DE602004001903T2

DE602004001903T2 - Piezoelektrischer und magnetostriktiver Hybrid-Aktor

Info

Publication number: DE602004001903T2
Application number: DE602004001903T
Authority: DE
Inventors: Michael L Carrollton Fripp; Roger L Aubrey Schultz
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: CA2463412C; EP1469161A2; US6998999B2; DE602004001903D1; EP1469161B1; CA2463412A1; US20040202047A1; EP1469161A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromechanische Wandler, und insbesondere auf die Kombination eines Wandlers mit einer kapazitiven Reaktanz und eines Wandlers mit einer induktiven Reaktanz in einem einzigen elektrischen Kreis.
Sowohl piezokeramische Geräte wie auch magnetostriktive Geräte sind als nützliche Solidstate-Aktuatoren oder elektromechanische Wandler bekannt, welche mechanische Bewegung produzieren, oder in Reaktion auf ein antreibendes elektrisches Signal erzwingen können. Diese Geräte werden zum Beispiel für das Erzeugen von Vibration, d.h. akustischen Wellen, als eine Vorrichtung für das Telemetrieren von Informationen in Rohren angewendet. Solche Wandler werden bei Bohrverfahren angewendet, um Informationen von Tieflochinstrumenten an Erdoberflächenempfänger zu senden. Die Tieflochinstrumente produzieren im allgemeinen eine elektrische Wellenform, welche den elektromechanischen Wandler antreibt. Der Wandler erzeugt akustische Wellen in einem Bohrgestänge, welche sich innerhalb des Bohrgestänges nach oben bewegen und an der Erdoberfläche aufgespürt werden. Die aufgespürten akustischen Signale werden mit Hilfe von elektromechanischen Wandlern wie zum Beispiel Beschleunigungsmessern oder solchen in elektrische Signale zurück verwandelt, welche grundsätzlich mit den Geräten identisch sein können, welche die Signale übertragen. Die aufgespürten elektrischen Signale werden entschlüsselt, um die von den Tieflochinstrumenten produzierten Informationen wieder herzustellen.
Der von dem Tieflochinstrument für das Antreiben der Signalwandler erhältliche Strom ist begrenzt, da diese normalerweise von Batterien gespeist werden. Es ist wichtig, dass das Antriebssignal innerhalb des Bohrgestänges wirkungsvoll in akustische Signale umgewandelt wird. US-A-503 1158 bietet für diesen Zweck entweder piezoelektrische oder magnetostriktive Wandler. Piezokeramische Wandler sind jedoch hoch kapazitiv. Auf ähnliche Weise sind magnetostriktive Wandler hoch induktiv. Diese reaktiven Eigenschaften reduzieren die Wandlungsleistung, d.h. die Fähigkeit des Telemtriesystems, elektrischen Strom in akustische Kraft umzuwandeln.
Die kapazitive Natur der piezokeramischen Wandler setzt ein Design des Antriebskreises voraus, welches kapazitive Lasten antreiben kann, oder die Anwendung eine Drosselspule mit dem Wandler, um die effektive Reaktanz zu reduzieren. Auf die gleiche Weise fordert die induktive Natur von magnetostriktiven Wandlern ein Design für Antriebskreise, welche induktive Lasten antreiben können, oder die Anwendung eines Kondensators mit dem Wandler, um die effektive Reaktanz zu reduzieren.
Es wäre deshalb wünschenswert, eine elektromechanischen Wandler bieten zu können, welcher eine wirkungsvollere Umwandlung von elektrischem Strom in akustische Signale erlaubt.
Die vorliegende Offenbarung bietet einen elektromechanischen Wandler, welcher die Kombination von sowohl einem Wandler mit kapazitiver Impedanz wie auch einen Wandler mit induktiver Impedanz umfasst, welche sowohl elektrisch wie auch mechanisch gekoppelt sind. Die elektrische Kopplung der Wandler liefert eine reduzierte Reaktanzlast für Kreise, welche den kombinierten Wandler antreiben, und steigert daher die elektrische Leistungsfähigkeit. Die mechanische Kopplung steigert die mechanische Gesamtausgabe des kombinierten Wandlers. Der Endeffekt ist eine verbesserte Wandlungsleistung.
Bei einer Ausführungsform sind ein kapazitiver Wandler und ein induktiver Wandler elektrisch und mechanisch in Reihe gekoppelt. Durch korrekte Auswahl der reaktiven Impedanzen verfügt der kombinierte Wandler bei einer gewählten Frequenz über eine niedrige Impedanz. Die mechanischen Ausgaben der Geräte verstärken sich gegenseitig, um eine gesteigerte akustische Reaktion zu liefern.
Bei einer anderen Ausführungsform, in welcher die mechanischen Ausgaben eines kapazitiven Wandlers und eines induktiven Wandlers außerhalb der Phase liegen, werden die Geräte an Punkten mit einem Signalübertragungsmedium gekoppelt, welche um einen Abstand getrennt voneinander angeordnet sind, welcher sich auf die Signalwellenlänge in dem Medium bezieht, um eine akustische Signalverstärkung zu liefern.
Bei einer Ausführungsform ist der kapazitive Wandler ein piezoelektrisches Gerät, und der induktive Wandler ist ein magnetostriktives Gerät.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird ein akustischer Telemetriewandler geboten, welcher umfasst: einen kapazitiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung und einer mechanischen Verbindung, und einen elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung, welche mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist und eine mechanische Verbindung aufweist, welche mit der mechanische Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Verbindung des induktiven elektromechanischen Wandlers in Reihe mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform hat der induktive elektromechanische Wandler einen Induktanzwert, und der kapazitive elektromechanische Wandler hat einen Kapazitätswert, und der Induktanzwert und der Kapazitätswert werden vorgewählt, so dass die kombinierte Impedanz der gekoppelten elektrischen Verbindungen des induktiven elektromechanischen Wandlers und des kapazitiven elektromechanischen Wandlers über ein Frequenzband nahe einer vorgewählten Frequenz eine reduzierte Reaktanz aufweisen.
Bei einer Ausführungsform haben die mechanischen Verbindungen des kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des induktiven elektromechanischen Wandlers eine mechanische Resonanzfrequenz, welche anders ist als die vorgewählte Frequenz, wobei das Frequenzband der reduzierten Reaktanz erweitert wird.
Bei einer Ausführungsform ist die kombinierte Impedanz bei der vorgewählten Frequenz grundsätzlich mit einem Widerstand versehen.
Bei einer Ausführungsform umfasst der kapazitive elektromechanische Wandler ein piezoelektrisches Material, vorzugsweise ein piezokeramisches Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst der induktive elektromechanische Wandler ein magnetostriktives Material.
Gemäß eines andere Aspektes der Erfindung wird hier ein elektromechanischer Wandler für die Anwendung in einem Bohrloch geboten, umfassend: einen kapazitiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung und einer mechanischen Verbindung, und einen induktiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung, welche mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist, und mit einer mechanischen Verbindung, welche mit der mechanischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Verbindung des induktiven elektromechanischen Wandlers in Reihe mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform hat der induktive elektromechanische Wandler einen Induktanzwert, und der kapazitive elektromechanische Wandler hat einen Kapazitätswert, und der Induktanzwert und der Kapazitätswert sind vorgewählt, so dass die kombinierte Impedanz der gekoppelten elektrischen Verbindungen des induktiven elektromechanischen Wandlers und des kapazitiven elektromechanischen Wandlers über ein Frequenzband nahe einer vorgewählten Frequenz eine reduzierte Reaktanz aufweist.
Bei einer Ausführungsform umfasst der kapazitive elektromechanische Wandler ein piezoelektrisches Material, vorzugsweise ein piezokeramisches Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst der induktive elektromechanische Wandler ein magnetostriktives Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst der kapazitive elektromechanische Wandler ein flexibles piezoelektrisches Gerät, welches mit der Oberfläche eines rohrförmigen, für die Anwendung in einem Bohrloch adaptierten Elements verbunden ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst der induktive elektromechanische Wandler einen Abschnitt eines rohrförmigen Elements, welcher für die Anwendung in einem Bohrloch adaptiert ist, und eine Spule, welche den Abschnitt des rohrförmigen Elements umgibt.
