供井下使用的可调声学发射器的制造方法
【专利摘要】可以通过使用调整模块改变背衬块的有效质量来调节示例换能器的谐振频率。所述调整模块包括作为电路串联连接的电源、开关和电磁线圈。所述电磁线圈机械地附接到所述背衬块并且设置在封装在套管内的磁流变流体的储层内。当闭合所述开关时，所述电源向所述电磁线圈施加电压和电流，并且感应所述磁流变流体内的局部磁场。响应于此局部磁场，所述磁流变流体的粘度增大，具有与粘弹性固体相当的性质，并且变成附连到所述电磁线圈。当所述电磁线圈机械地附接到所述背衬块时，固化的磁流变流体增大所述背衬块的有效质量。因此，改变所述换能器的谐振频率。
【专利说明】
供井下使用的可调声学发射器
技术领域
[0001]本发明涉及声学发射器，并且更具体来说，涉及用于井下应用的可调变频声学发 射器。
[0002] 背景
[0003] 井通常用于进入地面以下的区域并从这些区域获取材料。例如，井通常用于定位 和从地下位置提取烃类。井构造通常包括钻出井筒和在井筒内构造钻杆结构(通常称为"套 管"）。完成后，钻杆结构进入地下位置并且允许将材料运输到表面。
[0004] 在井构造之前、期间和之后，通常使用各种工具以监视井下环境的各种性质。例 如，地下测井系统可用于检查钻杆套管、周围的水泥支撑结构和/或周围的地下岩层。可将 这些系统独立地定位在井筒内、或可放置在钻柱上并且连同其它井下设备一起定位在井筒 内。
[0005] 为了向表面上的控制系统和操作者提供反馈，这些工具可将遥测数据传输到表面 进行分析。例如，可通过声传输装置来传输遥测数据。这样，需要改进型声学发射器以优化 遥测数据的传递。
[0006] 附图描述
[0007] 图IA是示例井系统的图。
[0008] 图IB是在缆线测井环境中包括NMR测井工具的示例井系统的图。
[0009] 图IC是在随钻测井(LWD)环境中包括NMR测井工具的示例井系统的图。
[0010] 图2是示例压电换能器的图。
[0011] 图3是换能器的示例物理模型的图。
[0012] 图4是钻柱的示例信道传递函数的曲线图。
[0013] 图5是压电换能器和示例调整模块的图。
[0014] 图6A是在不存在所施加磁场的情况下磁流变流体的图。
[0015] 图6B是在存在所施加磁场的情况下磁流变流体的图。
[0016] 图7是压电换能器和另一示例调整模块的图。
[0017] 图8是钻柱的示例信道传递函数的曲线图。
[0018] 各图中相同的参考符号表示相同的元件。
[0019] 详述
[0020]图IA是示例井系统IOOa的图。示例井系统IOOa包括测井系统108和地面106以下的 地下区域120。井系统可包括图IA中未示出的额外的或不同的特征。例如，井系统IOOa可包 括额外的钻井系统组件、缆线测井系统组件等。
[0021] 地下区域120可包括一个或多个地下岩层或区域的全部或一部分。图IA所示的示 例地下区域120包括多个次表层122和穿透通过次表层122的井筒104。次表层122可包括沉 淀层、岩石层、砂层或这些其它类型的次表层的组合。这些次表层中的一个或多个可以包括 流体诸如盐水、石油、天然气等。虽然图IA所示的示例井筒104为垂直井筒，但也可在其它井 筒取向上实现测井系统108。例如，测井系统108可适用于水平井筒、倾斜井筒、弯曲井筒、垂 直井筒或其组合。
[0022] 示例测井系统108包括测井工具102、表面设备112和计算子系统110。在图IA所示 的示例中，测井工具102为井下测井工具，该井下测井工具在设置在井筒104中时操作。图IA 所示的示例表面设备112在表面106处或上方(例如，井口 105附近)操作，以控制测井工具 102和可能井系统100的其它井下设备或其它组件。示例计算子系统110可从测井工具102接 收和分析测井数据。测井系统可包括额外的或不同的特征，并且测井系统的特征可如图IA 所示或以另一种方式布置和操作。
[0023] 在一些情况下，计算子系统110的全部或一部分可实现为表面设备112、测井工具 102或这两者的组件，也可与它们的一个或多个组件集成。在一些情况下，计算子系统110可 实现为与表面设备112和测井工具102分离的一个或多个离散的计算系统结构。
