声波发射换能器及其钻铤安装结构的制作方法

本发明涉及随钻测井设备领域，具体涉及安装于钻铤的声波发射换能器。

背景技术：

声波测井目前主要有电缆测井和随钻测井方式；电缆测井是指在钻井完成以后，将装有传感器或者探头的声系安装在下放的井眼中完成测量，仪器通过电缆完成地面系统的供电，遥传控制以及提升或下放等，而随钻测井是在钻井的过程中完成测量，带有传感器的仪器直接成为钻铤的一部分，仪器采用电池供电，通过泥浆传输完成部分数据的实时上传；随钻测井通过钻井过程中发射声波并接收地层回波，井下实时计算出地层声速并由泥浆脉冲器上传到地面。实时声速值可应用于计算孔隙度，标定地震反射，更新钻头前面孔隙压力评价数据等。相比电缆测井，随钻声波测井技术可以在钻井过程中测量地层的纵横波速度，可用于间接测量地层的压力和地质力学参数，实现储层岩性识别等，达到地层过压监测和地质导向钻井等目的；随钻声波仪器由于较为靠近钻头，测量时必须尽量避免钻头的影响，包括钻井噪声，钻杆泥浆噪声以及幅度较大的钻铤直达波。

目前的随钻换能器主要采用四个瓦片形状结构的压电陶瓷，由于尺寸较大，封装工艺复杂，成品率及一致性难以得到保证；且由于瓦片结构换能器的尺寸和结构所限，频率单一，只能实现单极子纵波测量，难以实现某一特定频率的激励，工作带宽受到限制，对井下底层的适应能力不够，难以兼顾随钻声波测井对多极测量的需要；另外，目前弯曲棒结构换能器已经被用于电缆测井，但现有的弯曲棒结构换能器工作在硅油环境中，安装和测试过程相当繁琐，难以作为随钻换能器使用，且激励方式单一，主要只用于偶极声波测井。

技术实现要素：

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了可实现多极子测量，可适应不同地层结构并能提高测井数据质量的声波发射换能器及其钻铤安装结构。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

声波发射换能器，包含金属基板与弹性封装壳体；金属基板位于弹性封装壳体内且金属基板的两端均伸出弹性封装壳体，在金属基板的两伸出端设置固定孔，位于弹性封装壳体内的金属基板的两侧面上对称的设置有基层压电陶瓷片，且在金属基板的两侧面上的基层压电陶瓷片的中部均开设分隔槽，通过分隔槽将金属基板两个侧面上的基层压电陶瓷片均形成上基层压电陶瓷片和下基层压电陶瓷片；上基层压电陶瓷片和下基层压电陶瓷片上设置有与驱动电路连接的引线，所述弹性封装体内填充有透声材料制成的封装填充层。

进一步的，金属基板两个侧面上的上基层压电陶瓷片及下基层压电陶瓷片的表面均粘接有叠层压电陶瓷片，叠层压电陶瓷片上设置有与驱动电路连接的引线。

进一步的，叠层压电陶瓷片的面积均小于各自所在的上基层压电陶瓷片及下基层压电陶瓷片的面积。

进一步的，所述封装填充层为聚氨酯、环氧树脂或橡胶中的其中一种或多种组合制成。

本发明还提出了一种声波发射换能器的钻铤装配结构，包含设置于钻铤上的安装槽、换能器安装孔、保护罩安装孔以及导线槽；所述安装槽的长度方向与钻铤长度方向平行，且安装槽呈阶梯状，靠钻铤外表面的安装槽尺寸大于其内侧尺寸；安装槽与声波发射换能器的尺寸相匹配；所述换能器安装孔设置在安装槽最外侧阶梯的两端，且与声波发射换能器上的固定安装孔位置相对应；所述保护罩安装孔设置于沿安装槽长度方向上的外侧两端，用于固定安装保护罩；所述导线槽沿钻铤的长度方向设置，并分别与安装槽的一端及电气控制短节相通，用于实现声波发射换能器的驱动电路走线连接。