Bei einer Ausführungsform umfasst der Abschnitt des rohrförmigen Elements ein magnetostriktives Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst der Wandler weiter eine zylindrische Hülse, welche die genannte Spule umgibt, mit einem oberen Ende, welches über der Spule mit dem rohrförmigen Element gekoppelt ist, und mit einem unteren Ende, welches unter der Spule mit dem rohrförmigen Element gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Hülse dauerhaft magnetisiert.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Hülse ein magnetostriktives Material.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein elektromechanischer Wandler für die Anwendung in einem Bohrloch geboten, umfassend: einen Abschnitt eines rohrförmigen Elements, welcher für die Anwendung in einem Bohrloch adaptiert ist, eine Spule, welche den Abschnitt des rohrförmigen Elements umgibt, eine Hülse, welche die genannte Spule umgibt und mit dem rohrförmigen Element gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Hülse dauerhaft magnetisiert.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Hülse ein magnetostriktives Material.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein Bohrlochtelemetriesystem für das Übertragen von Signalen von einem ersten Standort in einem Bohrloch an einen zweiten Standort in dem Bohrloch geboten, umfassend: ein akustischen Übertragungsmedium, welches sich von dem ersten Standort bis an den zweiten Standort erstreckt, einen ersten kapazitiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung, und mit einer mechanischen Verbindung, welche mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist, und einen ersten induktiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung, welche mit der elektrischen Verbindung des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist, und mit einer mechanischen Verbindung, welche nahe des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform sind sowohl der erste induktive elektromechanische Wandler wie auch der erste kapazitive elektromechanische Wandler an dem zweiten Standort mit dem Übertragungsmedium gekoppelt und kooperieren miteinander, um Signale zu empfangen.
Bei einer Ausführungsform sind sowohl der erste induktive elektromechanische Wandler wie auch der erste kapazitive elektromechanische Wandler an dem ersten Standort mit dem Übertragungsmedium gekoppelt und kooperieren miteinander, um Signale zu übertragen.
Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Verbindung des ersten induktiven elektromechanischen Wandlers in Reihe mit der elektrischen Verbindung des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform ist die mechanische Verbindung des ersten induktiven elektromechanischen Wandlers mit der mechanischen Verbindung des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform ist die mechanische Verbindung des ersten induktiven elektromechanischen Wandlers außer Phase mit der mechanischen Verbindung des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers, und der erste induktive elektromechanische Wandler ist in einem Abstand getrennt von dem ersten kapazitiven elektromechanischen Wandler angeordnet, welcher sich auf den Phasenunterschied zwischen der mechanischen Verbindung des induktiven elektromechanischen Wandler und der mechanischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers bezieht.
Bei einer Ausführungsform umfasst der erste induktive elektromechanische Wandler ein magnetostriktives Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst der erste kapazitive elektromechanische Wandler ein piezoelektrisches Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst das piezoelektrische Material ein piezokeramisches Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Telemetriesystem weiter einen zweiten kapazitiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung und mit einer mechanischen Verbindung, welche an dem zweiten Standort mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist, und einen zweiten induktiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung, welche mit der elektrischen Verbindung des piezoelektrischen Geräts gekoppelt ist, und eine mechanische Verbindung, welche an dem zweiten Standort mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Telemetriesystem weiter einen Signalsender mit einer Ausgabe, welche mit den elektrischen Verbindungen des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des ersten induktiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist und auf diese Weise ein akustisches Signal durch das akustische Übertragungsmedium überträgt.
Bei einer Ausführungsform überträgt der Signalsender Signale auf einer oder mehreren Frequenzen, auf welchen die kombinierte Reaktanz des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des ersten induktiven elektromechanischen Wandlers reduziert wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Telemetriesystem weiter einen Signalempfänger mit einer Eingabe, welche mit den elektrischen Verbindungen des zweiten kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des zweiten induktiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist und auf diese Weise das akustische Signal von dem akustischen Übertragungsmedium empfängt.
Bei einer Ausführungsform umfasst das akustische Übertragungsmedium ein Bohrgestänge.
Bei einer Ausführungsform umfasst das akustische Übertragungsmedium ein Fördergestänge.
Bei einer Ausführungsform umfasst das akustische Übertragungsmedium eine Slickleitung oder eine Drahtleitung.
Bei einer Ausführungsform umfasst das akustische Übertragungsmedium Flüssigkeit in dem Bohrloch.
Bei einer Ausführungsform umfasst das akustische Übertragungsmedium Erdformationen, welche das Bohrloch umgeben.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein Bohrlochtelemetriesystem für das Übertragen von Signalen von einem ersten Standort in einem Bohrloch an einen zweiten Standort in dem Bohrloch geboten, umfassend: ein akustisches Übertragungsmedium, welches sich von dem ersten Standort bis an den zweiten Standort erstreckt, und zwei Wandlerpaare, von welchen ein jedes Paar einen ersten kapazitiven elektromechanischem Wandler mit einer elektrischen Verbindung und mit einer mechanischen Verbindung umfasst, welche an dem ersten Standort mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt sind, und einen ersten induktiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung, welche mit der elektrischen Verbindung des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist, und mit einer mechanischen Ausgabe, welche an dem ersten Standort mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein erstes der Wandlerpaare ein erstes Paar von induktiven elektromechanischen Wandlern, deren mechanische Verbindung an einem Standort, welcher von dem Standort, an welchem die mechanische Verbindung des ersten Paares von kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist, um einen Abstand, welcher sich auf eine erste Frequenz und den Phasenunterschied zwischen der mechanischen Verbindung des ersten Paares von kapazitiven elektromechanischen Wandlern und der mechanischen Verbindung des ersten Paares von kapazitiven elektromechanischen Wandlern bezieht, getrennt angeordnet ist, mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist, und ein zweites der Wandlerpaare umfasst ein zweites Paar von kapazitiven elektromechanischen Wandlern, deren mechanische Verbindung mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist, an einem Standort, welcher um einen Abstand, welcher sich auf eine zweite Frequenz und den Phasenunterschied zwischen der mechanischen Verbindung des zweiten Paares von induktiven elektromechanischen Wandlern und der mechanischen Verbindung des zweiten Paares von kapazitiven elektromechanischen Wandlern bezieht, von dem Standort getrennt angeordnet ist, an welchem die mechanische Verbindung des zweiten Paares von kapazitiven elektromechanischen Wandlern mit dem akustischen Übertragungsmedium gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Telemetriesystem weiter einen Telemetriesender mit einer ersten Ausgabe, welche mit den elektrischen Verbindungen des genannten ersten Paares von Wandlern gekoppelt ist, wobei die erste Ausgabe wahlweise ein elektrisches Signal mit der ersten Frequenz liefert, und mit einer zweiten Ausgabe, welche mit den elektrischen Verbindungen des genannten zweiten Paares von Wandlern gekoppelt ist, wobei die erste Ausgabe wahlweise ein elektrisches Signal mit der zweiten Frequenz liefert.
Bei einer Ausführungsform umfassen das erste Paar von induktiven elektromechanischen Wandlern und das zweite Paar von induktiven elektromechanischen Wandlern den gleichen induktiven elektromechanischen Wandler.
Bei einer Ausführungsform umfassen das erste Paar von kapazitiven elektromechanischen Wandlern und das zweite Paar von kapazitiven elektromechanischen Wandlern den gleichen kapazitiven elektromechanischen Wandler.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein jeder der kapazitiven elektromechanischen Wandler ein piezoelektrisches Material, vorzugsweise ein piezokeramisches Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein jeder der induktiven elektromechanischen Wandler ein magnetostriktives Material.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein Gerät für das Produzieren von akustischen Wellen in einer Flüssigkeit in einem Bohrloch geboten, umfassend: eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer mit wenigstens einer Öffnung, einen in der Kammer bewegbaren Kolben für das Bewegen von Flüssigkeit durch die Öffnung, ein Aktuator, welcher mit dem Kolben gekoppelt ist, wobei der Aktuator einen kapazitiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung und einer mechanischen Verbindung umfasst, welche mit dem Kolben gekoppelt sind, und einen induktiven elektromechanischen Wandler mit einer elektrischen Verbindung, welche mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist und eine mechanische Verbindung umfasst, welche mit dem Kolben gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform ist die elektrische Verbindung des induktiven elektromechanischen Wandlers in Reihe mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt.
Bei einer Ausführungsform hat der induktive elektromechanische Wandler einen Induktanzwert, und der kapazitive elektromechanische Wandler hat einen Kapazitätswert, und der Induktanzwert und der Kapazitätswert werden vorgewählt, so dass die kombinierte Impedanz der gekoppelten elektrischen Verbindungen des induktiven elektromechanischen Wandlers und des kapazitiven elektromechanischen Wandlers über ein Frequenzband nahe einer vorgewählten Frequenz eine reduzierte Reaktanz aufweist.
Bei einer Ausführungsform haben die mechanischen Verbindungen des kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des induktiven elektromechanischen Wandlers eine mechanische Resonanzfrequenz, welche anders ist als die vorgewählte Frequenz, wobei das Frequenzband erweitert wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst der kapazitive elektromechanische Wandler ein piezoelektrisches Material, vorzugsweise ein piezokeramisches Material.