[0024] 在一些实现方式中，计算子系统110嵌入在测井工具102中，并且计算子系统110和 测井工具102可在设置在井筒104中时同时操作。例如，虽然计算子系统110在图IA所示的示 例中示为位于表面106上方，但计算子系统110的全部或一部分可驻留在表面106下方，例 如，位于测井工具102的位置处或附近。
[0025]井系统IOOa可包括通信或遥测设备，该通信或遥测设备允许在计算子系统110、测 井工具102与测井系统108的其它组件之间进行通信。例如，测井系统108的组件可以每个均 包括一个或多个收发机或用于在各组件之间进行有线或无线数据通信的类似设备。例如， 测井系统108可包括用于缆线遥测、有线钻杆遥测、泥浆脉冲遥测、声遥测、电磁遥测或这些 其它类型的遥测的组合的系统和设备。在一些情况下，测井工具102从计算子系统110或另 一源接收命令、状态信号或其它类型的信息。在一些情况下，计算子系统110从测井工具102 或另一源接收测井数据、状态信号或其它类型的信息。
[0026] 可结合井系统寿命各阶段的各种类型的井下操作来执行测井操作。表面设备112 和测井工具102的结构属性和组件可适用于各种类型的测井操作。例如，可在钻井操作期 间、在缆线测井操作期间或在其它情况下执行测井。这样，表面设备112和测井工具102可包 括钻井设备、缆线测井设备或用于其它类型的操作的其它设备，也可结合它们进行操作。
[0027] 在一些示例中，在缆线测井操作期间执行测井操作。图IB示出了在缆线测井环境 中包括测井工具102的示例井系统100b。在一些示例缆线测井操作中，表面设备112包括位 于表面106上方的装备有井架132的平台，该井架支撑延伸进入井筒104的电缆134。可在例 如从井筒104移除钻柱后执行缆线测井操作，以允许缆线测井工具102通过缆线或测井电缆 降低到井筒104中。
[0028] 在一些示例中，在钻井操作期间执行测井操作。图IC示出了在随钻测井(LWD)环境 中包括测井工具102的示例井系统100c。通常使用连接在一起的一系列钻杆来执行钻井以 形成钻柱140,该钻柱通过转台降低到井筒104中。在一些情况下，当钻柱140操作以钻出井 筒104从而穿透地下区域120时，位于表面106上的钻机142支撑钻柱140。钻柱140可以包括 例如方钻杆、钻杆、底部钻具组合件及其它组件。钻柱上的底部钻具组合件可包括钻环、钻 头、测井工具102及其它组件。测井工具可包括随钻测量(MffD)工具、LWD工具等。
[0029] 如例如图IB所示，测井工具102可通过连续油管、电缆或使该工具连接到表面控制 单元或表面设备112的其它组件的另一结构悬吊在井筒104中。在一些示例实现方式中，使 测井工具102降低到所感兴趣区域的底部并且随后向上拉动（例如，以基本恒定速度）穿过 该所感兴趣区域。如例如图IC所示，可将测井工具102在接合钻杆、硬连接钻杆或其它部署 硬件上部署在井筒104中。在一些示例实现方式中，测井工具102在其在钻井操作期间向下 移动穿过所感兴趣区域时，收集钻井操作期间的数据。在一些示例实现方式中，测井工具 102在钻柱140移动时，例如在该测井工具从井筒104下入或起出时，收集数据。
[0030] 在一些示例实现方式中，测井工具102在井筒104中的离散的测井点收集数据。例 如，测井工具102可递增地向上或向下移动到井筒104中的一系列深度处的每个测井点。在 每个测井点，测井工具102中的仪器对地下区域120执行测量。可将测量数据传送到计算子 系统110以存储、处理和分析。可在钻井操作期间（例如，在随钻测井(LWD)操作期间）、在缆 线测井操作期间或在其它类型的活动期间收集和分析这样的数据。
[0031] 计算子系统110可从测井工具102接收和分析测量数据以检测各次表层122的性 质。例如，计算子系统110可基于由井筒104中的测井工具102所获取的测量值来识别次表层 122的密度、材料含量或其它性质。
