정(井)의 생산능력을 증가시키는 물질전달공정의 촉진을 위한 방법 및 전자음향장치

정(井)의 생산능력을 증가시키는 물질전달공정의 촉진을 위한 방법 및 전자음향장치{METHOD AND ELECTRO ACOUSTIC DEVICE FOR STIMULATION OF MASS TRANSFER PROCESSES THAT INCREASE PRODUCTION CAPACITY OF WELLS}

본 발명은 석유산업, 특히 석유를 함유하는 정(井)의 생산능력을 증가시키는 전기음향적 시스템 및 관련 방법에 관계되며 정(井)의 회수지대에서 기계파를 적용하는 것을 포함한다.

유정의 생산성은 다양한 이유때문에 시간에 따라 감소한다. 상기 감소의 2가지 주이유는 원유(crude oil)의 상대적 투과성의 감소로 유동성의 감소 및 절대 투과성 또는 세공의 상호연결을 감소시키는 고형체(진흙, 콜로이드, 염)에 원인된 정(井)의 정 시굴지역에서 레저부아 (reservoir) 세공의 진보적 플러깅(plugging)에 관련된다. 전술한 원인과 관련된 문제는 추출되는 액체와 동시에 흐르는 미세 광물입자에 의한 세공의 플러깅, 무기 크러스트의 침전, 파라핀 및 아스팔텐(asphaltene) 상층액분리, 점토 수화, 진흙 고형체의 침투와 진흙여과 및 식염수 분사로부터 기인된 완전 액체 및 고체의 침입이다. 전술한 각 이유는 투과성의 감소 또는 정(井)시굴을 둘러싸는 지역에서의 흐름의 제한을 유발할 수 있다.

정(井)(도1)은 기본적으로 시멘트층(19) 및 케이스(10) 내부에 동축으로 배 치된 일련의 생산관(production tube, 11)을 순차적으로 고정하는 케이스(10)로 가득 채워진 생산층이다. 정(井)은 층(12)에서 생산되는 유체가 천공(14) 및/또는 층(12) 내부에 루트를 제공하는 정(井)의 라이닝(lining)에서 홀(13)을 통하여 흐르게 하는 적절한 투과성을 갖는 석유 레저부아를 연결한다. 관(11)은 층에서 생산되는 유체(18)를 위한 출구를 제공한다. 통상적으로 라이닝된 정(井)으로부터 외측으로 방사적으로 확장하는 많은 천공(14)이 있다. 천공(14)은 층(12)을 관통하는 라이닝에 균일하게 간격된다. 이상적으로, 천공은 층(12)에만 위치되어서, 천공의 수는 층(12)의 두께에만 의존한다. 층(12)깊이의 미터당 9 내지 12 개의 천공을 갖는 것이 일반적이다. 다른 한편으로 천공(14)은 각각 세로방향으로 확장하여서, 방위각 0°에서 방사적으로 확장하며 추가 천공(14)은 상기 방위각 둘레 4개의 천공(4)의 군을 형성하기 위해서 각 90°로 배치된다.

층(12)의 유체는 라이닝된 정(井)에 진입하는 천공(14)을 통하여 흐른다. 바람직하게는, 정(井)은 패킷(packet, 15) 또는 천공(14)의 수위 아래에 위치된 브릿지 플러그나 소수의 밀봉기작에 의해 막혀진다. 패킷(15)은 층(12)으로부터 생산된 유체가 흐르는 컴파트먼트(compartment,16)를 형성하고 컴파트먼트를 채우고 유체수위(17)에 이르면서 생산관(11)과 연결된다. 축적된 유체(18)는 층(12)으로부터 흐르며 다양한 양의 천연가스가 수반될 수 있다. 요약하자면, 라이닝된 컴파트먼트는 석유, 소수의 물 및 또한 모래와 고체 잔류물을 축적한다. 일반적으로 모래는 컴파트먼트(16)의 전면에 정착한다. 층(12)으로부터 생산된 유체는 가벼운 분자가 증발하게 하는 층(12)에 대한 압력감소가 있을 경우 상(phase)이 변할 수 있다. 다 른 한편으로, 정(井)은 매우 무거운 분자를 생산할 수 있다.