Bei einer Ausführungsform umfasst der induktive elektromechanische Wandler ein magnetostriktives Material.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein Verfahren für das Umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Energie in einer Struktur in einem Bohrloch geboten, umfassend: das mechanische Koppeln eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers und eines induktiven elektromechanischen Wandlers mit einer Struktur in einem Bohrloch, das Koppeln einer elektrischen Ausgabe des kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einer elektrischen Ausgabe des induktiven elektromechanischen Wandlers, um einen einzigen Kreis zu formen, und das Koppeln von elektrischer Energie mit dem einzigen Kreis, um gleichzeitig mit dem kapazitiven elektromechanischen Wandler und dem induktiven elektromechanischen Wandler mechanische Energie auf die Struktur aufzuerlegen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter das Koppeln der elektrischen Ausgabe des kapazitiven elektromechanischen Wandlers in Reihe mit der elektrischen Ausgabe des induktiven elektromechanischen Wandlers.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter das Koppeln von elektrischer Energie mit dem einzigen Kreis auf einer Frequenz, auf welcher die Reaktanz des genannten einzigen Kreises wesentlich reduziert wird.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein Verfahren für das Telemetrieren von elektrischen Signalen als akustische Wellen geboten, umfassend: das mechanische Koppeln eines ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einem ersten induktiven elektromechanischen Wandler, das Koppeln einer elektrischen Eingabe des kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einer elektrischen Eingabe des induktiven elektromechanischen Wandlers, um einen ersten Kreis zu formen, und das Koppeln eines elektrischen Signals mit dem ersten Kreis, um akustische Wellen sowohl von dem kapazitiven elektromechanischen Wandler wie auch dem induktiven elektromechanischen Wandler zu produzieren.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter das mechanische Koppeln des ersten kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des ersten induktiven elektromechanischen Wandlers mit einem akustischen Übertragungsmedium an einem ersten Standort, wobei die genannten akustischen Wellen sich durch das Medium hindurch bewegen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter: das mechanische Koppeln eines zweiten kapazitiven elektromechanischen Wandlers und eines zweiten induktiven elektromechanischen Wandlers mit dem akustischen Übertragungsmedium an einem zweiten Standort, und das Koppeln einer elektrischen Ausgabe des kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einer elektrischen Ausgabe des induktiven elektromechanischen Wandlers, um einen zweiten Kreis zu formen, wobei das genannte elektrische Signal in dem genannte zweiten Kreis aufgespürt wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter das Aufspüren von akustischem Geräusch in dem Übertragungsmedium, und das Koppeln eines Geräuschunterdrückungssignals mit dem ersten Kreis, um akustische Wellen zu produzieren, welche das akustische Geräusch wenigstens zum Teil unterdrücken.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein Verfahren für das Umwandeln von mechanischer Energie in elektrische Energie in einem Bohrloch geboten, umfassend: das mechanische Koppeln einer mechanischen Verbindung eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einer mechanischen Verbindung eines induktiven elektromechanischen Wandlers in einem Bohrloch, das Koppeln einer elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einer elektrischen Verbindung des induktiven elektromechanischen Wandlers, um einen einzigen Kreis zu formen, und das Auferlegen von mechanischer Energie auf die mechanischen Verbindungen des kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des induktiven elektromechanischen Wandlers, wobei in dem einzigen Kreis elektrische Energie produziert wird.
Gemäß eines anderen Aspektes der Erfindung wird hier ein Verfahren für das Übertragen von Signalen von einem ersten Standort in einem Bohrloch an einen zweiten Standort in einem Bohrloch geboten, umfassend das Koppeln der mechanischen Verbindung eines ersten kapazitiven elektromechanischem Wandlers mit einem akustischen Medium an einem ersten Punkt nahe des genannten ersten Standorts, das Koppeln der mechanischen Verbindung eines ersten induktiven elektromechanischen Wandlers mit dem akustischen Medium an einem zweiten Punkt nahe des genannten ersten Standorts, wobei der zweite Punkt von dem ersten Punkt um einen Abstand getrennt angeordnet ist, welcher sich auf eine erste Frequenz und den Phasenunterschied zwischen akustischen Signalen bezieht, welche an den mechanischen Verbindungen der genannten ersten kapazitiven und induktiven Wandler produziert werden, und das Koppeln der elektrischen Verbindungen der ersten kapazitiven und induktiven Wandler miteinander, um einen ersten Kreis zu formen, und das Koppeln der mechanischen Verbindung eines zweiten kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einem akustischen Medium an einem dritten Punkt des genannten ersten Standorts, und das Koppeln der mechanischen Verbindung eines zweiten induktiven elektromechanischen Wandlers mit dem akustischen Medium an einem vierten Punkt nahe des genannten ersten Standorts, wobei der vierte Punkt um einen Abstand getrennt von dem dritten Punkt angeordnet ist, welcher sich auf eine zweite Frequenz und den Phasenunterschied zwischen akustischen Signalen bezieht, welche an den mechanischen Verbindungen der genannten zweiten kapazitiven und induktiven Wandler produziert werden, und das Koppeln der elektrischen Verbindungen der zweiten kapazitiven und induktiven Wandler miteinander, um einen zweiten Kreis zu formen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter das Koppeln von elektrischen Signalen mit dem genannten ersten Kreis ungefähr auf der genannten ersten Frequenz, und das Koppeln von elektrischen Signalen mit dem genannten zweiten Kreis ungefähr auf der genannten zweiten Frequenz.
Wir beziehen uns nun auf die beiliegenden Zeichnungen, wobei:
1 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines rohrförmigen Signalübertragungsmediums mit einem Paar von kombinierten piezoelektrischen und magnetostriktiven elektromechanischen Wandlern gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 einen elektrischen Schaltplan der Verbindung des Wandlers aus 1 mit einer Quelle eines elektrischen Signals darstellt;
3 eine Kurve der Wandlungsleistung im Vergleich mit der Frequenz für die kombinierten Wandler aus 1 darstellt;
4 eine Teilquerschnittsansicht einer anderen Ausführungsform eines Paares von elektromechanischen Wandlern darstellt, welche gemäß der vorliegenden Offenbarung kombiniert wurden;
5 eine explodierte Ansicht eines flexiblen piezoelektrischen Wandlers darstellt, welcher für die Anwendung in der Ausführungsform von 4 geeignet ist.
6 eine Illustration der Platzierung einer Vielzahl von piezoelektrischen und magnetostriktiven Wandlern an einem Signalübertragungsmedium für das Liefern einer Signalverstärkung auf zwei verschiedenen Frequenzen darstellt;
7, 8, und 9 verschiedene Ausführungsformen einer dipolaren akustischen Quelle für das Bohrloch-Logging mit Hilfe von Hybrid-Wandlern gemäß der vorliegenden Erfindung illustrieren.
Zu Zwecken der Veranschaulichung dieser Offenbarung kann ein elektromechanischer Wandler oder ein Aktuator ein beliebiges Gerät sein, welches mittels einer elektrischen Eingabe angetrieben werden kann, und welches eine mechanische Ausgabe in der Form einer Kraft oder Bewegung liefert. Viele elektromechanische Wandler reagieren auch auf eine mechanische Eingabe, im allgemeinen eine Kraft, indem sie eine elektrische Ausgabe erzeugen. Zu Zwecken der vorliegenden Offenbarung wird vorausgesetzt, dass jeder Wandler eine elektrische Verbindung und eine mechanische Verbindung umfasst. Es wird weiter vorausgesetzt, dass jede Verbindung eine Eingabe oder Ausgabe, oder beides repräsentiert, wobei davon abhängen wird, ob der Wandler zu dem jeweiligen Zeitpunkt dazu angewendet wird, elektrische Energie in Kraft oder Bewegung, oder Kraft oder Bewegung in elektrische Energie umzuwandeln.
Viele elektromechanische Wandler haben an ihrer elektrischen Verbindung eine reaktive Impedanz und können in ihrer Natur entweder kapazitiv oder induktiv sein. Kapazitive Wandler werden im allgemeinen von einem elektrischen Feld angetrieben, normalerweise durch Auferlegen einer Spannung über eine elektrische Verbindung, welche aus einem Paar von Elektroden besteht, und ändern ihre Form in Reaktion auf das auferlegte Feld. Kapazitive elektromechanische Wandler können aus verschiedenen Materialen gefertigt werden, welche piezoelektrische Materiale einschließlich piezokeramischer, PZT- (Blei-Zirconat-Titanat), Piezopolymer-, und Quartzmateriale sein können, oder welche Elektrostriktions-, ferroelektrische, relaxionsferroelektrische, elektroaktive Polymer-, formbeibehaltende Keramik-, elektrostatische Aktuatormateriale usw. sein können. Diese Materiale reagieren normalerweise auf mechanische Kraft oder Bewegung, welche durch Erzeugen eines elektrischen Feldes, welches an deren elektrischer Verbindung eine Spannung erzeugt produziert, auf deren mechanische Verbindungen auferlegt wird.
Elektromechanische Wandler mit einer induktiven elektrischen Reaktion weisen normalerweise eine elektrische Verbindung auf, welche Drahtspulen umfasst, um ein magnetisches Feld zu erzeugen oder aufzuspüren. Eine Klasse von induktiven Wandlern besteht aus einem magnetostriktiven Gerät oder Magnetostriktor, in welchem durch Auferlegen einer Spannung auf eine Spule ein magnetisches Feld erzeugt wird, welches die Form eines magnetostriktiven Kerns ändert. Verschiedene Materiale wie zum Beispiel Eisen und Eisenlegierungen wie Terfenol liefern magnetostriktive und gigantische magnetostriktive Reaktionen. Diese Materiale reagieren normalerweise auf eine Kraft, welche durch Erzeugen eines magnetischen Feldes, welches von der Spule aufgespürt werden kann, auf deren mechanische Verbindung auferlegt wird. Eine weitere Klasse von induktiven elektromechanischen Wandlern besteht aus einer Sprachspule wie zum Beispiel einem herkömmlichen Kraft-Shaker.
