专利名称：一种声波换能器及其测井装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及声波测井领域，尤其涉及一种声波换能器及其测井装置。
背景技术：
声波测井在地层评价、石油工程、采油工程等领域发挥着越来越重要的作用，采用声波测井技术可以获得地层的孔隙度、渗透率、波的能量衰减、反射及透射、地层的各向异性等多种地层评价参数，应用极其广泛。传统测井的声波换能器，都需要密封在现场仪器中，例如承压声系短节中，为了使声波换能器的压电陶瓷片与井内液体隔绝，需从内向外依次安装密封材料(如耐温橡胶)、金属外壳等，这种声系短节中声波信号传播需经过多层介质，必然存在较大衰减。
为了减小上述金属外壳对声波信号传播的影响，声波测井声系中需要设计特殊的透声结构。现有的电缆测井中声波换能器的透声方法一般米用在外壳上切割声窗，声窗的面积要求尽可能大以取得好的透声效果。但是在随钻测井中，钻铤与井壁地层之间存在长时间的较大摩擦，使得这种采用大面积声窗的透声结构难以使用，因而，也难以应用到随钻声波测井中。因此，一种既不需要透声结构，又可以减小声波信号传播时各种介质导致的信号衰减，同时还具有好的声波发射效率(发射换能器)或者好的声波信号接收灵敏度(接收换能器)的声波换能器是随钻声波测井领域，乃至整个声波测井领域中的关键技术。
发明内容
本发明实施例提供一种声波换能器及其测井装置，用于解决现有声波测井装置需要设置透声结构，因此声波信号传播时大幅度衰减的问题。本发明实施例提供的一种声波换能器及其测井装置，通过以下方案解决上述技术问题。—种声波换能器，其中，所述声波换能器包括金属基片、压电陶瓷片；其中所述压电陶瓷片的一面固定于所述金属基片的第一表面，所述金属基片的第二表面与井内液体直接接触。根据上述的声波换能器，其中，所述声波换能器还包括固定孔，所述固定孔设置于所述压电陶瓷片外围的所述金属基片上。根据上述的声波换能器，其中，所述声波换能器还包括环形凹槽，所述环形凹槽设置于所述金属基片上并环绕所述压电陶瓷片的外围。根据上述的声波换能器，其中，所述环形凹槽为四边形，其中至少一条边两端凹槽的深度不等于该条边中间部分凹槽的深度。根据上述的声波换能器，其中，所述声波换能器具有多片所述压电陶瓷片，其中，每一所述压电陶瓷片的一面均固定于所述金属基片的第一表面。
根据上述的声波换能器，其中，包括两片所述压电陶瓷片；其中，一片所述压电陶瓷片的一面与另一片所述压电陶瓷片的一面以相反的极化方向固定于所述金属基片上。根据上述的声波换能器，其中，所述声波换能器为平板状或弧面状。本发明实施例还提供一种测井装置，其中，所述装置包括声波换能器组以及声系短节；所述声波换能器组包括至少一个如前所述的任意一声波换能器；所述声系短节的外侧面具有一容置凹槽，所述声波换能器组的金属基片盖合固定于所述容置凹槽上，并与所述容置凹槽共同形成一密闭空间，所述声波换能器组的压电陶 瓷片处于所述容置凹槽内。根据上述的测井装置，其中，所述声波换能器组通过固定孔与所述声系短节连接。根据上述的测井装置，其中，所述装置还包括密封圈，设置于所述金属基片与所述声系短节结合的部位之间。如上所述的本发明实施例的声波换能器及其测井装置能够达到如下效果本发明提供的声波换能器能够解决传统声波测井中信号传输经过多层介质而存在较大衰减的问题，同时该换能器不需要附加传统声波测井的透声结构，据此可以设计声波测井仪的声系，尤其适用于随钻声波测井声系。本发明提供的声波换能器其金属基片具有密封和保护盖片的作用，直接与井内液体接触。用作发射换能器时，能够通过井内液体直接向井壁地层中辐射声波能量，增大辐射到井壁地层的有效能量；用作接收换能器时，可以直接接收来自井壁地层的声波信号，具有较高的灵敏度。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中图I为本发明实施例中一种声波换能器的结构示意图；图2为本发明图I中一种声波换能器沿A-A方向的剖面示意图；图3为本发明另一实施例中一种声波换能器的剖面不意图；图4为本发明另一实施例中一种声波换能器的具有差分连接端子的剖面示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。如图I及图2所示，为本发明实施方式中一种声波换能器10的结构示意图以及其沿A-A方向的剖面示意图，其包括金属基片101、压电陶瓷片102 ;其中所述压电陶瓷片102的一面固定于所述金属基片101的第一表面,所述金属基片101的第二表面能够与井内液体直接接触。