[0032]在一些实现方式中（例如，如图IA所不），井系统IOOa包括声学发射器模块130,该 声学发射器模块将遥测数据传输到声学接收器131，以便在测井工具102与表面设备112之 间提供无线通信能力。在一些实现方式中，声学发射器模块130可机械地耦接到井系统的在 测井工具102与表面设备131之间延伸的组件(例如，钻柱140(参看图1C))。为了传输遥测数 据，声学发射器130感应时间依赖性声能(例如，呈应力波或声脉冲的形式)到钻柱140上。这 些波或脉冲包括关于遥测数据的信息，并且通过钻柱向上传播到在那里由声学接收器131 检测这些信息的表面。这些遥测信号由表面设备112和计算子系统110进行解释。
[0033] 声学发射器模块130可包括电磁换能器，该电磁换能器将电磁能转变成平移运动。 例如，在一些实现方式中，声学发射器模块130包括换能器，该换能器能够在井下环境中通 常遇到的条件下(例如，高温诸如超过170°C的温度和高压诸如大于20,000PSI的压力）以所 需频率范围（例如，50至500kHz)和充分高的幅值提供声能。例如，声学发射器模块130可包 括压电换能器、电磁声换能器(EMT)、磁致伸缩换能器或另一种类型的换能器。
[0034] 在一些实现方式中，声学发射器模块130包括压电换能器200。在图2中示出示例压 电换能器200的示意性表示。换能器200包括压电叠堆202,该压电叠堆从第一端202a和第二 端202b轴向延伸出来。压电叠堆202被设置在支撑套筒204内，该支撑套筒包围压电叠堆202 的径向外围并使换能器200机械地耦接到钻柱140。压电叠堆202在机械地固定到近侧端部 202a的上螺母206与机械地固定到远侧端部202b的背衬块206之间轴向夹紧在支撑套筒204 内。在这种配置中，压电叠堆202轴向压缩在上螺母206与背衬块206之间。
[0035]在换能器200的操作期间，将电输入信号(例如，具有时间依赖性电压差的电信号） 施加到压电叠堆202。响应于所施加的信号，压电叠堆202通过在轴向方向上扩张或收缩来 作出反应。由于压电叠堆202轴向压缩在背衬块206上，因此压电叠堆202的扩张作为抗压应 力通过上螺母206传递到支撑套筒204。因此，响应于所施加的时间依赖性激励信号，换能器 200"激发"，并且感应被引导穿过支撑套筒204并进入钻柱140的时间依赖性声学信号。当压 电叠堆202根据所施加的输入信号收缩和扩张时，可通过调节输入信号的频率来调节所感 应声学信号的频率。因此，在一些实现方式中，换能器200可用于通过改变输入信号的频率 来感应频率范围。
[0036]背衬块206充当惯性元件，压电叠堆202可对该惯性元件作出反应或抵抗该惯性元 件"推动"。背衬块206的质量可能对换能器200的谐振行为具有可预测的影响。例如，在一些 实现方式中，可以使用物理模型300来表示背衬块206的质量与换能器200的谐振频率之间 的关系。参照图3,模型300包括具有弹簧常量k的弹簧302、具有阻尼系数C的阻尼器304和具 有质量M的块306,这些弹簧、阻尼器和块被布置在理想的质量弹簧阻尼器系统中。当通过模 型300来表示时，换能器200以一定频率谐振f，其中：
[0037]
[0038]并且其中M是背衬块206的质量，并且k和C独立于压电叠层202和支撑套筒204的物 理性质。因此，通过改变背衬块206的质量，M，可以调整换能器200的谐振频率。在一些实现 方式中，可将换能器200的谐振频率调整为与所感应声学信号的频率一致，以增大换能器 200的输出效率和/或增大引导到钻柱140中的声能的量。
[0039] 在一些实现方式中，钻柱140并不完全沿其长度传输声能，并且可以减弱由声学发 射器模块130在信号沿该钻柱的长度行进时所产生的声学信号。这种减弱行为可以是频率 依赖性的。例如，某些频率范围（即，"通带"）的声能可沿钻柱140的长度传播，而其它频率范 围（即，"阻带"）的声能由钻柱140减弱并且不能完全沿其长度传播。通带和阻带可通过信道 传递函数而在频域中可视化。参照图4,曲线图400示出了一系列输入频率f，和用于示例钻 柱的信道传递函数H(f)(即，描述了该频域中该系统的输入信号与输出信号之间的比例的 函数）。将通带表示为频域中的一系列峰402,同时将阻带表示为一系列间隙404。如曲线图 400所示，当声学发射器模块102在频带内传输声学信号时，与其在通带外部传输声学信号 的情况相比，该声学发射器具有较高的输出效率。同样，当声学发射器模块120的谐振频率 与所感应声学信号的通带和频率两者一致时，声学发射器模块102的输出频率可以进一步 增强。