1 zeigt eine Illustration einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, welche für die Telemetrie von Signalen in einem Bohrloch nützlich ist. Eine Länge von Rohr 10 kann einen Teil eines Bohrgestänges in einem Bohrloch repräsentieren. In einem Bohrumfeld dient dieses Rohr 10 mehreren Zwecken. Es kann Drehkräfte an eine Bohrkrone am Ende des Bohrgestänges übertragen und funktioniert normalerweise als ein Schutzrohr für das Einführen von Bohrschlamm in das Bohrloch bis an die Bohrkrone hinunter. Bei dieser Ausführungsform liefert dasselbe auch ein akustisches Signalübertragungsmedium für das Senden von Informationen von Sensoren oder Detektoren in dem Bohrloch an Geräte an der Erdoberfläche des Bohrlochs. Ein Paar von elektromechanischen Wandlern 12 hat mechanische Verbindungen, welche durch obere und untere Ansätze 14 und 16 mit dem Rohr 10 gekoppelt sind, wobei diese an dem Rohr 10 befestigt sind. Jeder Wandler 12 umfasst einen kapazitiven elektromechanischen Wandler 18 und einen induktiven elektromechanischen Wandler 20 mit mechanischen Verbindungen, welche zwischen den Ansätzen 14, 16 in Reihe gekoppelt oder übereinander gestapelt sind. Von den Geräten 18 und 20 erzeugte mechanische Kräfte werden kombiniert und sind durch die Ansätze 14, 16 mit dem Rohr 10 gekoppelt. Wenn die Wandler 12 mit einem vibrierenden elektrischen Signal angetrieben werden, induzieren dieselben ein korrespondierendes axiales Kompressionssignal in dem Rohr 10. Es ist wünschenswert, zwei Wandler 12 wie hier illustriert voneinander getrennt auf gegenüber liegenden Seiten des Rohrs 10 zu haben, welche mit dem gleichen elektrischen Signal angetrieben werden, um ein Auferlegen von Biegekräften auf das Rohr 10 zu verhindern.
Ein oder mehrere zusätzliche Sätze von Wandlern 12 können an einem Bohrgestänge positioniert werden, von welchem das Rohr 10 einen Teil darstellt. Ein Satz an oder nahe des Erdoberflächestandorts des Bohrlochs kann die durch die mechanischen Verbindungen übertragenen axialen Kompressionssignale aufspüren und ein korrespondierendes elektrisches Signal an dessen elektrischen Verbindungen erzeugen. Das elektrische Signal kann mit einem Decoder gekoppelt werden, welcher Signale empfängt, welche von dem Tieflochstandort gesendet werden. Ein oder mehrere Sätze zwischen einem Tieflochstandort und dem Erdoberflächenstandort können einen Teil eines Verstärkers darstellen, welcher in tiefen Bohrlöchern notwendig sein kann. Ein Verstärker kann einen Satz von Wandlern 12 für das Empfangen von Signalen von tiefer in dem Bohrloch umfassen, und einen zweiten Satz für das Weiterleiten der Signale in Richtung des Erdoberflächenstandorts. Da die Wandler 12 sowohl als Sender wie auch als Empfänger oder Sensoren funktionieren kann ein einziger Satz für beide Funktionen in einem Verstärker angewendet werden.
Obwohl das akustische Signalübertragungsmedium bei der Ausführungsform in 1 aus einem Bohrgestänge besteht, können auch andere gewöhnlich in einem Bohrloch angewendete Elemente als ein akustischen Übertragungsmedium verwendet werden. So können zum Beispiel verschiedene andere rohrförmige Produkte als eine Komplettierungskette, Förderkette, oder Service-Kette angewendet werden und als ein Signalmedium dienen. Diese Elemente können in der Form von zusammengesetzten Rohren oder ununterbrochenen Rohren, welche oft auch als Spulenrohre beschrieben werden, angewendet werden. Andere geeignete Signalübertragungsmedien schliessen Slickleitungen, Drahtleitungen, elektrische Leitungen, und ähnliche ein. Akustische Signale können auch durch Flüssigkeit in dem Bohrloch oder durch Erdformationen übertragen werden, welche das Bohrloch umgeben.
Der kapazitive elektromechanische Wandler 18 ist hier als ein Zylinder illustriert, und ist bei einer Ausführungsform aus einem piezokeramischen Material gefertigt, kann aber alternativ auch aus anderen Materialen oder in anderen Formen gefertigt werden, welche eine oben beschriebene kapazitive Wandlerreaktion liefern. Bei dieser Ausführungsform ist der Wandler 18 aus einer Anzahl von piezokeramischen Schieben gefertigt, welche miteinander verbunden sind und die Zylinderform bilden. Zwischen einem jeden Paar von Scheiben befindet sich eine elektrisch leitende Lage oder Elektrode, welche das Auferlegen von elektrischen Feldern auf die Scheiben erlaubt. Abwechselnde Elektroden sind elektrisch parallel gekoppelt, um die elektrische Verbindung des Wandlers 18 zu formen. Die Polaritäten dieser abwechselnden Scheiben sind umgekehrt, so dass bei Auferlegen einer Spannung zwischen aufeinander folgenden Elektroden jede Scheibe ihre Form ändert und der gesamte Stapel seine Form um die Summe der Änderungen in jeder Scheibe ändert. Die Enden des zylindrischen Stapels von Scheiben formen die mechanische Verbindung des Wandlers 18. Diese Konstruktion eines piezoelektrischen Wandlers ist herkömmlich.
Der induktive elektromechanische Wandler 20 kann auch aus einer herkömmlichen Konstruktion bestehen. Bei dieser Ausführungsform umfasst derselbe einen magnetostriktiven Stab 22, welcher von einer Drahtspule 24 umgeben ist. Die Drahtspule formt die elektrische Verbindung des Wandlers 20. Der Stab 22 kann aus Eisen oder einer Eisenlegierung mit Terbium und Dysprosium, d.h. Terfenol oder einem anderen Material gefertigt werden, welche für seine magnetostriktiven oder gigantischen magnetostriktiven Eigenschaften wie zum Beispiel die oben aufgeführten bekannt ist. Die Enden des Stabs 22 formen die mechanische Verbindung des Wandlers 20. Obwohl dies in 1 nicht dargestellt ist, ist es bei einigen Ausführungsformen wünschenswert, ein vormagnetisierendes Feld für den Stab 22 bereitzustellen. Dies kann durch Einschliessen des Geräts 20 in einen Zylinder oder eine Hülse geschehen, welche(r) dauerhaft magnetisiert wurde. Eine vormagnetisierte Hülse ist in 4 dargestellt.
2 illustriert eine Ausführungsform eines Kreises für die elektrische Verbindung des kapazitiven Wandlers 18, welcher hier als ein Kondensator dargestellt ist, und die elektrische Verbindung des induktiven Wandlers 20, welcher hier als eine Drosselspule dargestellt ist, und eine Quelle eines elektrischen Signals 26. Das schematische Diagramm zeigt außerdem einen Widerstand 28, welcher einen inhärenten Widerstand in den verschiedenen Komponenten und Leitern repräsentiert. Alternativ könnte der Widerstand 28 einen getrennten Widerstand umfassen, welcher so ausgewählt wird, dass derselbe zu der Impedanz einer Stromquelle paßt, oder er kann einen mit einem Widerstand versehenen elektromechanischen Wandler wie zum Beispiel ein formbeibehaltendes Legierungsgerät umfassen, welches mechanisch mit den Wandlern 18 und 20 gekoppelt ist. Alle dieser Komponenten 18, 20, 26 und 28 sind elektrisch in Reihe verbunden. Die elektrische Quelle 26 kann der Ausgabesignaltreiber eines Tieflochinstrumentpakets sein, d.h. ein Paket für das Logging während des Bohrens, welche in das Bohrgestänge eingebaut ist. Solche Pakete produzieren im allgemeinen Informationen in Digitalform, welche zu einem Zweifrequenz- oder Doppeltonsignal codiert werden können, welches eine Eins, und das andere eine Null repräsentiert. Die Signalquelle 26 treibt die Geräte 18 und 20 mit diesen Tönen, um akustische Wellen für das übertragen an einen anderen Standort des Bohrlochs auf diesen Frequenzen auf das Bohrgstänge 10 aufzuerlegen, wo die Töne von ähnlichen Wandlern empfangen und zu einem digitalen Signal entschlüsselt werden können. Der andere Bohrlochstandort kann sich an der Erdoberfläche des Bohrlochs oder an einem Zwischenstandort befinden, wo ein Verstärker das Signal empfangen und weiterleiten kann.