일정시간이 흐른 후에 층(12) 내부에서 확장되는 천공(14)을 통한 경로는 "미세물(fines)" 또는 잔류물로 막히게 된다. 상기는 층(12) 내부의 유체와 연결되는 세공의 크기를 형성하며, 유체가 층(12)으로부터 크랙 또는 열하 또는 연결된 세공을 통하여 흐르게 하여 유체는 포집을 위한 컴파트먼트(16) 내부 틈새공간에 이르게 된다. 상기 흐름 동안 "미세물"로 알려진 층(12)으로부터의 매우 작은 고체입자가 흐를 수는 있지만, 대신에 정착되는 경향이 있다. "미세물"은 어느 정도 시간 동안 분산된 상태로 고정될 수 있는 반면에, 미세물은 결집될 수 있고 따라서 세공에서의 공간을 차단하여 유체의 생산률을 감소시킨다. 상기는 그 자체로 문제가 될 수 있으며 생산흐름상 감소를 낳을 수 있다. 더욱 더 많은 "미세물"이 천공(14) 내부에 퇴적되어 천공(14)을 차단하여 심지어 최소 유량속도도 방해하는 경향이 있다.

최상의 제조방법 및 최상의 호(好)추출조건에서도, 통상적으로 레저부아 내부에 원래 존재하는 원유(crude oil)의 20% 이상이 남아있게 된다.

유정 및 가스정의 주기적 자극은 3가지 일반적 유형의 처리(산화, 분쇄 및 용매와 열에 의한 처리)를 사용하여 이루어진다. 산화는 생산지대(암석)에 분사되는 HCl 및 HF산 혼합물의 사용을 포함한다. 상기 산은 암석의 반응성분(카보네이트와 점토 광물, 및 더욱 작은 정도로 규산염)을 용해하는 데 사용되어 이의 투과성을 증가시킨다. 반응지연제 및 용매 같은 첨가제가 활동중인 산의 효율을 향상시키는데 자주 첨가된다. 산화가 유정 및 가스정을 자극하는데 일반적인 처리인 반면 에, 화학물질의 고비용 및 관련된 폐기물 처리 비용이라는 몇가지 결점을 갖고 있슴은 분명하다. 상기 산은 원유(crude oil)와 자주 양립하지 않으며 정(井) 내부에 두꺼운 유성 잔류물을 생산할 수 있다. 상기 산이 소비된 이후에 형성되는 침전물은 용해된 광물보다 더욱더 유해할 수 있다. 활동중인 산의 관통깊이는 대개 5인치 이하이다.

유압분쇄는 유정 및 가스정의 자극에 일반적으로 사용되는 또다른 기술이다. 상기 공정에서, 높은 수압이 층의 수직분쇄를 생성하는데 사용된다. 분쇄는 석유 및 가스를 흐르게 하는 정(井) 내부 도관을 생성하기 위해서 중합체 플러그로 채워지거나 (카보네이트 및 연암에 있는) 산으로 처리될 수 있다. 상기 공정은 (산 처리보다 약 5 내지 10배 비율로) 매우 고비용이다. 상기 경우에 분쇄는 물이 있는 지역으로 확장할 수 있으며 (바람직하지 않게) 생성되는 물의 양을 증가시킨다. 상기 처리는 정으로부터 수백 피트 이격된 곳까지 확장할 수 있으며 저투과성을 갖는 암석에서 더욱더 일반적으로 사용된다. 모든 분쇄에서 성공적으로 중합체 플러그를 위치시키는 능력은 일반적으로 제한되며 분쇄 폐쇄 및 플러그(프로판트, proppant) 크러싱(crushing) 같은 문제는 유압 분쇄의 생산성을 매우 저하시킬 수 있다.

성숙한 유정에서의 가장 일반적인 문제 중의 하나는 정 내부 및 주위에 있는 파라핀 및 아스팔텐(asphaltene)의 침전이다. 증기 또는 핫오일(hot oil)이 석유의 파라핀을 녹여서 용해하기 위해서 정 안으로 분사되며 모든 것이 표면으로 흐르게 한다. (자일렌 같은) 유기용매가 용융점이 높고 알칸에서 불용성인 아스팔텐을 제거하는데 자주 사용된다. 용매뿐아니라 증기도 특히 하루당 10 bbls 이하의 오일을 생산하는 한계유정(marginal well)을 처리할 때 더욱 비싸다(스팀보다 용매에서 더욱더 그러하다). 텍사스주에서만 상기 정이 100, 000 개 이상이며 미국에 있는 다른 주에서는 더욱더 많을 것임을 유의해야 한다.