[0040] 信道传递函数的形状可基于几个因素发生变化，这些因素包括钻柱的物理组成 (例如，钻柱及其组件的材料）、钻柱及其组件的物理尺寸和布置、周围环境的物理性质（例 如，周围环境的组成、环境温度等)及其它因素。因此，钻柱的通带和阻带的数量、高度、位置 和宽度可以根据特定实现方式或应用而不同。例如，在一些实现方式中，可能存在一个或多 个通带(例如，一个、两个、三个、四个、五个等）。在一些实现方式中，每个通带的高度均可不 同。例如，在一些实现方式中，通带高度可介于约1至IxlO 3之间、IxlO3至IxlO6之间等。在一 些实现方式中，这些通带可在频域中规则或不规则地间隔开。例如，信道传递函数可具有几 个规则间隔开的通带，所具有的中心为约225Hz、450Hz、675Hz、900Hz等。在一些实现方式 中，每个通带的宽度均可变化。例如，在一些实现方式中，每个通带均可具有约10-20他、20-30Hz、40-50Hz、60-70HZ等的宽度。
[0041] 另外，当钻柱通过地下岩层时，传递函数及其通带也可能由于动态变化的条件而 发生变化。例如，通带中心可以约I -IOHz、10-20HZ、20至IOOHz等发生偏移。在另一示例中， 通带数量可增加也可减少。在另一示例中，通带高度可增大也可减小（例如，增大或减小 10%、20%、30%、40%等）。传递函数的这些变化可以逐渐发生，或离散地发生，这根据变化 的条件的性质。
[0042] 因此，为了增大声学发射器模块130的效率，可将输入信号调整成使得换能器感应 钻柱通带内的声学信号。同样，可将换能器200调整成使得其谐振频率也在通带内，并且即 使当通带在动态条件下偏移时，也继续在通带内。
[0043]为了调整换能器200的谐振频率，可以调节背衬块206的质量直到换能器200的谐 振频率与钻柱的通带一致。例如，在一些实现方式中，可将背衬块206更换为具有不同质量 的背衬块，以改变换能器200的谐振行为。然而，在一些实现方式中，更换背衬块206可能很 难动态地完成。例如，在一些实现方式中，为了调节换能器200的谐振行为，必须从井筒104 中收回测井工具102、拆卸、使用新的背衬块重新组装、并且重新引入井筒104中。虽然可行， 但在一些情况下，这种程序可能是不切实际或不经济的。
[0044]参照图5,在一些实现方式中，可通过使用调整模块500改变背衬块206的有效质量 来调节换能器200的谐振频率。调整模块500包括作为电路串联连接的电源502、开关504和 电磁线圈506。电磁线圈508被机械地附接到背衬块206,并且设置在封装在套管510内的磁 流变流体508的储层内。
[0045] 磁流变(MR)流体为某种类型的"智能"流体，可通过外部磁场以受控方式改变所述 流体的机械性质。参照图6A至6B，MR流体可由悬浮在较低密度载体流体604中的含铁颗粒 602制成。参照图6A，在不存在磁场的情况下，MR流体具有低粘度，并且展现出流体材料典型 的连续变形性质。参照图6B，当遭受磁场时，含铁颗粒602在磁通量方向上形成链，并且导致 MR流体的表观粘度增大。当MR流体的磁通量密度充分高时，MR流体被认为呈激活（即，"接 通"）状态，并且具有与粘弹性固体相当的性质，一直到屈服点为止（即，剪切应力，超出该剪 切应力使发生剪切）。这种屈服应力依赖于施加到流体的磁场，一直到磁饱和点，此后磁通 量密度的增大不具有进一步的影响。因此，MR流体可使用所施加的外部磁场而在液体与粘 弹性准固态状态之间变化。
[0046] MR流体颗粒的示例包括铁基微米或纳米级的球体或椭圆体。载体流体的示例包括 水和各种类型的油(诸如烃油和硅油），其中加入了表面活性剂减轻磁颗粒的沉淀。例如，处 于40 %至50 %体积分数的铁基MR流体可具有约IOOkPa的屈服应力（例如，参看美国专利号 5,277,282 和号 5,284,330)。