Unter Bezugnahme auf 3 wird hier der Effekt der Reihenverbindung der Geräte 18, 20 illustriert. 3 verfolgt die Wandlungsleistung des Kreises von 2 im Vergleich mit der Frequenz. Für dieses Beispiel wird die Kapazität des Wandlers 18 als 1,3e-3 Farad ausgewählt, und die Induktanz des Wandlers 20 wird als 0,07 Henry ausgewählt, und der Widerstand 28 ist 46 Ohm. Die Frequenzskala wird in Radian pro Sekunde dargestellt. Mit diesen Werten zeigt die Kurve die Leistung von 100% bei einer Frequenz von 100. Bei dieser Frequenz balanciert die Reaktanz des Kondensators 18 die Reaktanz der Drosselspule 20 genaustens aus, so dass die kombinierte Reaktanz als Null erscheint, und die Impedanz rein resistiv ist, d.h. Strom und Spannung sind in Phase. Wie jedoch oben schon erwähnt wurde sind normalerweise zwei Frequenzen für das Übertragen eines Signals erforderlich. Bei dieser Ausführungsform können die Übertragungsfrequenzen als 30 und 300 ausgewählt werden, und die Wandlungsleistung bei beiden Frequenzen wird ungefähr 93% betragen. So neigt der Frequenzbereich der wirkungsvollen Wandlungsleistung dazu, breit genug zu sein, um eine Auswahl von gut getrennten Doppeltonfrequenzen mit hoher Wandlungsleistung zu ermöglichen.
Die Kurve in 3 ist auf nur auf die Impedanzen der Wandler 18 und 20 basiert. Die Systemreaktion eines Wandlers ist komplizierter, da sie auch von der mechanischen Resonanz des Wandlers und den mechanischen Elementen beeinflußt wird, mit welchen sie verbunden ist. Um die höchste Wandlungsleistung zu erreichen, was ein typisches Ziel darstellt, sollte die mechanische Resonanz sich auf der gleichen Frequenz befinden wie die elektrische Resonanz. In diesem Fall ist 3 eine gute Repräsentation der Systemreaktion.
In manchen Fällen wird es jedoch wünschenswert sein, über ein breiteres Frequenzband hinweg eine gute Wandlungsleistung zu erzielen. Einige der unten aufgeführten alternativen Codierungsverfahren werden zum Beispiel mit einer breiteren Systemfrequenzreaktion besser funktionieren. Die Frequenzreaktion des Systems kann durch ein absichtliches Einstellen des elektrischen Resonanzpunktes auf einer anderen Frequenz als derjenigen der mechanischen Systemresonanz verbreitert werden. Im allgemeinen ist es einfacher, die elektrische Resonanz einzustellen als die mechanische. Wenn das in 3 dargestellte elektrische System zum Beispiel mit einem mechanischen System mit einer Resonanz von ungefähr 900 Hz kombiniert wird, wird das kombinierte System eine relativ flache Systemfrequenzreaktion von ungefähr 30 Hz bis ungefähr 930 Hz aufweisen. Es ist normalerweise ein Kompromiß zwischen Spitzenreaktion und Breite der Frequenzreaktion erforderlich. Dies bedeutet, dass man erwarten kann, dass die Spitzenreaktion dieses Systems mit einer 900 Hz Breite niedriger sein wird als die des Systems von 3 mit einer ziemlich flachen Reaktion von nur ungefähr 300 Hz.
Die Systemfrequenzreaktion kann daher auch durch das Hinzufügen von elektrischen Widerständen wie zum Beispiel dem Widerstand 28 aus 2 zu dem Kreis, oder durch das Hinzufügen von mechanischen Dämpfern zu dem System erweitert werden. Von diesen Verfahren für das Abflachen der Frequenzreaktion kann daher erwartet werden, dass dieselben die Spitzensystemreaktion reduzieren.
Obwohl bei diesem Beispiel Doppeltoncodierung angewendet wird, können wenn erwünscht andere Codierungspläne angewendet werden. So könnte das Codieren zum Beispiel mit Hilfe der Amplitudenmodulierung einer einzigen Trägerfrequenz durchgeführt werden. Das Codieren könnte aus einem diskreten Mehrtoncodieren bestehen, wobei die Informationen über eine Vielzahl von einzelnen Frequenzen geführt werden, welche versichern würden, dass die Trägerfrequenz nicht mit einem Stoppband des Systems korrespondiert. Das Codieren könnte aus einer der Formen bestehen, welche innerhalb der Telekommunikationsindustrie angewendet werden und QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation), VDSL (Very High Bit Rate Digital Subscriber Leitung), ADSL (Asymmetrische Digitale Subscriber Leitung), CDMA (Code Division Multiple Access) usw. einschliessen.
4 illustriert eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Ein Abschnitt des Rohrs 34 kann einen Teil eines Bohrgestänges, einer Arbeitskette usw. wie oben beschrieben repräsentieren. Ein magnetostriktiver Wandler 36 und ein piezoelektrischer Wandler 38 werden hier als an dem Rohr 34 befestigt, oder grundsätzlich in dasselbe integriert dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform ist ein induktiver Rohrwandler 36 hauptsächlich aus einer elektrischen Spule 40 geformt, welche um das Rohr 34 gewickelt ist. Das Rohr 34 selber kann die Rolle eines magnetostriktiven Elements übernehmen, welches in Reaktion auf Strom in der Spule 40 eine mechanische Bewegung liefert. Eine äußere Hülse 52 ist um die Spule 40 herum positioniert und an dessen oberem Ende 44 über der Spule 40, und an dessen unterem Ende 46 unter der Spule 40 mit der Außenoberfläche des Rohrs 34 gekoppelt. Der Körper der Hülse 42 ist vorzugsweise dauerhaft magnetisiert, um ein vormagnetisierten Feld für den Abschnitt des Rohrs 34 zu liefern, welcher von der Spule 40 umgeben ist, obwohl die Hülse bei alternativen Ausführungsformen nicht magnetisiert sein muß. Wie oben aufgeführt ist Eisen selber ein magnetostriktives Material. Wenn erwünscht kann das von der Spule 40 umgebene Rohr 34 oder der Abschnitt aus einer Legierung gefertigt sein, welche eine stärkere magnetostriktive Reaktion aufweist als einfaches Eisen.
Bei einer zukünftigen Alternative könnte die Hülse 42 aus einem magnetostriktiven Material gefertigt sein, und ihre mechanische Reaktion könnte mit dem Rohr 34 an dessen Enden 44 und 46 gekoppelt werden. Der Abschnitt des Stahlrohrs 34 innerhalb der Spule 40 würde als ein magnetischer Kern funktionieren, welcher das auf die Hülse 42 auferlegte magnetische Feld stärkt. Sie kann auch ein dauerhaftes magnetisches Feld aufweisen, um die Hülse 42 vorzumagnetisieren. Die Hülse 42 vervollständigt den magnetischen Kreis um die Spule 40 herum. Ein Abschnitt der Hülse 42 könnte wenn erwünscht für Vormagnetisierungszwecke dauerhaft magnetisiert werden. Der Gesamtquerschnitt des magnetostriktiven Materials kann leicht dem gleichen, welcher für Geräte nach dem aktuellen Stand der Technik angewendet wird oder größer sein, und kann wie in 1 dargestellt zwei Stäbe 22 verwenden. Die akustische Ausgabe dieser Anordnung ist inhärent uniform und auf die Achse des Rohrs 34 ausgerichtet.
Der kapazitive Wandler 38 ist aus einer Vielzahl von dünnen, vorzugsweise flexiblen piezoelektrischen Geräten 48 geformt, welche mit der Außenoberfläche des Rohrs 34 verbunden sind. 5 zeigt eine Ausführungsform der Struktur eines geeigneten Wandlers 48. Die Mitte des Geräts 48 kann aus einem dünnen rechteckigen Stück 50 einer Piezokeramik wie zum Beispiel PZT (Blei-Zirconat-Titanat) geformt werden, welches hergestellt wurde, um es flexibel zu machen. Eine Reihe von Rillen 52 wurde entlang der langen Seite des Stücks gefertigt, d.h. durch Lasergravieren. Die Rillen machen das Stück flexibel, besonders entlang seiner kurzen Seite. Das gerillte piezokeramische Stück 50 kann mit Hilfe der Laserstrahlverarbeitungsmethode gemäß der Lehre von US-Anmeldung 6,337,465 an Masters et al vom 8. Januar 2002 hergestellt werden.
Flexible Isolierfolien 54 und 56 sind mit den oberen gerillten, und den unteren ungerillten Oberflächen des Stücks 50 verbunden, zum Beispiel mit einem Epoxidklebstoff. Bei dieser Ausführungsform sind die flexiblen Folien 54 und 56 aus einer kupferbeschichteten Polyamidfolie gefertigt, d.h. einer Folie, welche unter dem Handelsnamen Kapton vertrieben wird. Die Kupferbeschichtung wurde eingraviert, um einen Satz von interdigitalen Elektroden 58 und 60 auf den Folien 54 und 56 zu formen. Die Elektroden werden auf Folie 54 lediglich angedeutet, da sie in der explodierten Ansicht auf der Unterseite der Folie 54 liegen. Die Elektroden 58 und 60 formen die elektrische Verbindung für den fertigen Wandler. Wenn die Folien 54 und 56 an dem Stück befestigt werden, werden die Elektroden zwischen den Folien und dem Stück 58 und 60 positioniert.
