостной средой. Подвод переменного электрического напряжения может достигаться с помощью стержня 3 (см. рис. 5а) или шиной 3 (см. рис. 5,в)
Собственная частота модулей ИМК, составленных из трех дисков (Al, ПКР-8, Fe), размеры которых приведены на рис. 5, составляет  fc = 80?120 кГц, причем нижняя граница (вплоть до 65 кГц) соответствует короткостержневым модулям ИМК.

Выводы



Из сопоставления различных конструктивных схем ПМ и ПЭ вибраторов можно отдать предпочтение по простоте исполнения ПЭ вибраторам.
Для работы ПМ излучателя требуется введение дополнительного питания, поддерживающего на входе вибратора постоянный ток I0 что приводит к увеличению нагрева вибратора из-за джоулевых потерь пропорциональных квадрату тока и к дополнительным потерям на вихревых токах, которые пропорциональны (mfD)2, где   D -- толщина пластины МС сердечника.
Сравнительно небольшие МП, создаваемые соленоидом с током n(I0 +), могут привести к ограничениям необходимой длительности непрерывной работы ПМ излучателей из-за джоулевого тепловыделения в соленоиде, приводящего к перегреву вибратора (например, для Ni Тк = 358°С). МО металлы тлеющие высокие значения температуры Кюри, уступают Ni либо по МС  Dl/l  в рабочей точке (например, Fе  с Тк = 770°С), либо требуют многовитковые соленоиды для поддержания Но (например, Со, Тк = 1115°С), либо дорогостоящие (Pt, Fe - Pt), что может ограничить их использование: по выходной акустической мощности, габаритным размерам и из-за большой стоимости скважинного прибора.
Проведенный выбор ПК материалов стойких к электрическим и механическим воздействиям, имеющим высокие ПЭ модули и результаты расчетной оценки по сопоставлению интенсивностей при нормальном температурном режиме работы говорят о том, что ПЭ излучатели, построенные на основе выбранных материалов, могут иметь преимущества перед ПМ излучателями с сердечниками из МС материалов, так как последним характерен несогласованным режим работы (режим перегрузки). Тот факт, что имеется зависимость характеристик ПК материалов от температуры, а в диапазоне температурного изменения (-60...+85°С) наблюдается существенный относительный уход их собственной частоты на величину Df/f, то требуется проведение экспериментальных исследовании для получения информации о поведении основных характеристик выбранных ПК материалов и для установления диапазона возможной регулировки частоты. подаваемого на электроды ПЭ ИМК электрического напряжения.
Несмотря на кажущуюся простоту выполнения электродов, практическая их реализация и пригодность для излучения УЗ интенсивностью свыше 10 Вт/см2 может оказаться трудновыполнимой задачей, особенно при их расположении на внутренней поверхности ПЭ вибратора трубчатой формы, по геометрии наиболее отвечающей поставленным требованиям. Однако в настоящее время разработаны клеи на основе эпоксидных смол. Прочность клеевого шва может превышать прочность материала самого вибратора.

Библиографический список

    • Атаманов В.В.  Зилонов М.О. Жуйков Ю.Ф. «Экологическая безопасность и акустическое воздействие». Материалы Международной научно?практической конференции «Проблемы экологической безопасности и природопользования». – М., 2005. Вып. 6.
    • Кузнецов О.Л., Ефимова С.А. Применение ультразвука в нефтяной промышленности. – M.: Недра, 1983.
    •  Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. – M.: Химия, 1982.
    •  Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. – M.: Наука, 1988.
    •  Яффе Б., Чок В., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. – М.: Мир 1974.