[0047] 返回参照图5,当开关504关闭时，电源502向电磁线圈506施加电压V和电流I，并且 感应磁流变流体508内的局部磁场。响应于这个局部磁场，磁流变流体508的粘度增大，具有 与粘弹性固体相当的性质，并且附连到电磁线圈506。当电磁线圈506机械地附接到背衬块 206时，固化的磁流变流体508使得背衬块206的有效质量（即，耦接到压电叠堆204的质量） 增大。因此，换能器200的谐振频率发生改变。
[0048]当开关502打开时，电源502不再向电磁线圈506施加电压V和电流I，并且从磁流变 流体508除去局部磁场。因此，磁流变流体508的粘度减小，失去其粘弹性固体状性质，并且 从电磁线圈506释放出来。当电磁线圈506现在独立于磁流变流体508自由移位时，背衬块 206的有效质量减小。因此，换能器200的谐振频率恢复到其原始状态。
[0049] 因此，在一些实现方式中，通过激励电磁线圈，背衬块206的有效质量增大，并且换 能器200的谐振频率减小。相反，通过从电磁线圈除去所施加的电压和电流，背衬块206的有 效质量减小，并且换能器200的谐振频率增大。因此，在一些实现方式中，可通过从电磁线圈 506施加或除去电压V和电流I来使换能器200的谐振频率在两个不同的频率之间变化。
[0050] 磁流变流体508的磁场响应可以是连续的，而不是二元的。也就是说，当所施加的 电流连续增大时，磁流变流体中所感应的磁场也连续地增大，并且磁流变流体508的粘度也 可连续增大直到流体固化。在一些实现方式中，电源502是可调的，并且可用于连续地或离 散地调节磁流变流体508的粘度。在示例中，电源502可施加变化的电流，这导致磁流变流体 508的粘度在不同程度上增大，而不完全固化。粘度的这种增加可能使得电磁线圈506与磁 流变流体508之间的摩擦增大，并且可以阻碍电磁线圈506和压电叠堆202的运动。这种摩擦 可能具有与增大背衬块206的有效质量类似的效果，并且可用于影响换能器200的谐振频 率。因此，在一些实现方式中，通过增大施加到电磁线圈的电流，电磁线圈506与磁流变流体 508之间的摩擦增大，并且换能器200的谐振频率减小。相反，通过减小施加到电磁线圈的电 流，电磁线圈506与磁流变流体508之间的摩擦减小，并且换能器200的谐振频率增大。因此， 在一些实现方式中，可通过调节在两个或更多个电流之间所施加的电流来使换能器200的 谐振频率在两个或更多个离散的频率之间改变。在一些实现方式中，可通过调节在电流范 围内连续施加的电流来使换能器200的谐振频率在频率范围内以连续方式改变。
[0051]在一些实现方式中，调整模块可向电磁线圈的多个部分之一选择性地施加电流以 使背衬块的有效质量选择性地增大或减小。参照图7,在一些实现方式中，可通过使用调整 模块700改变背衬块206的有效质量来调节换能器200的谐振频率。调整模块700包括作为电 路串联连接的电源702、开关704和电磁线圈706。电磁线圈706被机械地附接到背衬块206， 并且设置在封装在套管710内的磁流变流体708的储层内。
[0052] 开关704可在几种不同状态之间切换以利用电磁线圈706的所选择部分来使电路 完整。例如，当开关704使电路点712和714a连接时，电源702向电磁线圈706的部分706a施加 电压V和电流I，并且感应磁流变流体的一部分708a( 即，磁流变流体708的位于部分706a内 的部分）内的局部磁场。响应于这个局部磁场，磁流变流体的该部分708a的粘度增大，具有 与粘弹性固体相当的性质，并且附连到电磁线圈706。当电磁线圈706机械地附接到背衬块 206时，固化的磁流变流体708使得背衬块206的有效质量（即，耦接到压电叠堆204的质量） 增大。因此，换能器200的谐振频率发生改变。