Das Stück 52 kann aus vielen bekannten piezoelektrischen Materialen wie zum Beispiel denjenigen hergestellt werden, welche oben aufgeführt sind. Typische Geräte 48 haben eine Länge von ungefähr 2,5 Zoll (64 mm) und eine Breite von ungefähr einem Zoll (25,4 mm). Die Dicke des Stücks 50 kann zwischen 0,001 Zoll (0,025 mm) und 0,500 Zoll (12,7 mm) betragen. Für die Anwendung mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann die Dicke zwischen ungefähr 0,005 Zoll (0,13 mm) und ungefähr 0,025 Zoll (0,64 mm) liegen. Die Länge ist vorzugsweise mindestens zwanzig mal größer als die Dicke, um Endeffekte zu minimieren. Größere Dicken liefern eine größere mechanische Kraft, reduzieren jedoch die Flexibilität der Geräte. Bei Geräten wie den in 5 dargestellten beträgt die Dicke des Stücks 50 ungefähr 0,020 Zoll (0,51 mm) und dasselbe kann um ein Rohr mit einem Außendurchmesser von ungefähr 3,5 Zoll (89 mm) oder mehr herum gebogen und mit demselben verbunden werden. Für eine Dicke von ungefähr 0,010 Zoll (0,25 mm) kann das Gerät um ein Rohr mit einem Außendurchmesser von ungefähr einem Zoll (25,4 mm) oder mehr herum gebogen werden. Für die beste akustische Impedanzanpassung wäre es wünschenswert, wenn die Dicke des Stücks 50 der Wanddicke des Rohrs gleicht, mit welchem es verbunden wird. Im allgemeinen ist dies jedoch nicht praktisch, da es in einem Wandler resultieren würde, welcher zu steif wäre, um um das Rohr herum gebogen werden zu können, und wie weiter unten beschrieben zu dick wäre, um bei praktischen Spannungen die erwünschten elektrischen Felder zu erzeugen. So werden die spezifischen Ausmaße des bei der Ausführungsform von 4 angewendeten flexiblen Wandlers aus erhältlichen Materiallängen und -breiten ausgewählt. Dünnere Stücke 50 oder mehrere Geräte 48 können gestapelt werden, um die Wandlereigenschaften eines dickeren Stücks zu erzeugen, ohne die Flexibilität des Geräts zu kompromieren, und ohne unerwünscht hohe Spannungen zu fordern.
Die Dicke des Stücks 50 beeinflußt außerdem die elektrische Verbindung des Geräts 48. Je dicker das Gerät hergestellt wird, desto größer muß die Elektrodenspannung für das Erzeugen eines wünschenswerten Feldes sein. Die Anwendung von dünneren Geräten erlaubt die Anwendung von niedrigeren Antriebsspannungen, was wiederum wünschenswert ist. Wenn diese elektrischen Schnittstellenanforderungen zusammen mit den Flexibilitätsfaktoren in Betracht gezogen werden, liefert eine Stückdicke von ungefähr 0,010 Zoll (0,25 mm) einen guten Kompromiß. Wie oben erwähnt können mehrere Geräte gestapelt werden, um die mechanische Kraft zu steigern, während die mechanische Flexibilität und eine niedrige Antriebsspannung beibehalten werden.
Andere flexible piezoelektrische Wandler können anstelle der bestimmten, in 5 dargestellten Ausführungsform angewendet werden. US-Anmeldungen 5,869,189 und 6,048,622 an Hagood IV et al vom 9. Februar 1999 und 11. April 2000 formen ein Beispiel. Der Hagood Wandler verwendet eine Vielzahl von flexiblen piezokeramischen Fasern, welche in einem flachen Band auf einem relativ weichen Polymer ausgerichtet sind. Flexible Elektroden wie die in 5 dargestellten werden auf gegenüber liegenden Seiten des zusammengesetzten Wandlers für das Aktivieren des Geräts positioniert. Flexible Piezopolymer können in relativ niedrigtemperaturigen Anwendungen auch angewendet werden. Diese Temperatureinschränkungen verhindern normalerweise die Anwendung von Piezopolymern in Tieflochanwendungen. Piezopolymern fehlen normalerweise auch eine ausreichende Steife oder induzierte Stressfähigkeit, welche sie für eine strukturelle Betätigung geeignet machen würden.
Dieser Typ von Wandler 48 wird auch in einer ausstehenden US-Anmeldung mit der Seriennummer, Anwaltsdokument 1391-39100 mit dem Titel, Flexible Piezoelectric For Downhole Sensing, Actuation and Health Monitoring' von den Erfindern Michael L. Fripp, John P. Rodgers, und Roger L. Schultz eingehender beschrieben, welche am gleichen Datum eingereicht wurde wie diese Anmeldung, und der gleichen Anmelderin zugeordnet wurde. Wie auch bei der in 1 dargestellten Ausführungsform können Geräte 48 in Paaren auf gegenüber liegenden Seiten des Rohrs 34 angewendet werden, um das Auferlegen von Biegekräften auf das Rohr 34 zu verhindern. Eine Vielzahl der Geräte 48 kann wie erforderlich axial entlang des Rohrs 34 verteilt angeordnet werden, um eine gewünschte Stromstufe zu erreichen.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform haben die Wandler 36 und 38 elektrische Verbindungen, welche wie in 2 dargestellt in Reihe miteinander gekoppelt sind, und liefern den gleichen reaktiven Balanciereffekt wie den in 3 dargestellten. Die mechanischen Verbindungen der Wandler 36 und 38 liefern jedoch mehrere Vorteile im Vergleich mit der Ausführungsform von 1. Die in 4 dargestellten Wandler erstrecken sich über einen kürzeren radialen Abstand von der Außenoberfläche des Rohrs 34 als die Ansätze 14, 16 welche für die in 1 dargestellte mechanische Anordnung erforderlich sind. Die Hülse 42 liefert nicht nur eine Vormagnetisierung, sondern bietet auch mechanischen Schutz für die Spule 40 und liefert eine glatte, runde Außenoberfläche für das Bohrrohr 34. Sie kann sich über einen kürzeren Abstand von dem Rohr 34 erstrecken als ein typischer Meißelschaft oder eine Kopplung. Gleichermaßen sind die piezoelektrischen Geräte 48 viel dünner als typische piezokermische Stapel des aktuellen Standes der Technik. Da die Geräte 48 mit dem Rohr 34 verbunden sind, d.h. mit Epoxidzement, sind sie strukturell sehr robust. Wenn erwünscht können die Geräte 48 mit einer Verbundstofflage, d.h. mit Glasfaser, als Teil des Verbindungsprozess verwickelt werden.
Bei der Ausführungsform von 4 ist wenigstens eine große, ebene Oberfläche des Geräts 48 mit Hilfe eines Klebstoffs mit einer Oberfläche des Rohrs 34 verbunden. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung bedeutet die Bezeichnung „verbunden" eine mechanische Befestigung der mechanischen Verbindung eines Wandlers, welche den Wandler grundsätzlich den gleichen Lasten unterwerfen wie das Teil, mit welchem derselbe verbunden ist. So können in manchen Fällen lediglich die Enden und oder Kanten der Geräte 34 mit Klebstoff an einer Oberfläche befestigt werden, um die Lasten identisch zu gestalten. Die Geräte 48 können mit Klebstoff an einem Zwischenteil wie zum Beispiel einer Scheibe befestigt werden, welche durch Verbolzen, Verschweißen, mit einem Klebstoff usw. an der Oberfläche befestigt wird. Auf ähnliche Weise kann eine Wickel eines schützenden Verbundstoffs die Geräte ausreichend mit der Oberfläche verbinden, um ein Verteilen der Lasten sicherzustellen. Die Geräte 12 von 1 können daher als mit dem Rohr 10 verbunden angesehen werden, da dieselben zwischen den Ansätzen 14 und 16 festgeklemmt sind, egal ob ein Klebstoff für das Befestigen der mechanischen Verbindungen, d.h. der Enden der Geräte 12 mit den Ansätzen 14 und 16 angewendet wird oder nicht.
Wenn erwünscht können einige oder alle der piezoelektrischen Geräte 48 von 4 an dem Rohr 34 unter der Spule 40 positioniert werden. Dies würde die mechanische Verbindung der Wandler 36 und 38 parallel platzieren, und nicht wie in 1 und 4 dargestellt in Reihe. Eine parallele Anordnung könnte die Kraft steigern, welche von dem Hybrid-Wandler erhältlich ist. Diese Anordnung fordert eine korrekte Auswahl von Materialen, um korrekte Phasen für die mechanischen Ausgaben des Wandlers sicherzustellen.
