一种换能器装置和应用其的扫描装置的制作方法

1.本发明属于油气井质量检测技术领域，具体涉及一种换能器装置和应用其的扫描装置。


背景技术：

2.油气井建成后需要对套管腐蚀情况和水泥固井质量进行检测，以掌握井筒完整性情况，从而确保井筒安全。超声扫描成像测井技术一次下井能同时检测套管内径、壁厚以及固井水泥质量，并且360
°
全井眼覆盖，能够有效地发现套管上的腐蚀穿孔和水泥环窜槽等问题，是一项十分先进的技术。该技术的核心设备是超声换能器。
3.现有技术中，在实际使用换能器进行井筒完整性检测时，常存在以下几个问题：1)为了适应不同大小的套管，常需要将扫描装置设计为不同大小的外径。而在现有的结构中，换能器通常是直接安装在扫描装置中，并通过在扫描装置内部注满液压油，再通过液压平衡系统与井筒外部泥浆实现液压平衡。这种结构的缺陷在于，当需要更换换能器时，必须经过放油、拆卸并更换换能器、注油等多个步骤，从而使得换能器的更换极不方便，降低了作业时效；2)针对特定的套管，需要事先选定特定频率的换能器，这就导致换能器的种类及数量较多，从而提高了作业成本，降低了扫描装置的适用性；3)随着勘探开发的深入，大于175℃的高温井逐渐增多，而现有的换能器耐温一般不超过175℃，从而限制了扫描装置的应用范围，无法满足高温高压井的勘探开发要求；4)目前常用的换能器由于灵敏度限制，一般只能用于密度1.9g/cm3及以下的水基泥浆，如果是油基泥浆，则适用范围更窄(密度不能大于1.4g/cm3)，从而不能更好地适应多种环境下的检测需求。


技术实现要素：

4.为了解决上述全部或部分问题，本发明目的在于提供一种换能器装置和应用其的扫描装置，以提高换能器更换的便利度，提高其适用范围。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种换能器装置，包括：装置壳体，其内部形成有容纳腔体，装置壳体包括第一部分和与第一部分密封固定连接的第二部分，其中，第一部分的壁面上设有：与容纳腔体相连通的注油孔、缓冲组件以及接插件；第二部分上形成有发射接收窗口；和换能器本体，其设置在容纳腔体内，换能器本体包括发射接收端，发射接收端朝向发射接收窗口设置且密封固定于第二部分内，换能器本体与接插件电连接。其中，注油孔用于向容纳腔体内输入液压介质；缓冲组件用于平衡容纳腔体与外部环境的压力差；接插件用于与外部进行通讯连接和/或供电连接。
6.在一些实施例中，第二部分的内部构造成与发射接收端的外周壁相匹配的安装腔体，其中，安装腔体的内周壁上形成有环形凹槽，环形凹槽内安装有密封圈，密封圈与换能器本体的外周壁形成密封连接。
7.在一些实施例中，安装腔体的靠近发射接收窗口的位置固定有挡圈，挡圈用于对换能器本体进行轴向上的限位。
8.在一些实施例中，缓冲组件包括：缓冲腔，其构造成圆形通道，圆形通道形成在容纳腔体的位于第一部分的壁面上，圆形通道用于连通容纳腔体与外部环境；活塞组件，其密封设置在圆形通道内，活塞组件构造成可相对于圆形通道沿轴向滑动。
9.在一些实施例中，换能器本体包括：换能器壳体，其一端与第二部分密封固定连接，另一端设置在容纳腔体内，换能器壳体的朝向发射接收窗口一侧形成有开口；晶体组件，其设置在换能器壳体内且靠近开口设置，晶体组件通过导线与接插件电连接，晶体组件的传输面设置成与开口所在的平面平行；匹配层，其设置于开口内，同时，匹配层贴附设置在晶体组件的传输面上；背衬，其填充于换能器壳体内，同时，背衬贴附设置在晶体组件的与匹配层相对的一侧，匹配层和背衬用于将晶体组件与换能器壳体固定连接。
10.在一些实施例中，晶体组件包括若干个晶体，晶体的材料为压电材料。
11.在一些实施例中，晶体组件还包括用于固定若干个晶体的复合层，复合层构造为环氧树脂层。
12.在一些实施例中，压电材料为压电陶瓷，晶体构造成：由若干个柱状的压电陶瓷以非周期性均布的方式进行排列。
13.在一些实施例中，匹配层的材料为环氧材料，换能器壳体的材料为聚醚醚酮。根据本发明的第二方面，提供了一种扫描装置，包括：仪器外壳；电机，其设置在仪器外壳的内部；传动轴，其一端与电机相连，另一端延伸出仪器外壳外；和根据本发明第一方面提供的换能器装置。其中，换能器装置设置在仪器外壳的外部，同时，换能器装置与传动轴的端部可拆卸连接。
14.本发明的换能器装置具有以下几方面的优点：