[0053]同样，当开关704使电路点712和714b连接时，电源702向电磁线圈706的部分706b 施加电压V和电流I，并且感应磁流变流体的较大部分708b( 即，磁流变流体508的位于部分 706b内的部分）内的局部磁场。电磁线圈706的激励部分的尺寸的这种增加使得背衬质量 206的有效质量增大，并且导致致动器200的谐振频率减小。
[0054]以类似方式，当开关704使电路点712和714c连接时，电源502向电磁线圈706的更 大部分706c施加电压V和电流I，并且感应磁流变流体的更大部分708c( 即，磁流变流体508 的位于部分706c内的部分）内的局部磁场。电磁线圈706的激励部分的尺寸的这种增加使得 背衬质量206的有效质量增大，并且导致致动器200的谐振频率进一步减小。
[0055] 并且当开关704使电路点712和714d连接时，电源502向电磁线圈706的最大部分 706d施加电压V和电流I，并且感应磁流变流体的最大部分708d( 即，磁流变流体508的位于 部分706d内的部分）内的局部磁场。电磁线圈706的激励部分的尺寸的这种增加使得背衬质 量206的有效质量进一步增大，并且导致致动器200的谐振频率进一步减小。
[0056]以此方式，开关704可用于向电磁线圈708的所选择部分施加电压和电流、选择性 地改变背衬块206的有效质量以及改变换能器200的谐振频率。
[0057]虽然图7示出了可从电磁线圈708的四个部分708a至708d中进行选择的调整模块 700,但在一些实现方式中，调整模块可从较少数量的部分(例如，两个或三个)或从大量部 分(例如，五个、六个、七个等）中进行选择。在一些实现方式中，电磁线圈708并未分成离散 部分，并且可向电磁线圈708的连续可变部分施加电压和电流。
[0058] 在一些实现方式中，例如如图7所示，部分708a至708d重叠。在一些实现方式中，部 分708a至708d在空间上部分或完全重叠，或在空间上彼此独立。
[0059] 在一些实现方式中，电源702也是可调的，并且可施加变化的电流以连续或离散地 调节磁流变流体708a至708d的各部分的粘度。
[0060] 在一些实现方式中，钻柱的不同部分可具有不同的信道传递特性。也就是说，钻柱 的第一长度可具有第一信道传递函数，并且钻柱的一个或多个其它长度可具有一个或多个 其它信道传递函数。由于这些变化的信道传递特性，在一些实现方式中，声能可能很难沿钻 柱的整个长度传播。例如，图8示出了具有两个长度的示例钻柱的曲线图800,每个长度均通 过不同的信道传递函数来表示。第一长度的信道传递函数(线802)和第二长度的信道传递 函数(线804)是不完全相同的，并且各自具有并不充分对齐的通带和阻带。因此，在一个长 度的通带内具有频率的声学信号可能不在另一长度的通带内。在一些实现方式中，声模块 200可被定位在钻柱的不同长度之间，并且可用作"中继器"以传播声学信号。例如，在示例 实现方式中，声模块200可包括声学接收器，该声学接收器检测在钻柱的第一长度上传播的 声学信号;信号处理模块，该信号处理模块将信号转变成具有在钻柱的相邻长度的通带内 的频率的信号;换能器200,该换能器感应转变成第二长度的声学信号。在一些实现方式中， 钻柱可具有超过两个不同的长度，并且超过一个换能器可用作中继器以沿钻柱的每个长度 传播信号。
[0061] 本发明的各方面可总结如下。
[0062] -般来说，一方面，用于生成声学信号的声学发射器包括致动器模块和耦接到该 致动器模块的调整模块。该调整模块包括电磁线圈、可变电源和磁性流变流体，其中可变电 源与电磁线圈电通信并且电磁线圈至少部分设置在磁流变流体中。布置声学发射器，使得 在操作期间，致动器模块将电信号转变成振动以生成声学信号，并且可变电源向电磁线圈 施加电流，使得致动器模块的谐振频率根据施加的电流而变化。
[0063] 该方面的实现方式可包括以下特征中的一个或多个：
[0064] 可以布置声学发射器，使得在操作期间，可变电源在可变尺寸的电磁线圈的一部 分上施加电流。
[0065] 声学信号的频率可以根据电磁线圈的一部分的尺寸和/或由施加的电流感应的磁 场的强度而变化。
[0066] 可以布置声学发射器，使得在操作期间，电磁线圈的一部分可从两个或更多个部 分中选择。该两个或更多个部分可以至少部分重叠。