Wie oben unter Bezugnahme auf 3 erwähnt ist es bei manchen Ausführungsformen wünschenswert, für das Codieren von digitalen Signalen zwei verschiedene Frequenzen zu übertragen. Für ein einziges Wandlerpaar wie das in 1 und 4 dargestellte tritt die beste reaktive Unterdrückung oder Balancierung jedoch nur bei einer Frequenz auf. Wie weiter oben auch erwähnt wurde können sich die mechanischen Ausgaben der zwei Wandlertypen entweder in der korrekten Phase befinden oder nicht, was von Faktoren wie zum Beispiel der Materialauswahl abhängen wird.
6 illustriert eine Ausführungsform, welche auf zwei Frequenzen ein reaktives Balancieren und Phasen von akustischen Ausgaben von kombinierten kapazitiven und induktiven Wandlern für diese Frequenzen ermöglicht. Ein Bohrgestänge 62 wird hier mit zwei Wandlerpaaren 64 und 66 dargestellt. Das Wandlerpaar 64 umfasst ein induktives Gerät 68, welches das gleiche sein kann wie das Gerät 36 von 4, und einen Satz von kapazitiven Geräten 70, welche die gleichen sein können wie die Geräte 48 von 4. Das Wandlerpaar 66 umfasst induktive Geräte 72, welche die gleichen sein können wie die Geräte 36 von 4, und einen Satz von kapazitiven Geräten 74, welche die gleichen sein können wie die Geräte 48 von 4. Der Abstand zwischen den Geräten 68 und 70 des Wandlerpaars 64 ist geringer als der Abstand zwischen den Geräten 72 und 74 des Wandlerpaars 66. Wie dargestellt können die Geräte 68 und 70 zwischen den Positionen der Geräte 72 und 74 an dem Rohr 62 positioniert werden.
Ein jedes der Wandlerpaare 64 und 66 kann wie in 2 dargestellt einen getrennten Antriebskreis aufweisen. In diesem Fall können zwei Spannungsquellen 26 aus Oszillatoren mit feststehenden Frequenzen bestehen, von welchen einer eine digitale Eins, und der andere eine digitale Null repräsentiert. Digitale Signale können durch das abwechselnde Aktivieren der zwei Oszillatoren übertragen werden, um auf diese Weise die gewünschten digitalen Signale zu übertragen. Diese Anordnung erlaubt das Tuning eines jeden der Wandlerpaare 64, 66, so dass diese auf den gewählten Frequenzen grundsätzlich resistiv erscheinen. Dies bedeutet, dass jedes Paar 64, 66 wie in 3 dargestellt seine eigene Kurve aufweisen würde, welche auf die gewünschte Frequenz zentriert ist.
Die für diese Wandlerpaare 64 und 66 ausgewählten bestimmten Abstände hängen von mehreren Faktoren ab. Für diese Ausführungsform wird vorausgesetzt, dass die mechanischen Verbindungen der magnetostriktiven Geräte 68, 72 mit den mechanischen Verbindungen der piezoelektrischen Geräte 70, 74 um neunzig Grad oder einer Viertelwellenlänge außer der Phase liegen, wenn die elektrischen Verbindungen wie in 2 dargestellt mittels eines einzigen Kreises getrieben werden. In diesem Fall können die Abstände für die Paare 64 und 66 so ausgewählt werden, dass sie bei den gewählten Übertragungsfrequenzen der physischen Länge der Viertelwellenlänge des akustischen Signals in dem Rohr 62 gleichen. Mit diesen Abständen sind die mechanischen Verbindungen in Phase und fördern das Erzeugen eines stärkeren akustischen Signals in dem Rohr 62.
Bei der Ausführungsform von 6 können wenn erwünscht zwei Wandlerpaare mit nur drei Wandlern implementiert werden. So könnte zum Beispiel das magnetostriktive Gerät 68 ausgelassen werden. Das Paar 64 würde dann zwischen den Geräten 72 und 70 geformt werden. Das Paar 66 würde weiter zwischen den Geräten 72 und 74 geformt werden. Dies bedeutet, dass das Gerät 72 einen Teil von zwei verschiedenen Paaren repräsentieren kann. Diese Ausführungsform würde offensichtlich andere Antriebskreise als diejenigen fordern, welche für zwei gänzlich getrennte Wandlerpaare angewendet werden.
Die Geräte 68 und 72 könnten sich an dem gleichen Standort an dem Rohr 62 befinden, und könnten von zwei getrennten Spulen geformt sein, welche eine über der anderen zusammen gewickelt werden. Dies würde das Anwenden von nur einem vormagnetisierenden Gehäuse für beide Geräte 68, 72 ermöglichen, während die Antriebskreise getrennt gehalten werden. Wenn spezielle Materiale für das Formen des von den Spulen umgebenen Abschnitt des Rohrs angewendet werden, würde diese Anordnung weniger Material und die Anwendung von nur einem Spezialabschnitt fordern.
Bei der oben aufgeführten Beschreibung der Ausführung von 6 wurde vorausgesetzt, dass ein Telemetriesystem mit einen Doppelton-Codierungsplan erwünscht ist. In manchen Fällen ist es wünschenswert, mehr Frequenzen erhältlich zu haben, zum Beispiel um die Auswahl von Frequenzen zu erlauben und Umgebungsgeräusch zu verhindern. Durch ein einfaches Schalten der elektrischen Verbindungen des Wandlers aus 6 sind wenigstens vier verschiedene Frequenzen erhältlich. Die zusätzlichen zwei Frequenzen können durch Einteilen von induktiven Wandlern 72 in Paare mit kapazitiven Wandlern 70, und das Einteilen von induktiven Wandlern 68 mit kapazitiven Wandlern 74 in Paare erzielt werden.
7, 8, und 9 illustrieren die Anwendung von Hybrid-Aktuatoren gemäß der vorliegenden Erfindung in einer dipolaren akustischen Signalquelle, welche normalerweise für das akustische Logging von Bohrlöchern angewendet wird. In 7 ist ein dipolarer akustischer Bohrlochsignalgenerator 76 in einem zylindrischen Gehäuse 78 montiert. Ein Kolben oder eine Membran 80 wird in einem Ende des Gehäuses 78 in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer 82 geführt. Die Öffnungen 84 und 86 sind auf gegenüber liegenden Seiten des Gehäuses 78 vorhanden, um das Weiterleiten von Flüssigkeitswellen aus dem Innenraum der Kammer 82 in Flüssigkeit zu erlauben, welche das Gehäuse 78 umgibt. Die Öffnungen 84 und 86 sind um ungefähr 180 Grad radial einander gegenüber versetzt und auf sich gegenüber liegenden Seiten des Kolbens 80 positioniert. Eine Bewegung des Kolbens 80 erzeugt Druckwellen von den Öffnungen 84 und 86, welche sich um 180 Grad außerhalb der Phase befinden und auf diese Weise eine dipolare akustische Quelle bieten.
Ein Paar von Aktuatoren 88 und 90 wird in einer zweiten Kammer 92 in dem Gehäuse 78 geführt. Die Kammer 92 ist von der Kammer 82 durch eine flüssigkeitsdichte Trennwand 94 getrennt. Ein oder mehrere Stäbe 96 ragen durch die Trennwand 94 hindurch und umfassen flüssigkeitsdichte Dichtungen. Die Stäbe 96 koppeln die mechanischen Ausgaben der Aktuatoren 88 und 90 des Kolbens 80. Der Aktuator 88 kann aus einem magnetostriktiven Gerät wie dem Aktuator 20 von 1 bestehen. Der Aktuator 90 kann aus einem piezoelektrischen Aktuator wie dem Aktuator 18 von 1 bestehen. Die elektrischen Verbindungen der Aktuatoren 88 und 90 sind wie in 2 dargestellt in einem Kreis gekoppelt.
Die Ausführungsform von 7 platziert die Aktuatoren 88 und 90 mechanisch parallel und elektrisch in Reihe. Die parallele mechanische Anordnung verstärkt die Kraft, welche auf den Kolben 80 ausgeübt wird. Die elektrische Reihenverbindung liefert wie oben beschrieben die Reaktanzbalance.
8 illustriert eine weitere Ausführungsform einer dipolaren akustischen Quelle. In 8 wird ein Kolben oder eine Membran 100 in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer 102 geführt. Die Öffnungen 104 und 106 liefern dipolare akustische Wellenausgaben wie diejenigen in der Anordnung von 7. Ein piezoelektrischer Aktuator 108 wie der Aktuator 18 von 1 wird innerhalb einer Kammer 110 auf einer Seite der Kammer 102 geführt. Der Aktuator 108 ist mittels einer Stange oder einer Welle 112, welche durch eine flüssigkeitsdichte Trennwand 114, welche die Kammern 102 und 110 voneinander trennt, hindurch ragt, mechanisch mit dem Kolben 100 gekoppelt. Ein magnetostriktiver Wandler 116 wird in einer Kammer 118 auf einer gegenüber liegenden Seite der Kammer 102 geführt. Der Aktuator 116 ist mittels einer Stange oder einer Welle 120, welche durch eine flüssigkeitsdichte Trennwand 122, welche die Kammern 102 und 118 voneinander trennt, hindurch ragt, mechanisch mit dem Kolben 100 gekoppelt. Die elektrischen Verbindungen der Aktuatoren 108 und 116 sind wie in 2 dargestellt in einem Kreis gekoppelt.