증기 및 용매의 사용에 대한 최고제한은 파라핀 및 아스팔텐을 서스펜션 상태로 용해하거나 유지하도록 요구되는 기계적 교반의 부재이다.

RD Challacombe에 속한 미국특허 제3,721,297호에서, 압력펄스에 의해서 정을 세정하기 위한 툴이 제시되며, 이에 의해 일련의 폭발 모듈 및 가스 발생기가 상기 중의 하나의 점화가 일련된 다음 것을 작동시키는 방식으로 연쇄 상호연결된다.

폭발은 정을 세정시키는 충격파를 생성한다. 상기 방법은 폭발물로 고압력 유정 및 가스정을 손상시키는 잠재적 위험 같은 명백한 단점을 갖는다. 상기 방법은 처리기간동안 화재 및 제어 결여의 추가위험에 의해서 실행할 수 없게 된다.

HT Sawyer에 속한 미국특허 제3,648,769호는 "저소음 범위에서의 사인파 진동" 을 생성하는 유압으로 제어되는 격막을 설명한다. 발생되는 상기 파는 저밀도이며 암석면을 향하거나 이에 중점되지 않는다. 결과적으로, 대부분의 에너지는 시굴구를 따라서 전파한다.

ED Riggs et al.에 속한 미국특허 제4,343,356호는 표면 시굴구를 처리하는 장치를 설명한다. 고전압의 인가는 유정의 벽으로부터 스케일(scale)물질을 이동시키는 전압 아크의 발생을 생성한다. 상기 장치의 난점 중의 하나는 세정이 조금이라도 이루어진 경우라도 아크가 연속적으로 가이드될 수 없다는 사실이다. 부 가적으로 안전문제가 미해결로 남아 있다 (전기 및 화재 문제).

또다른 유압/기계적 발진기가 AG Bodine (미국특허 제 4,280,557호)에 의해 제안되었다. 신장된 탄성관 내부에 생성되는 유압펄스는 유정의 라이닝된 벽을 세정하는데 사용된다. 상기 시스템은 또한 저강도 및 한정된 가이드를 겪게 된다.

최종적으로, 유정으로부터 파라핀을 제거하는 방법이 JWMac Manus et al. (미국특허 제4,538,682호)에 의해 제안되었다. 상기 방법은 유정안으로 가열소자를 진입함에 의해서 유정내부에 온도기울기를 설정함에 근거한다.

얼마간의 작동 후에 유정, 가스정 및 수(水)정이 차단되고 유체 배출이 감소하여서 정(井)을 재생하는 것이 필요해진다. 정(井)을 재생하는 기계적, 화학적 및 통상적 기술은 하기와 같다.

강력 린싱(intensive rinsing)

충격 펌핑 (shock pumping)

공기 처리 (air treatment)

다른 화학물질과 결합된 염산 또는 타 산으로 침전물의 용해.

고 수압 하우징

이산화탄소의 분사

폭발물의 사용에 의한 압력 충격의 발생

상기 방법은 유해 화학물질로 작동되거나 정(井)의 구조에 위험이 될 수 있는 높은 전력에서 작동된다.

특정 주파수 및 전력의 초음파장에 대한 고형체 및 유체의 노출에 관련된 다 수의 효과가 존재한다. 특히, 유체의 경우에, 액체에 용해되어 있는 가스로부터 또는 상기 최종물의 위상변화로부터 버블의 생성에서 존재하는 공동현상 버블(cavitation bubble)을 발생시키는 것이 가능하다. 관련된 다른 현상은 액체의 탈가스화 및 고형체 표면의 피상적 세정이다.

초음파 기술은 유정으로부터 원유(crude oil)의 제조를 증가시킬 목적으로 발전되어 왔다. "초음파 석유 회수용 방법 및 시스템(Method and System for Ultrasonic Oil Recovery)" 이라고 제목된 Arthur Kuris에 대한 미국특허 제3,990,512호는 생성되는 진동에 의해 발생되는 초음파를 적용함에 의해서 석유 회수용 방법 및 시스템을 개시하는 반면에, 고압유체를 분사하는 것 및 이의 목적은 새로운 배수로를 생성하기 위해서 레저부아를 분쇄하는 것이다.

Maki, Jr. et al.에 속한 미국특허 제5,595,243호는 일련의 압전세라믹 변환기가 방사기로서 사용되는 음파기를 제시한다. 상기 장치는 다수의 압전세라믹 방사기의 비동기적 작동을 요하기 때문에 제조 및 용도에서의 난점을 제시한다.