15.1)本发明的换能器装置可以脱离应用其的扫描装置的内部液压系统，使得本发明实施例的换能器装置可构造成独立的装置进行使用，从而不仅使得本发明实施例的换能器装置能自动适应井下压力变化，还能够实现了换能器装置的快速更换，进而提高作业时效，降低了作业成本；
16.2)本发明的换能器装置的换能器本体可结合待检测的套管的形状和尺寸确定换能器本体的形状和尺寸，并可进一步地确定所需的晶体组件的形状和尺寸，以获得更适应于待检测的套管的激发信号和波形成分，从而使得换能器本体能够获得更高的回波信号；
17.3)本发明的换能器装置的换能器本体使用耐高温的环氧树脂和耐高温的工程塑料聚醚醚酮进行换能器本体的封装，能够使得换能器本体在约205℃时仍能稳定可靠地工作，同时，还能够使得换能器本体具备绝缘与较好的机械强度，从而有效地保证了换能器装置的使用性能。
附图说明
18.图1为本发明实施例的换能器装置的一些实施例的整体结构示意图；
19.图2为图1所示的换能器装置的结构爆炸示意图；
20.图3为图1所示的换能器装置的剖视结构示意图；
21.图4为图3所示的换能器本体的结构示意图；
22.图5为本发明实施例的扫描装置的一些实施例的结构示意图；
23.图6为本发明实施例的扫描装置的使用状态示意图。
具体实施方式
24.为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种换能器装置做进一步详细的描述。
25.图1为本发明实施例的换能器装置100的一些实施例的整体结构示意图；图2为图1所示的换能器装置100的结构爆炸示意图；图3为图1所示的换能器装置100的剖视结构示意图。结合图1至图3所示，该换能器装置100，包括：装置壳体1，其内部形成有容纳腔体13，装置壳体1包括第一部分11和与第一部分11密封固定连接的第二部分12，其中，第一部分11的壁面上设有：与容纳腔体13相连通的注油孔14、缓冲组件15以及接插件16；第二部分12上形成有发射接收窗口121；和换能器本体2，其设置在容纳腔体13内，换能器本体2包括发射接收端21，发射接收端21朝向发射接收窗口121设置且密封固定于第二部分12内，换能器本体2与接插件16电连接。其中，注油孔14用于向容纳腔体13内输入液压介质。缓冲组件15用于平衡容纳腔体13与外部环境的压力差。接插件16用于与外部进行通讯连接和/或供电连接。
26.本技术中所提到的装置壳体1可采用金属外壳。本技术中所提到的第一部分11和第二部分12可通过螺钉等紧固件进行连接。连接时，可在二者的贴合面处安装密封圈用于二者连接后的密封。本技术中的换能器本体2固定在装置壳体1内使用。换能器本体2通过发射接收窗口121进行超声的发射和回波的接收。结合上文的描述可知，注油孔14用于向容纳腔体13内输入液压介质，缓冲组件15用于平衡容纳腔体13和外部环境的压力差，接插件16用于与外部进行通讯连接和/或供电连接。本发明实施例的换能器装置100在具体使用时，换能器本体2固定后，换能器本体2与第一部分11之间形成有液压介质的填充腔，通过注油孔14向该填充腔内注油。在井下高温高压条件下，缓冲组件15平衡内外压力。该实施例中，可将缓冲组件15的缓冲行程进行设置，以使得换能器装置100能够在高温高压环境下，通过缓冲组件15仍能够使得容纳腔体13内的液压油压力与井筒泥浆压力保持一致，从而使换能器装置100始终保持正常工作。
27.通过上述设置，本发明实施例的换能器装置100主要由换能器本体2和带有填充液压油的容纳腔体13的装置壳体1组成。换能器装置100的内部注有液压油，同时通过缓冲组件15能够实现内外压力平衡，这就可以脱离应用其的扫描装置200的内部液压系统，使得本发明实施例的换能器装置100可构造成独立的装置进行使用，从而使得本发明实施例的换能器装置100能自动适应井下压力变化的同时，还能够实现了换能器装置100的快速拆卸和安装，进而提高了更换效率，提高了作业时效。
28.请参照图3，在一些实施例中，第二部分12的内部可构造成与发射接收端21的外周壁相匹配的安装腔体。其中，安装腔体的内周壁上形成有环形凹槽122，环形凹槽122内安装有密封圈123，密封圈123与换能器本体2的外周壁形成密封连接。通过该设置，换能器本体2仅通过密封圈123即可完成密封安装，从而使得本发明实施例的换能器装置100的核心部件换能器本体2的整个装配过程更为简单方便，提高了换能器本体2的安装效率。此外，为了不同的检测需求，上述设置对于换能器本体2的更换也更为方便快捷。