[0067] 可以布置声学发射器，使得在操作期间，调整模块通过改变施加到电磁线圈的电 流来改变磁流变流体的粘度。
[0068] 可以布置声学发射器，使得在操作期间，发射器通过改变施加到电磁线圈的电流 来改变调整模块的有效质量。
[0069 ]致动器模块的谐振频率可相对于施加到电磁线圈的电流相反地变化。
[0070]电流施加到其的电磁线圈的一部分的尺寸可以是可变的并且声学信号的频率可 以相对于所述一部分的尺寸相反地变化。
[0071 ]致动器模块包括压电叠堆。压电叠堆可被封装在套筒中。
[0072] 致动器模块可包括磁致伸缩材料。
[0073] 井下测井工具可包括用于包括在钻柱中的测井模块。测井模块可包括如上所述的 声学发射器、声学接收器和控制模块。测井模块可被布置成使得在使用期间，控制模块通过 调整施加的电流来控制致动器模块的谐振频率，并且声学接收器检测声学信号。
[0074] 谐振频率可选自与钻柱的通带重叠的频率范围。
[0075] -般来说，另一方面，调节声学发射器的谐振频率的方法包括向声学发射器的致 动器施加电信号以生成声学信号；以及通过在声学发射器的电磁线圈上施加电流来选择声 学发射器的谐振频率，该电磁线圈至少部分设置在磁流变流体内。
[0076] 该方面的实现方式可包括以下特征中的一个或多个：
[0077] 该方法可包括通过调节施加的电流来调节声学发射器的谐振频率。
[0078] 可在电磁线圈的一部分上施加电流，并且该方法可包括通过调节电磁线圈的一部 分的尺寸来调节声学发射器的谐振频率。
[0079] 该方法可以包括通过从电磁线圈的两个或更多个部分中选择所述一部分来调节 声学发射器的谐振频率。
[0080 ]声学发射器的谐振频率可相对于电磁线圈的一部分的尺寸相反地变化。声学发射 器的谐振频率可相对于施加的电流相反地变化。
[0081] -般来说，另一方面，在井的两个组件之间通信的方法可以包括：向声学发射器的 致动器施加电信号以生成声学信号；以及通过在声学发射器的电磁线圈上施加电流来控制 声学发射器的谐振频率，该电磁线圈至少部分设置在磁流变流体内；将声学信号引导到井 结构中；以及通过检测沿该结构传播的声学信号来获得通信信号。
[0082] 该方法可以包括调节声学信号的谐振频率以使其与钻柱通带相对应。
[0083]已描述了多个实现方式。然而，应当理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况 下作出各种修改。
[0084]例如，虽然已在用于在钻柱中传递遥测数据的换能器的情况下描述了各种基于磁 流变流体的调整模块，但调整模块也可与用于在其它媒介中传递遥测数据的换能器一起使 用。例如，在一些实现方式中，基于磁流变流体的调整模块可用于调整换能器的谐振频率， 这些换能器用于在连续油管声遥测信道或压裂管柱遥测信道(例如，在水力压裂操作期间 所使用的管柱）中传输数据。
[0085] 在一些实现方式中，调整模块也可与除声遥测之外，用于其它功能的换能器一起 使用。例如，在一些实现方式中，基于磁流变流体的调整模块可用于调整超声波测井工具 (例如，用于缆线、钢丝绳、LWD和MffD应用的超声波测井工具）、地震检波器、扬声器、水听器、 声纳应答器及其它此类装置中所使用的换能器的谐振频率。
[0086] 另外，基于磁流变流体的调整模块也可用于调整各种类型的换能器的谐振频率， 并且并不限于压电换能器。例如，基于磁流变流体的调整模块可结合电磁声换能器、磁致伸 缩换能器或可通过调节其一个或多个组件的有效质量来调整的其它类型的换能器一起使 用。例如，在一些实现方式中，换能器可以包括磁致伸缩材料(例如，terfenol-D)，其中变化 的磁场感应磁致伸缩材料上的机械应变并且引起平移运动。磁流变流体可与该换能器一起 使用，以改变其一个或多个移动组件的有效质量，从而调整换能器的谐振频率。
[0087]因此，其它实施方案在随附权利要求的范围内。
【主权项】