미국특허 제5,994,818호 ("Device for Transfering Ultrasonic Energy into a Liquid or Pasty Medium", Vladimir Abramov et al.) 및 미국특허 제6,429,575호("Device for Transfering Ultrasonic Energy to a Liquid or Pasty Medium", Vladimir Abramov et al.)는 초음파 에너지를 전송하기 위한 1 내지 100 kHz 범위에서 작동하는 교류전류 발생기 및 종파를 방사하는 압전세라믹 또는 자왜변환기로 구성된 장치를 제시하며, 파동 가이드 시스템(또는 소노트로드(sonotrode))에 결합된 관형 공진기는 순차적으로 방사조사된 액체 또는 접착성 매개체와 접촉하면서 횡진동으로 변환한다. 상기 모체는 최소한 유정에 현존하는 천공의 크기 및 기하형태와 비교하여 매우 큰 치수의 컨테이너에서의 사용을 위해 설계된다. 상기는 유정의 생산능력을 증가시키는 것이 요구되는 경우, 전송방식뿐만 아니라 치수의 제한이 있슴을 나타낸다.

미국특허 제6,230,799호 ("Ultrasonic Downhole radiator and Method for Using Same", Julie C. Slaughter et al.)는 유정의 기저에 위치되고, 표면에 배치된 초음파 발생기에 의해 공급되는 초자기변형합금(Terfenol-D alloy)으로 제조된 초음파 변환기를 사용하는 장치를 제시한다. 상기 장치의 축에 변환기를 배치함은 횡방향으로 방사되게 한다. 상기 발명은 탄화수소가 유정안으로 분사되는 알칼리 용액과 반응할 때 유화를 통하여 유정 안에 포함되는 탄화수소의 점도가 감소되게 한다. 상기 장치는 방사 연속을 보장하기 위해서 표면 강제 유체순환을 냉각시스템으로서 간주한다.

미국특허 제6,279,653호 ("Heavy Oil Viscosity Reduction and Production", Dennos C. Wegner et al.)는 초자기변형합금(Terfenol-D alloy)로 제조되고 표면에 배치된 발생기에 의해 공급되며 상용 추출 펌프에 부착된 변환기에 의해 발생되는 초음파를 적용함으로써 중유(20 이하인 API 중력)을 생성하는 방법 및 장치를 제시한다. 상기 발명은 또한 저밀도 및 점도의 레저부아에서 천연의 에멀션(emulsion)을 발생시켜 원유가 펌핑에 의해 용이하게 회수되기 위해 수산화나트륨(NaOH)의 수용성 용액 같은 알칼리 용액의 존재를 간주한다. 여기서 변환기는 초음파의 길이축 방사를 생성하기 위해서 축위치로 위치된다.

변환기는 장치에 대한 파동 가이드(또는 소노트로드)로서 접합봉에 연결된다.

미국특허 제6,405,796호("Method for Improving Oil Recovery Using an Ultrasound Technique" , Robert J. Meyer, et al.)은 초음파 기술을 사용하여 석유의 회수를 증가시키는 방법을 제시한다. 제시된 방법은 상이한 조건에서 유체 및 고형체를 자극하려는 목적으로 소정의 주파수 범위에서 작동을 하는 초음파 방사에 의한 집괴암의 분해를 포함한다. 원유 회수의 주요기작은 레저부아 내부 상기 성분의 상대적 운동에 기반한다.

모든 이전의 특허는 발전기에 의해 외부적으로 공급되며, 전송케이블이 일반적으로 2 km 를 초과하는, 변환기를 통한 초음파의 적용을 사용한다. 상기는 전송신호에서의 손실이라는 불이익을 수반하며, 이는 상기 깊이에서의 고주파수 전류의 진폭이 초기값의 10%로 감소하기 때문에 유정 내부 변환기의 적절한 기능이 가능하도록 신호가 충분히 강하게 발생되어 함을 의미한다.

변환기는 공기 또는 물 냉각시스템이 요구되는 고전력 체제로 작동해야 하기 때문에 유정내부에 위치될 때 큰 난점을 제시하며, 이는 초음파 강도가 0.5 - 0.6 W/ cm ² 을 초과해서는 안됨을 의미한다. 상기 양은 석유 및 암석에서 음향효과에 대한 한계치가 0.8 내지 1 W/ cm ² 이기 때문에 상기 목적상 불충분하다.