29.请参照图2和图3，在一些实施例中，安装腔体的靠近发射接收窗口121的位置可固定有挡圈124，挡圈124可用于对换能器本体2进行轴向上的限位。本技术的换能器装置100的整体结构简单，不仅使得各个部件的组装更为便利快捷，易于生产，还降低了换能器装置100的成本，从而使得本发明实施例的换能器装置100更适宜推广使用。
30.请继续参照图3，在一些实施例中，缓冲组件15可包括：缓冲腔151，其构造成圆形通道，圆形通道形成在容纳腔体13的位于第一部分11的壁面上，用于连通容纳腔体13与外部环境；和活塞组件152，其密封设置在圆形通道内，活塞组件152构造成可相对于圆形通道沿轴向滑动。
31.本技术中所提到的活塞组件152可包括平衡活塞1521和套接在所述平衡活塞1521上的波形挡圈1522。波形挡圈1522用于将平衡活塞1521安装于缓冲腔151内。本技术中，在井下高温高压条件下，平衡活塞1521会由于内外压力差的作用而前后移动以平衡内外压力。通过对活塞组件152的具体设置，例如对平衡活塞1521行程的设置，可使得即使在205℃/140mpa的极限条件下，本发明实施例的换能器装置100内部的液压油压力仍能与井筒泥浆压力保持一致，使得本发明实施例的换能器装置100始终保持正常工作的状态。
32.请参照图4，在一些实施例中，换能器本体2可包括：换能器壳体22，其一端与第二部分12密封固定连接，另一端设置在容纳腔体13内，换能器壳体22的朝向发射接收窗口121一侧形成有开口；晶体组件23，其设置在换能器壳体22内且靠近开口设置，晶体组件23通过导线24与接插件16电连接，晶体组件23的传输面设置成与开口所在的平面平行；匹配层25，其设置于开口内，同时，匹配层25贴附设置在晶体组件23的传输面上；背衬26，其填充于换能器壳体22内，同时，背衬26贴附设置在晶体组件23的与匹配层25相对的一侧，匹配层25和背衬26用于将晶体组件23与换能器壳体22固定连接。
33.本技术中所提到的换能器本体2可结合待检测的套管的形状和尺寸确定换能器本体2的形状和尺寸，并可进一步地确定所需的晶体组件23的形状和尺寸，以获得更适应于待检测的套管的激发信号和波形成分。例如，可通过确定晶体组件23的形状和尺寸获得更强的激发信号和更单一的波形成分，从而获得更好的检测效果。本技术中所提到的匹配层25可为多层或多种，以进一步使得超声信号在井筒泥浆环境下具有最大程度的透射效果，从而使得换能器本体2能够获得更高的回波信号。本技术中所提到的匹配层25起到增加透声效果。本技术中所提到的背衬26起到吸收传向尾部的超声波的效果。
34.在一些实施例中，晶体组件23可包括若干个晶体(图中未示出)，晶体的材料为压电材料。
35.在一些实施例中，晶体组件23还可包括用于固定若干个晶体的复合层(图中未示出)，复合层为环氧树脂层。
36.在一些实施例中，压电材料为压电陶瓷，晶体构造成：由若干个柱状的压电陶瓷(图中未示出)以非周期性均布的方式进行排列设置。
37.本技术中所提到晶体组件23可通过插入-填充法制作。本技术中所提到的晶体组件23可为1-3型压电复合材料。本技术中所提到的压电材料可为压电陶瓷(pzt)。本技术中所提到的压电复合材料是通过将压电陶瓷与聚合物(如环氧树脂或其它聚合物)相结合而制成。本技术中所提到的非周期性均布的方式可理解为若干个柱状的压电陶瓷以不规则的位置关系且不包含重复单元的形式均匀分布，其相较于周期性均布。周期性均布则为包含重复单元并以规则的位置关系分布设置。
38.通过上述设置，本技术的晶体组件23通过将压电陶瓷(pzt)小柱非周期性均匀分布，能够消除横向结构振动模式，从而能够获得较为纯净的厚度振动模式，同时不改变复合材料的其他性能。进一步地，通过选择合适的压电陶瓷(pzt)的压电相体积百分比(例如选
择压电相体积百分比为20％～30％)，能够使得晶体组件23(压电复合材料)的声阻抗很低(大约3mrayls左右)，从而很容易选择合适的环氧材料制作辐射的匹配层25，以实现超声波信号的高效发射与接收。
39.例如，对于海水负载而言，根据超声射透理论，采用一层四分之一波长的匹配层25，对于压电陶瓷(pzt)的相体积百分比为30％的晶体组件23，根据如下公式：