较佳的，将压电陶瓷片102的一面粘接在金属基片101的第一表面上。本发明实施例所提供的声波换能器的金属基片是信号输入/输出的端子之一，在使用过程中直接可以将不具有压电陶瓷片的一面向外固定在一声系短节上，而无需增加额外的透声结构；且采用本发明实施例的声波换能器既可作为发射换能器，直接将震动产生的能量通过井内液体辐射到地层中，又能作为接收换能器接收井内液体耦合的地层声波信号。在本发明所提供的一种较佳的实施方式中，所述声波换能器10还包括环形凹槽104，所述环形凹槽104设置于所述金属基片101上并环绕所述压电陶瓷片102的外围。在本发明实施例中通过在压电陶瓷片周围的金属基片上加工有环形凹槽，能够有效利用换能器的振动。通过本发明实施例所提供的声波换能器可由金属基片和仅固定在金属基片其中一个面上的压电陶瓷片构成，且金属基片另一面与井内液体能够直接接触，从而运用在声波测井装置中不需要附加任何透声结构，便可以实现较好的透声效果，同时减小了传统声波测井装置中声波传播经过多层介质而造成的较大衰减。使发射换能器能够通过井内液体直接向井壁地层中辐射声波能量，增大辐射到井壁地层的有效能量；接收换能器可以直接接收来自井壁地层的声波信号，具有较高的灵敏度。且该金属基片不仅作为输入/输出的端子之一，还能作为盖板对声系短节中的压电陶瓷片具有密封和保护作用，能够适合于电缆测井和随钻测井对波测井仪器要求外壳耐压、耐磨等工作环境的需要。 根据本发明提供的一较佳的实施方式，所述声波换能器还包括固定孔103，所述固定孔103设置于所述压电陶瓷片102外围的所述金属基片101上，固定孔的设置是将该换能器固定到声系短节上，不仅将该换能器牢固地固定到该声系短节上，同时配合橡胶密封圈还有利于保护压电陶瓷片不受井内的液体影响。本发明提供的一种声波换能器，另一较佳的实施方式中，由于环形凹槽的设置可以有效利用声波换能器的振动，为了更好的利用换能器振动，该环形凹槽可以设计为不同的结构，较佳的，所述环形凹槽可以设置为四边形，其中至少一条边两端凹槽的深度不等于(大于或小于)该条边中间部分(两端以外的部分)凹槽的深度，换句话说，也可以是至少一条边的凹槽中间部分的深度大于或小于边与边之间交点处的凹槽深度，借此，可以提高该声波换能器的振动幅度，产生有效的振动模式，避免因此而产生的声波衰减。具体的深度可以根据换能器的振动模式以及对声波换能器的需求而定。本发明提供的一种声波换能器，另一较佳的实施方式中，如图3所示，所述声波换能器具有多片所述压电陶瓷片102，其中，每一所述压电陶瓷片102的一面均固定于所述金属基片的第一表面。由两片及以上的多片压电陶瓷片，其中每一片压电陶瓷片周围的金属基片上可以都设有环形凹槽，其与单片压电陶瓷片所构成的声波换能器的结构类似，因此不再赘述。对于发射换能器，采用双片或者多片的压电陶瓷片可以提高辐射到地层的声波倉tfi。本发明提供的一种声波换能器，另一较佳的实施方式中，所述换能器包括两片所述压电陶瓷片，一片所述压电陶瓷片的一面与另一片所述压电陶瓷片的一面以相反的极化方向固定于所述金属基片上，如图4所示，一压电陶瓷片102的负极粘接于金属基片101上，而另一压电陶瓷片102’的正极粘接在金属基片101上，这样压电陶瓷片102以及102’与金属基片粘接面的极化方向相反，且上述两片压电陶瓷片102以及102’的另一面可以各连接一个输出端子，用以输出差分信号，这样可以提高换能器的灵敏度和抗干扰能力，特别适合用作接收换能器。本发明提供的一种声波换能器，另一较佳的实施方式中，所述声波换能器为平板状或弧面状，能够适应电缆测井和随钻测井对换能器外形的要求。
本发明实施方式中还提供一种测井装置，该装置包括声波换能器组以及声系短节;所述声波换能器组包括至少一个如上述实施例中所述的任意一声波换能器；该声波换能器可以用做发射换能器，也可以用做接收换能器，或者声波换能器组中同时包含发射换能器以及接收换能器。较佳的，在同时包含发射换能器以及接收换能器时，通常设置一隔声装置，避免声波通过声系短节的外壳直接从发射换能器传播到接收换能器。较佳的所述声波换能器根据电缆测井和随钻测井对声波换能器的外形的要求可以为平板状或弧面状。