进一步的，应用于170mm外径钻铤对应的安装槽的深度不超过20mm。

进一步的，以钻铤的中心轴为圆心均匀间隔分布有四个安装槽以及与安装槽数量对应的换能器安装孔、保护罩安装孔。

本发明在使用时，各基层压电陶瓷片、叠层压电陶瓷片通过激励电路和不同的激励方式将实现对应连接压电陶瓷片的极性控制，从而实现单极子、偶极子或四极子激励方式，也可针对需要的频率范围选择特定的激励频率，使换能器在不同的环境下相应的工作在最优状态。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)相比瓦片结构的随钻发射换能器减小了单元压电材料尺寸，其成品率和一致性得到较好的保证；而在非硅油环境中工作的弯曲棒结构发射换能器也使得其安装和测试过程均较为便捷；

2)采用了优化的压电陶瓷叠片方式，保留了多个谐振峰拓宽频带的方法，兼顾了大多数地层的测量响应，且通过堆叠和设置分隔槽的方式，提高了低频响应能力，可以在大井眼和软地层条件下，获得高质量的测井数据；

3)针对不同的测井要求，可以实现包含单极子、四极子等测量，且能够实现扫频工作，多方式测量明显提高了对不同地层的适应性，便于随钻声波测井数据的推广应用。

附图说明

图1为实施例的结构示意图(局部)。

图2为实施例中声波发射换能器的放大图；

图3为实施例中声波发射换能器的电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

图1为安装的其中一个声波发射换能器及对应钻铤安装部分的剖视图；如图1、图2所示的声波发射换能器包含金属基板4与弹性封装壳体2；金属基板4位于弹性封装壳体2内且金属基板4的两端均伸出弹性封装壳体2，在金属基板4的两伸出端设置固定孔13，位于弹性封装壳体2内的金属基板4的两侧面上对称的设置有基层压电陶瓷片，且在金属基板4的两侧面上的基层压电陶瓷片的中部均开设分隔槽12，通过分隔槽12将金属基板4两个侧面上的基层压电陶瓷片均形成上基层压电陶瓷片5和下基层压电陶瓷片6；上基层压电陶瓷片5和下基层压电陶瓷片6上设置有与驱动电路连接的引线，所述弹性封装壳体2内填充有透声材料制成的封装填充层；金属基板4两个侧面上的上基层压电陶瓷片5及下基层压电陶瓷片6的表面均粘接有叠层压电陶瓷片7，叠层压电陶瓷片7上设置有与驱动电路连接的引线；叠层压电陶瓷片7的面积均小于各自所在的上基层压电陶瓷片5及下基层压电陶瓷片6的面积；叠层压电陶瓷片7增加了声波发射换能器的质量密度，并结合基层压电陶瓷片及分隔槽12使得比结构完整，面积更大的压电陶瓷片降低了刚性，增强了压电辐射特性。

所述弹性封装壳体2中的封装填充层由聚氨酯、环氧树脂或橡胶中的其中一种或多种组合制成，以起到良好的声音耦合及缓冲保护作用。

本发明还提出了一种声波发射换能器的钻铤装配结构，包含设置于钻铤3上的安装槽1、换能器安装孔8、保护罩安装孔11以及导线槽10；所述安装槽1的长度方向与钻铤3长度方向平行，且安装槽1呈阶梯状，靠钻铤3外表面的安装槽1尺寸大于其内侧尺寸；安装槽1与声波发射换能器的尺寸相匹配；所述换能器安装孔8设置在安装槽1最外侧阶梯的两端，且与声波发射换能器上的固定孔13位置相对应；所述导线槽10沿钻铤3的长度方向设置，并分别与安装槽1的一端及电气控制短节相通，用于实现声波发射换能器的驱动电路走线连接；所述保护罩安装孔11设置于沿安装槽1长度方向上的外侧两端，用于固定安装保护罩9，实际设置时需要避开导线槽10以方便走线。

应用于170mm外径钻铤3对应的安装槽1的深度不超过20mm，从而确保钻铤有足够的力学强度进行安全作业。

以钻铤3的中心轴14为圆心均匀间隔分布有四个安装槽1以及与安装槽1数量对应的换能器安装孔8、保护罩安装孔11。

本发明在使用时，如图3所示，各基层压电陶瓷片、叠层压电陶瓷片7通过对应连接控制及驱动电路，由控制器控制对应连接的脉冲发射器16，经驱动放大电路15放大后对所连接的压电陶瓷片进行极性控制，而不同的激励方式能够实现单极子、偶极子或四极子激励方式，也可针对需要的频率范围选择特定的激励频率，使换能器在不同的环境下相应的工作在最优状态。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。