러시아 특허 제2,026,969호 ("Method for Acoustic Stimulation of Bottom-hole zone for producing formation" , Andrey A. Pechkov), 러시아 특허 제 2,026,970호 ("Device for Acoustic Stimulation of Bottom-hole zone of producing formation", Andrey A. Pechkov et al.,) 미국특허 제 5,184,678호 ("Acoustic Flow Stimulation Method and Apparatus", Andrey A. Pechkov et al.,)은 생성중인 유정 내부로부터 유체의 생성을 촉진하기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 상기 장치는 변환기와 동시에 혁신 소자로서 발전기를 통합하며 양자는 정(井)의 기저에서 통합된다. 상기 변환기는 외부 냉각시스템을 요하지 않고 변환기가 작동되게 하는 비연속적 체계에서 작동한다.

고체물질의 적절한 자극은 변환기로부터 레저부아의 암석까지 음향진동의 전송에서 효율성을 요하며, 이는 유정내부 상이한 음향 장애물(여러 가지 중에서 암석, 물, 벽, 및 석유)에 의해 결정된다. 반사계수가 액체-고체 경계면에서 높으며, 이는 강관을 관통하는 파동량이 레저부아가 있는 유정과 연결되는 오리피스의 열극에 작용하는데 매우 충분하지 않을 것임을 의미한다.

본 발명의 주목적 중의 하나는 정 시굴지역에서의 고 유동성의 유체를 제공하는 고도로 효율적인 음향방법을 개발하는 것이다.

또다른 목적은 정 시굴 안 및 주위에서 미세한 유기 크러스트(crust) 및 유기광상을 제거할 수 있는 매우 높은 에너지 기계파를 발생하는 다운홀 음파기(down hole acoustic device)를 제공하는 것이다.

부가목적은 유정, 가스정 및 수정을 촉진하기 위해서 화학물질의 분사를 요하지 않는 유정, 가스정 및 수정용 다운홀 음파기를 제공하는 것이다.

또다른 목적은 처리후에 유정으로 복귀하는 유체와 연관된 환경처리비용을 갖지 않는 다운홀 음파기를 제공하는 것이다.

상기 관의 제거 또는 풀링(pulling)을 요하지 않고 관 내부에서 기능할 수 있는 다운홀 음파기가 제공된다. 몇몇 실시예에서 관은 임의의 직경일 수 있으며, 통상적으로 약 42 mm 직경이다. 몇몇 실시예에서, 관은 42 mm 직경이다.

최종적으로, 임의 유형의 완전구, 케이스된/관통구, 굳어진 사력층, 스크린/라이너 등에서 작동할 수 있는 다운홀 음파기를 제공하는 것이 바람직하다.

도1은 본 명세서에서 개시된 지식에 따른 예시적 방사기를 도시한다.

도2는 본 개시에 따른 예시적 방법을 설명하는 다이어그램을 도시한다.

도3은 예시적인 음향유닛을 통한 세로 단면도를 도시한다.

도4는 본 명세서에 개시된 예시적 음향유닛의 제2 측면의 보다 상세한 다이어그램을 도시한다.

도5는 예시적 음향유닛의 제3 측면의 다이어그램을 도시한다.

도6은 예시적 방사기의 제4 측면을 통한 단면도이다.

도6a는 선 AA에 따른 도6의 횡단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

36: 제1 변환기 39: 전원

40, 42: 컴파트먼트 46: 방사기

49: 방사표면 50: 정 시굴지역
55: 음향류 56: 제2 변환기

61: 소노트로드

본 개시 및 유정, 가스정 및/또는 수정의 정(井)시굴지역의 투과성을 증가시킬 목적에 일치하여, 상기 정의 축을 따라서 생성되는 기계적 진동의 위상 변위에 원인된 추출지대에서 전단진동의 형성을 촉진하고, 종파 및 전단파의 중첩에 원인된 장력 및 압력힘을 택일적으로 얻고, 상기 정 내부에 물질전이공정이 발생하는 방식으로 촉진할 목적으로, 기계적 진동으로 상기 정 시굴지역을 자극하기 위한 방법 및 장치가 개시된다.