本发明的一个实施例，能够用于随钻声波测井的作业中，其中，所述声系短节的外侧面具有一容置凹槽，所述声波换能器组的金属基片盖合固定于所述容置凹槽上，并与所述容置凹槽共同形成一密闭空间，所述声波换能器组的压电陶瓷片处于所述容置凹槽内， 所述金属基片的第二表面与井内液体直接接触。金属基片直接与井内液体接触，而压电陶瓷片处于密封的声系短节中，这样无需附加透声结构以及外层包裹的保护层，可以减小声波信号传播时各种介质导致的衰减，同时具有好的声波发射效率(发射换能器)或者好的接收灵敏度(接收换能器)。其中的金属基片不仅作为输入/输出的端子之一，还能作为盖板对声系短节中的压电陶瓷片具有密封和保护作用，能够适应随钻测井对波测井仪器要求外壳耐压、耐磨等工作环境的需要。本发明提供的一种测井装置，其中一较佳的实施方式，所述声波换能器组通过固定孔与所述声系短节连接。固定孔的设置是将该换能器固定到声系短节上的凹槽中，以利于保护压电陶瓷片不受井内的液体影响。本发明提供的一种测井装置，另一较佳的实施方式中，所述装置还包括密封圈，设置于所述金属基片与所述声系短节结合的部位之间，这样可以使得金属基片与声系短节的接合得更加紧密，保证对声系短节换能器放置空间的密闭，防止外界的介质流入声系短节中的换能器放置空间内部而影响压电陶瓷片。借此，本发明实施例提供的一种声波换能器及其测井装置不仅结构简单合理，而且省去透声结构以及各种密封材料的设置，不仅减少了材料的成本以及制造成本，同时使声波信号在传播时的衰减大大降低，并且还具有好的声波发射效率(发射换能器)或者好的接收灵敏度(接收换能器)，特别适合应用于随钻声波测井领域。以上所述的具体实施方式
，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式
而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种声波换能器，其特征在于，所述声波换能器包括 金属基片、压电陶瓷片；其中 所述压电陶瓷片的一面固定于所述金属基片的第一表面，所述金属基片的第二表面与井内液体直接接触。
2.根据权利要求I所述的声波换能器，其特征在于，所述声波换能器还包括固定孔，所述固定孔设置于所述压电陶瓷片外围的所述金属基片上。
3.根据权利要求I所述的声波换能器，其特征在于，所述声波换能器还包括环形凹槽，所述环形凹槽设置于所述金属基片上并环绕所述压电陶瓷片的外围。
4.根据权利要求3所述的声波换能器，其特征在于，所述环形凹槽为四边形，其中至少一条边两端凹槽的深度不等于该条边中间部分凹槽的深度。
5.根据权利要求I所述的声波换能器，其特征在于，所述声波换能器具有多片所述压电陶瓷片，其中，每一所述压电陶瓷片的一面均固定于所述金属基片的第一表面。
6.根据权利要求5所述的声波换能器，其特征在于，包括两片所述压电陶瓷片；其中，一片所述压电陶瓷片的一面与另一片所述压电陶瓷片的一面以相反的极化方向固定于所述金属基片上。
7.根据权利要求I所述的声波换能器，其特征在于，所述声波换能器为平板状或弧面状。
8.一种测井装置，其特征在于，所述装置包括 声波换能器组以及声系短节； 所述声波换能器组包括至少一个如权利要求f 7中所述的任意一声波换能器； 所述声系短节的外侧面具有一容置凹槽，所述声波换能器组的金属基片盖合固定于所述容置凹槽上，并与所述容置凹槽共同形成一密闭空间，所述声波换能器组的压电陶瓷片处于所述容置凹槽中。
9.根据权利要求8所述的测井装置，其特征在于，所述声波换能器组通过固定孔与所述声系短节连接。
10.根据权利要求9所述的测井装置，其特征在于，所述装置还包括密封圈，设置于所述金属基片与所述声系短节结合的部位之间。
全文摘要
本发明的实施例涉及声波测井领域，尤其涉及一种声波换能器及其测井装置。其中该声波换能器包括金属基片、压电陶瓷片；所述压电陶瓷片的一面固定于所述金属基片的第一表面，所述金属基片的第二表面与井内液体直接接触。借此，本发明能够不需要透声结构，还可以减小声波信号传播时各种介质导致的信号衰减，同时还具有好的声波发射效率或者好的声波信号接收灵敏度，更直接有效地完成声波测井的作业。
文档编号E21B47/18GK102877839SQ20121038222
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者卢俊强, 鞠晓东, 乔文孝, 赵宏林 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油大学(北京)