Die Ausführungsform in 8 platziert auch die Aktuatoren 108 und 116 mechanisch parallel und elektrisch in Reihe. Die parallele mechanische Anordnung verstärkt die Kraft, welche auf den Kolben 100 ausgeübt wird. Die elektrische Reihenverbindung liefert wie oben beschrieben die Reaktanzbalance.
9 illustriert eine weitere dipolare akustische Quelle, in welcher Aktuatoren mechanisch in Reihe gekoppelt sind. Bei der Ausführungsform von 9 wird ein Kolben 124 in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer 126 geführt. Sich gegenüber liegende Öffnungen 128 und 130 liefern dipolare akustische Wellenausgaben wie in den in 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen dargestellt. Ein piezoelektrischer Aktuator 132 wie zum Beispiel der Aktuator 18 von 1, und ein magnetostriktiver Aktuator 134 wie der Aktuator 20 von 1 werden innerhalb einer Kammer 136 geführt. Die Aktuatoren 132 und 134 sind wie dargestellt in Reihe gekoppelt. Ein Stab 138 koppelt die kombinierten mechanischen Ausgaben der Aktuatoren 132 und 134 durch eine Trennwand 140, welche die Kammern 126 und 136 voneinander trennt, mit dem Kolben 124.
In der Ausführungsform von 9 sind die Aktuatoren 132 und 134 wie die Aktuatoren 18 und 20 von 1 mechanisch in Reihe gekoppelt. Diese Anordnung verstärkt den Hub oder die Bewegung, welche die Aktuatoren auf den Kolben 124 ausüben.
Die elektrischen Verbindungen der Aktuatoren 132 und 134 können wie in 2 dargestellt in Reihe gekoppelt werden, um wie hierin beschrieben die Reaktanzbalance zu liefern.
Obwohl die Ausführungsformen von 7, 8, und 9 dipolare Signalquellen darstellen ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen für andere akustische Signalquellen geeignet. Wenn zum Beispiel die Öffnungen 84 und 86 von 7 auf der gleichen Seite der Kammer 82 positioniert, oder gleichmäßig um den gesamten Umfang der Kammer 82 herum verteilt werden, funktioniert das Gerät als eine monopole Quelle.
Die Wandler der vorliegenden Erfindung können auch in anderen Anwendungen als diejenigen der Signaltelemetrie und des akustischen Loggings nützlich sein. So können zum Beispiel elektromechanische Wandler für das Kontrollieren der Position, Form, oder Schwingung verschiedener mechanischer Teile wie zum Beispiel Stromübertragungs- und Verteilerleitungen, akustische Lautsprecher, Unterwassersonaranlagen, Tieflochroboter, Schock- und Vibrationisolation angewendet werden. Sie können dazu angewendet werden, das Mischen von Flüssigkeiten in einem Bohrloch zu verbessern oder Partikel flüssig zu halten, zum Beispiel für das Verbessern eines Kiespackverfahrens. Die elektromechanischen Wandler könnten für die Tieflochstromerzeugung angewendet werden. Dies bedeutet, dass für das Antreiben der mechanischen Verbindungen des Wandlers große mechanische Kräfte in dem Tiefloch erhältlich sind, welche an den elektrischen Verbindungen elektrischen Strom produzieren würden. Die elektrische Verbindung des kombinierten Wandlers mit der grundsätzlich resistiven, d.h. niedrigen Reaktanz wird eine effektivere Kopplung für das Aufladen einer Tieflochbatterie darstellen. Der gleiche Wandler kann zur gleichen Zeit sowohl für das Senden wie auch das Empfangen von Signalen angewendet werden, indem die Balance der Spannung und des Stroms aufgespürt wird, welche in den Wandler einfliessen, da empfangene Signale Rückspannungen erzeugen würden, welche die Impedanz des Wandlers aus Sicht des Antriebskreises effektiv ändern würden.
Die vorliegende Erfindung kann für die aktive Geräuschunterdrückung oder -dämpfung angewendet werden. Dies kann die Leistung der Datenübertragung steigern. Es gibt in einer Bohrlochumgebung zahlreiche Quellen von akustischem Geräusch, besonders während des Bohrverfahrens. So erzeugt zum Beispiel eine Bohrkrone verschiedene akustische Wellenmoden, welche sich innerhalb des Bohrgestänges nach oben bewegen. Dies kann die akustische Telemetrie von Daten durch das Bohrgestänge stören. Sensoren können nahe der Bohrkrone platziert werden, um das von der Bohrkrone erzeugte akustische Geräusch aufzuspüren. Dann kann ein Geräuschunterdrückungskreis eine Wellenform liefern, welche für das Unterdrücken von Geräusch geeignet ist. Diese Wellenform kann mittels des gleichen Wandlers übertragen werden, welcher die Telemetriedaten überträgt. Das Endresultat ist, dass die Signalempfänger höher im Bohrloch Telemetriedaten mit reduzierter Geräuschstörung empfangen werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die elektrische Verbindung des kapazitiven Wandlers in Reihe mit der elektrischen Verbindung des induktiven Wandlers gekoppelt. Auf diese Weise werden die Reaktanzen der beiden Geräte kombiniert, um dem Antriebskreis eine Impedanz mit niedrigem Widerstand zu präsentieren. Bei alternativen Ausführungsformen kann die Impedanzbalance auch durch ein paralleles Verbinden der Geräte erzielt werden. Eine solche parallele Kombination hat eine Resonanzfrequenz, bei welcher ihre kombinierte Impedanz grundsätzlich nur resistiv ist, aber anstatt aus einer Impdeanz mit niedrigem Widerstand aus einer Impedanz mit einem hohen Widerstand besteht.

Claims

Ein akustischer Telemetriewandler, umfassend: einen kapazitiven elektromechanischen Wandler (18) mit einer elektrischen Verbindung und einer mechanischen Verbindung, und einen induktiven elektromechanischen Wandler (20) mit einer elektrischen Verbindung, gekoppelt mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers, und eine mechanische Verbindung umfassend, welche mit der mechanischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist.
Ein Wandler nach Anspruch 1, bei welchem die elektrische Verbindung des induktiven elektromechanischen Wandlers in Reihe mit der elektrischen Verbindung des kapazitiven elektromechanischen Wandlers gekoppelt ist.
Ein Wandler nach Anspruch 1, bei welchem: der induktive elektromechanische Wandler einen Induktivitätswert aufweist, der kapazitive elektromechanische Wandler einen Kapazitätswert aufweist, und der Induktivitätswert und der Kapazitätswert vorgewählt werden, so dass die kombinierte Impedanz der gekoppelten elektrischen Verbindungen des induktiven elektromechanischen Wandlers und des kapazitiven elektromechanischen Wandlers eine reduzierte Reaktanz über ein Frequenzband nahe einer vorgewählten Frequenz aufweist.
Ein Wandler nach Anspruch 3, bei welchem die mechanischen Verbindungen des kapazitiven elektromechanischen Wandlers und des induktiven elektromechanischen Wandlers eine mechanische Resonanzfrequenz aufweisen, welche anders ist als die vorgewählte Frequenz, wobei das Frequenzband der reduzierten Reaktanz erweitert wird.
Ein Wandler nach Anspruch 3, bei welchem die kombinierte Impedanz auf der vorgewählten Frequenz grundsätzlich mit Widerstand versehen ist.
Ein Wandler nach Anspruch 1, bei welchem der kapazitive elektromechanische Wandler ein piezoelektrisches Material umfasst.
Ein Wandler nach Anspruch 1, bei welchem der induktive elektromechanische Wandler ein magnetostriktives Material umfasst.
Ein Verfahren für das Umformen von elektrischer Energie in mechanische Energie in einer Struktur in einem Bohrloch, umfassend: das mechanische Koppeln eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers (18) und eines induktiven elektromechanischen Wandlers (20) mit einer Struktur in einem Bohrloch, das Koppeln einer elektrischen Eingabe des kapazitiven elektromechanischen Wandlers mit einer elektrischen Eingabe des induktiven elektromechanischen Wandlers, um einen einzigen Kreis zu formen , das Koppeln von elektrischer Energie mit dem einzigen Kreis, um gleichzeitig mit dem kapazitiven elektromechanischen Wandler und dem induktiven elektromechanischen Wandler mechanische Energie auf die Struktur aufzuerlegen.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend das Koppeln der elektrischen Eingabe des kapazitiven elektromechanischen Wandlers in Reihe mit der elektrischen Eingabe des induktiven elektromechanischen Wandlers.
Ein Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend das Koppeln von elektrischer Energie mit dem einzigen Kreis bei einer Frequenz, bei welcher die Reaktanz des genannten einzigen Kreises im Wesentlichen reduziert ist.