상기는 도2에서 제시된 다이어그램에 의해 예시되며, 여기서 방사기에서 전파되는 종진동의 진동속도 V ^R ₁ (45)의 벡터는 방사기의 축을 향하며 종진동의 진동변위 ξ ^R _ml (47)의 진폭분포는 또한 방사기(46)를 따라서 전파된다. 상기 장소에서, 포아송 효과의 결과로서, 방사진동이 ξ ^R _nv (48)의 변위진폭을 갖는 특성분포로 방사기(46)에서 발생된다.

방사기(46)의 방사표면(49)을 통한 방사진동은 정(井)시굴지역(50)으로 전송된다. 종진동의 속도벡터 V ^Z _l (51)은 방사기의 축에 직각인 방향으로 정(井)시굴지역(50)에서 전파된다. 다이어그램(52)은 정(井)시굴지역(50)에서 전파되며 λ ₁ /4 와 동등한 거리에 국부배치된 방사기의 점들부터 방사되는 방사진동의 변위진폭 ξ ^Z _ml (501)의 특성적 방사 분포를 도시한다 (여기서 λ는 방사물질에서 종파의 파장이다).

매개체에서 전파되는 방사진동의 위상전환은 정 시굴지역에서 전단진동의 발생을 유발하며, 진동속도의 벡터 V ^Z _S (53)은 방사기축을 따라 방위된다. 다이어그램(54)은 전단진동 ξ ^Z _mS 의 변위진폭의 특성분포를 도시한다.

결과적으로, 음향류(55)는 속도(U _f ) 및 특성파장 λ ₁ /4 을 갖는 종파 및 전단파의 중첩때문에 정 시굴지역(50)에서 생성된다.

발생되는 음향장의 작동주파수는 최소한 방정식 1에 의해 정의된 특성주파수에 일치한다.

[방정식 1]

f = F _A ηφ/2πkδ

여기서 φ및 k 는 층, 즉, 추출물이 기원하는 정 시굴지역(50)의 공극률 및 투과율이다. δ및 η은 정 시굴지역에서 세공유체의 밀도 및 동점성(dynamic viscosity)이며, F _A 는 세공 매개체에 대한 유체의 상대변위용 진폭인자이다.

추정된 φ및 k 레저부아 암석 성질에 대한 0.1 인 진폭인자를 갖고 표1은 방정식1을 사용할 때 얻어지는 특성 주파수값을 제공한다. 물, 일반 석유, 중유에 대 한 점도는 각각 0.5 mPa, 1.0 mPa 및 10 mPa로 추정된다.

[표 1] 특성주파수의 값

전술한 단락에서 설명된 방법은 특히 도3 에서 도시된 장치에서 실시되며, 여기서 상기 장치는 정 내부에 위치된다.

도3으로 되돌아가서, 존데(Sonde)라고 알려진 바람직하게는 원통인 폐쇄 케이스(200)를 포함하는 전자음향장치(20)는 바람직하게는 와이어로 구성되는 외장된 케이블(22)에 의해 유정안으로 저하되며, 하나 이상의 전기전도재료(electric conductor, 21)가 로그 케이블(logging cable)이라고 또한 지칭되는 외장된 케이블(22)에 제공된다.

폐쇄 케이스(200)는 진동을 전송하는 재료로 구조된다. 폐쇄 케이스(200)는 상부 케이스(23) 및 하부 케이스(201)의 2개의 단면을 구비한다. 하부 케이스(201)는 원(遠)단부에서 2개의 공동-제1 공동(25) 및 보상챔버(302)-을 구비한다. 제1공동(25)은 소구(26)를 통해서 외부와 연결된다. 정 시굴지역으로부터 회수된 유체(18)는 소구(26)를 통하여 제1 공동(25) 내부로 흐를 수 있다. 제1 공동(25)을 일단 채운 상기 유체(18)는 장치(20)의 압력에 대해 정 시굴지역에서의 압력을 보 상하도록 허용된다. 보상챔버(302)는 팽창가능한 일련의 벨로우즈(bellows, 27)에 작용하여 순차적으로 하부 케이스(201)의 보상영역(28)안으로 벨로우즈가 팽창하게 하는 냉각유체(29)로 충진된다.

보상챔버(302)위에 "자극챔버(stimulation chamber)"라고 명명되는 제2 챔버(301)가 하부케이스(201)의 자극대(stimulation zone, 34)에 위치된다. 자극대(34)는 층(12)으로 음향에너지의 전송수치 증가를 제공하는 홀(hole, 35)을 제공한다.