[0040][0041]
其中，z是四分之一波长的匹配层25的特性阻抗，z
水
是水负载的特性阻抗，z
复合
是晶体组件23(压电复合材料)的特性阻抗。
[0042]
通过上述公式的计算可知z为2.89mrayl。而618环氧树脂的特性阻抗2.88mrayl，其与z的数值极为接近，从而618环氧树脂即能够更便于制作辐射阻抗的匹配层25。
[0043]
与此同时，该晶体组件23(压电复合材料)的压电系数较大(大约为300～350pc/n)，介电常数适中(大约为250-500)，机电耦合系数大(大约为60％～70％)，机械品质因素q值小(大约为5～10)，通过选择晶体组件23(压电复合材料)中的压电陶瓷(pzt)的相的体积百分比，并选择合适的匹配层25与背衬26，即可制作出宽频高灵敏度换能器。
[0044]
例如，选择晶体组件23(压电复合材料)中的压电陶瓷(pzt)的相的体积百分比为26％，换能器本体2的辐射阻抗的匹配层25为618环氧树脂，换能器本体2的背衬26为钨粉与环氧的混合物。在清水中使用5072pr尖脉冲发射器采用脉冲-反射方式检测的结果可如下表所示：
[0045][0046]
结合上述数据可知，换能器本体2的带宽范围为183khz～747khz，带宽达121％，回波幅度为328mv(衰减为-20db)，环路灵敏度为-34db，完全满足井下不同壁厚套管以及高衰减条件下的检测需求。
[0047]
如上所述，本技术的换能器本体2的晶片使用复合材料，能够确保高灵敏度的同时，仍能保持较高的频率带宽。在相同的测试条件下，晶体组件23(压电复合材料)的灵敏度是常用超声压电陶瓷晶片灵敏度的至少10倍，因此，即使在密度1.85g/cm3的重油基泥浆的高衰减条件下，仍能检测到套管内壁反射回来的脉冲回波信号。换能器本体2带宽超过110％，能检测4.5mm～15.2mm的套管壁厚，满足绝大部分套管井的检测需求。
[0048]
在一些实施例中，匹配层25的材料可为环氧材料。环氧材料可为环氧树脂。换能器壳体22的材料可为聚醚醚酮。
[0049]
通过上述设置，结合文中对晶体的描述，包括对晶体结构的设置和晶体材料的选择，使得晶体组件23能够适应高温高压下的工作。本技术中，通过使用耐高温的环氧树脂和耐高温的工程塑料聚醚醚酮进行换能器本体2的封装，从而能够满足换能器本体2的整体在约205℃时仍能稳定可靠地工作，同时，还能够使得换能器本体2具备绝缘与较好的机械强度，从而有效地保证了换能器装置100的使用性能。
[0050]
图5为本发明实施例的扫描装置的一些实施例的结构示意图；图6为本发明实施例的扫描装置的使用状态示意图。结合图5和图6所示，根据本发明的第二方面，提供了一种扫描装置200，包括：仪器外壳201；电机202，其设置在仪器外壳201的内部；传动轴203，其一端与电机202相连，另一端延伸出仪器外壳201外；和根据本发明第一方面提供的换能器装置100。其中，换能器装置100设置在仪器外壳201的外部，同时，换能器装置100与传动轴203的端部可拆卸连接。
[0051]
根据套管的实际尺寸，扫描装置200的外径尺寸需要具有若干种，使得扫描装置200在井下工作时，保持换能器装置100与套管的内壁之间保持一定的距离，以确保接收到可用的超声反射信号。通常需要保持在25mm～50mm之间。这样，当一次测井作业需要检测不同规格的套管时，就需要在现场更换不同外径的扫描装置200。现有技术中，换能器浸泡在扫描装置200内部液压油中，因此每次更换换能器需要放油、拆卸、更换换能器、安装换能器、注油等多个步骤，十分繁琐且耗时。本发明实施例的扫描装置200将换能器装置100设置成为单独的装置，其不需要与扫描装置200的内部的液压油进行连通来实现内外压力的平衡，因此，本技术可将换能器装置100与扫描装置200的传动轴203的连接部分设计成快旋螺母对接结构。这样，在现场即可实现快速对接，十分快捷方便，从而提高了扫描装置200的作业时效。
[0052]
需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0053]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0054]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。