1. 一种用于生成声学信号的声学发射器，其包括： 致动器模块；以及 耦接到所述致动器模块的调整模块，所述调整模块包括电磁线圈、可变电源和磁性流 变流体，其中所述可变电源与所述电磁线圈电通信并且所述电磁线圈至少部分设置在磁流 变流体中； 其中布置所述声学发射器，使得在操作期间，所述致动器模块将电信号转变成振动以 生成声学信号，并且所述可变电源向所述电磁线圈施加电流，使得所述致动器模块的谐振 频率根据施加的电流而变化。2. 如权利要求1所述的声学发射器，其中布置所述声学发射器，使得在操作期间，所述 可变电源在可变尺寸的所述电磁线圈的一部分上施加电流。3. 如权利要求2所述的声学发射器，其中所述声学信号的所述频率根据所述电磁线圈 的所述一部分的尺寸和/或由所述施加的电流感应的磁场的强度而变化。4. 如权利要求2所述的声学发射器，其中布置所述声学发射器，使得在操作期间，所述 电磁线圈的所述一部分可从两个或更多个部分中选择。5. 如权利要求4所述的声学发射器，其中所述两个或更多个部分至少部分重叠。6. 如权利要求1所述的声学发射器，其中布置所述声学发射器，使得在操作期间，所述 调整模块通过改变施加到所述电磁线圈的所述电流来改变所述磁流变流体的粘度。7. 如权利要求1所述的声学发射器，其中布置所述声学发射器，使得在操作期间，所述 发射器通过改变施加到电磁线圈的所述电流来改变所述调整模块的有效质量。8. 如权利要求1所述的声学发射器，其中所述致动器模块的所述谐振频率相对于施加 到所述电磁线圈的所述电流相反地变化。9. 如权利要求1所述的声学发射器，其中所述电流施加到其的所述电磁线圈的的一部 分的尺寸是可变的并且所述声学信号的所述频率相对于所述一部分的所述尺寸相反地变 化。10. 如权利要求1所述的声学发射器，其中所述致动器模块包括压电叠堆。11. 如权利要求10所述的声学发射器，其中所述压电叠堆被封装在套筒中。12. 如权利要求1所述的声学发射器，其中所述致动器模块包括磁致伸缩材料。13. -种井下测井工具，其包括： 用于包括在钻柱中的测井模块，所述测井模块包括： 如权利要求1至12中任一项所述的声学发射器； 声学接收器；以及 控制模块； 其中布置所述测井模块，使得在使用期间，所述控制模块通过调节所述施加的电流来 控制所述致动器模块的所述谐振频率，并且所述声学接收器检测所述声学信号。14. 如权利要求13所述的井下测井工具，其中所述谐振频率选自与钻柱的通带重叠的 频率范围。15. -种调节声学发射器的谐振频率的方法，所述方法包括： 向所述声学发射器的致动器施加电信号以生成声学信号；以及 通过在所述声学发射器的电磁线圈上施加电流来选择所述声学发射器的谐振频率，所 述电磁线圈至少部分设置在磁流变流体内。16. 如权利要求15所述的方法，其还包括通过调节所述施加的电流来调节所述声学发 射器的所述谐振频率。17. 如权利要求15所述的方法，其中在所述电磁线圈的一部分上施加所述电流，并且其 中所述方法还包括通过调节所述电磁线圈的所述一部分的尺寸来调节所述声学发射器的 所述谐振频率。18. 如权利要求17所述的方法，其还包括通过从所述电磁线圈的两个或更多个部分中 选择所述一部分来调节所述声学发射器的所述谐振频率。19. 如权利要求17所述的方法，其中所述声学发射器的所述谐振频率相对于所述电磁 线圈的所述一部分的所述尺寸相反地变化。20. 如权利要求15所述的方法，其中所述声学发射器的所述谐振频率相对于所述施加 的电流相反地变化。21. -种在井的两个组件之间通信的方法，所述方法包括： 向所述声学发射器的致动器施加电信号以生成声学信号； 通过在所述声学发射器的电磁线圈上施加电流来控制所述声学发射器的谐振频率，所 述电磁线圈至少部分设置在磁流变流体内； 将所述声学信号引导到所述井的结构中；以及 通过检测沿所述结构传播的声学信号来获得通信信号。22. 如权利要求21所述的方法，其还包括调节所述声学信号的谐振频率以对应于钻柱 的通带。
【文档编号】G01V1/40GK105849592SQ201380080970
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2013年12月17日
【发明人】高丽, V·V·沙阿
【申请人】哈利伯顿能源服务公司