제2챔버 및 보상챔버(301, 302)는 파동 가이드 또는 소노트로드(sonotrode, 61)를 수용하는 대(大) 챔버(30)를 형성한다. 소노트로드(61)는 호른(horn, 32), 방사기(31), 및 반구형 단부(33)을 구비한다. 상기 방사기(31)는 외부 직경 D ₀ 를 갖는 관형 기하형상을 구비하며, (외장케이블(22)에 근접한) 근(近)단부가 자극챔버(301) 내부에 배치된 호른(32) 형상을 갖고 원(遠)단부는 보상챔버(302)의 내부에 배치된 D ₀ /2 의 내부직경을 구비한 반구형 형상을 구비한다. 양 챔버는 순차적으로 방사기(31)의 반구형 단부(33)를 지지하는 주변플랜지(44)에 의해 밀봉된다. 방사기 관형부의 기하치수 (외부 직경 "D ₀ ", 길이 "L" 및 벽두께 "δ")는 전자음향 변환기(36)의 고유공명주파수에서 종진동 및 방사진동의 공명파라미터하 작동조건에서 결정된다.

정 시굴지역에서 종파 및 전단파의 중첩형성에 관한 도2의 설명에서 이전에 전술한 상기 진술한 원리를 실시하기 위해서, 소노트로드(61)의 관형 부품(방사기, 31)의 길이 "L"은 방사물질에서의 종파 λ의 길이 1/2 보다 작지 않다 (즉 L > λ/2).

호른(32)은 코일(37)에 의해 둘러싸인, 바람직하게는 자왜변환기 또는 압전세라믹 변환기 같은 전자음향 변환기인 변환기(36)에 용접된다.

보다 나은 냉각시스템을 위해서, 변환기(36)는 두 부분으로 구조된다.(도2에서 미도시).

코일(37)은 상부케이스(23) 내부 분리된 컴파트먼트(40)에 위치된 전원(39)으로부터 확장하는 전기전도재료(38)와 알맞게 연결된다. 전원(39)은 외장케이블(22)에서의 도체(21)에 의해 정(井)표면으로부터 공급된다. 전원(39) 및 변환기(36)는 각각 분리된 컴파트먼트(40, 42)를 포함하는 컴파트먼트에 존재하는 액체(41)로 냉각된다.

정 시굴지역에 공급되는 음향전력을 증가하기 위해서, 제1 변환기(36)로 위상에서 작동하는 적어도 제2 변환기(56), 바람직하게는 전자음향 변환기가 도4에서 도시된 대로 장치(20)에 추가된다.

전원(39)은 공용 공급 도선(38)을 구비한 양 변환기(36,56)에 연결된다.

상기 경우에, 소노트로드(61)는 두 개의 호른(32, 57) 및 방사기(31)를 구비한다. 방사기(31)는 반파 호른형(32, 57)으로 종결되는 양단부를 구비한 관형을 띈다.

도5는 정 시굴지역에서 종파 및 전단파의 형성에 대한 특정원리를 개발하는 타 측면을 도시하며, 여기서 장치(20)는 2 또는 2n(n은 총 갯수)개의 진동 시스 템(58, 59)을 포함하며, 각 쌍의 전자음향 변환기는 위상에서 작동하며 진동시스템 후속의 각 쌍은 이전의 진동시스템에 대하여 역위상으로 작동한다.

전원(39)은 공용 공급 도선(38)을 구비한 각 진동시스템(58,59)의 변환기에 연결된다.

상기 시스템을 구조하는 타 소자는 도3에서 이전 설명된 소자에 유사하다.

소노트로드(61)의 작동효율을 증가시키기 위해서, 소노트로드(61)의 구조는 도6 및 도6a 에 따라서 변형된다.

도6 및 도6a 에서 예시된 듯이, 소노트로드(61)는 하나 이상의 세로홈(62)이 계획/제공되는 원통 하우징(60)을 구비한다. 일 실시예에서 세로홈(62)은 2 내지 9 까지의 수로 변화한다. 상기 홈(62)의 길이는 전자음향장치에 의해 전송되는 파의 파장(λ)의 1/2의 복수이며, 이의 폭은 약 0.3 D ₀ 내지약 1.5 D ₀ 까지 변화할 수 있으며, 특히 실시예에서는 0.3 D ₀ 내지 1.5 D ₀ 까지 변화할 수 있다.