一种基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器。其技术方案是：前盖板由内圆锥结构的前盖板前段和设有环形开槽的前盖板后段组成；后盖板采用前端环形开槽的圆筒结构；所述的后压电陶瓷晶堆、中间压电陶瓷晶堆和前压电陶瓷晶堆分别是由压电陶瓷圆环和同径向尺寸的薄金属电极片交替堆叠而成，压电陶瓷圆环的极化方向为圆环片厚度方向；有益效果是：可有效降低换能器谐振频率、拓宽工作频带并减小换能器尺寸，实现了井下发射换能器的低频率和宽频带性能。发射换能器的整体性能，能够满足井下工作的需要，增强了发射换能器在不同钻柱信道中使用的通用性，可减少发射换能器入射信号的损失，保证有效定向发射信号，确保信息传输的准确可靠。
【专利说明】一种基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种井下信息无线传输装置，特别涉及一种基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器。
【背景技术】
[0002]油气井是获取原油和天然气的通道，如何准确地、高质量地建立这条通道一直是钻井工程领域的主要课题。根据世界石油与天然气钻井工程的现状及发展预测，石油钻井行业将面临更复杂的地质条件和更恶劣的自然环境，井下钻井工程参数以及地质参数的测量是减小钻井风险、提高钻井效益的重要保障。其中无线信号传输是井下测量技术的一个关键环节，同时油气钻井的井下信息无线传输技术也是提高钻井精度的关键。井下信息的无线传输技术已经成为随钻测量研究的“重中之重”，也是整个国际钻井界所公认的钻井技术发展的“瓶颈”。对于井下与地面的通信系统来说，目前已提出的无线信息传输方式主要有钻井液脉冲、电磁波和声波三种方式。
[0003]对于井下信息无线传输技术，现以钻井液脉冲方式使用最为广泛，但该方式传输能力有限，数据传输速率较慢，而需要传输的数据量日渐增多，使得该方式无法满足日益提高的技术要求。同时随着油气开发逐步从整装大油田和常规储层向低渗低压低产能储层和非常规储层发生转移，气体、泡沫等各种非常规钻井液被广泛应用，这些非常规钻井液的可压缩性强，不能产生有效的钻井液脉冲，无法使用传统的钻井液脉冲传输方式。
[0004]利用声波通过钻柱传递井下信息是井下信息传输方式发展的重要方向之一，声波传输方式是以钻柱作为传输信道，以声波作为信号载体，进行井下信息的无线传输方式。声波传输方式具有结构简单、成本较低、易于定向发射等优点，同时油气钻井中井下连续的金属钻柱也为声波的井下信息高速传输提供了得天独厚的条件。声波在钻柱中的传播和衰减规律受各种因素影响而变化，钻柱信道频带分布呈现出通带和阻带交替出现的梳状滤波器结构特征，研究认为需选择低频段的纵波作为井下声传输的载波形式，因此需要谐振频率在低频段的井下发射换能器。受制于井下狭小空间，以及可用的电力和井底电子设备的电流承能力，使得井下发射换能器的结构尺寸受到极大限制。同时声波在钻柱中传播还存在严重的噪声和码间干扰，可以采用频分复用(0FDM)等调制技术，以带宽换取信噪比的办法提高数据传输的可靠性和传输速率。满足井下工况和空间限制的低频宽带换能器在井下无线信息传输上有着明显的优势，一是在传输中减少信号的衰减，保证信息的完整性和准确性；二是能够提高信号的传输速率，提高通讯的可靠性和降低误码率。
[0005]因此开发研制满足低频、宽频带、小尺寸和满足井下环境等要求的井下发射换能器，是基于钻柱信道的井下信息声波无线传输技术的必然要求，是亟待解决的科学技术难题。低频、宽频带、小尺寸换能器设计的主要困难是，为了提高发射效率和发射功率，换能器须工作在谐振状态，而越低的工作频率，意味着较大的换能器尺寸，井下空间和工程技术条件都不允许该方式，因此降低工作频率与减小换能器尺寸成为一对矛盾。目前解决该问题的主要方法有:一是应用具有更大顺性和伸缩系数的新型材料；二是开发新型换能器结构。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，可以解决基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器低频率、宽频带和小尺寸要求共存的技术难题。
[0007]其技术方案是包括前盖板、后盖板、后压电陶瓷晶堆、中间压电陶瓷晶堆、前压电陶瓷晶堆、圆环形金属环和台阶型金属圆环以及外套筒，所述的前盖板由内圆锥结构的前盖板前段和设有环形开槽的前盖板后段组成；后盖板采用前端环形开槽的圆筒结构；所述的后压电陶瓷晶堆、中间压电陶瓷晶堆和前压电陶瓷晶堆分别是由压电陶瓷圆环和同径向尺寸的薄金属电极片交替堆叠而成，压电陶瓷圆环的极化方向为圆环片厚度方向；不同结构尺寸的压电陶瓷圆环组成多个压电陶瓷晶堆；多个压电陶瓷晶堆包括后压电陶瓷晶堆、中间压电陶瓷晶堆和前压电陶瓷晶堆，且通过圆环形金属环和台阶型金属圆环粘接成为压电陶瓷体，压电陶瓷体与前盖板、后盖板粘接并安装外套筒。
[0008]上述的后压电陶瓷晶堆、中间压电陶瓷晶堆、前压电陶瓷晶堆分别由偶数个压电陶瓷圆环组成，相邻两片压电陶瓷圆环的极化方向相反。
[0009]上述的薄金属电极片由黄铜或锌、钼、铜制成的易于焊接的圆环片，其外径和内径与相应的压电陶瓷圆环的尺寸相同。
[0010]上述的薄金属电极片与压电陶瓷圆环之间、薄金属电极片与前盖板之间、薄金属电极片与后盖板之间、薄金属电极片与圆环形金属环之间、薄金属电极片与台阶型金属圆环之间的接触部分均由耐高温环氧树脂胶合。
[0011]上述的前盖板前段采用内圆锥结构的圆筒，前盖板后段设有环形开槽，材料为硬铝或铝镁合金制成；前盖板前段和前盖板后段的结构可获得较大的前后端面振速比，用于提高发射换能器入射强度。
[0012]上述的压电陶瓷圆环由压电陶瓷PZT制作而成，极化方向沿圆环厚度方向。
[0013]本发明的有益效果是:本发明通过降低结构刚度、增加结构阻尼和多个压电陶瓷晶堆串联组合的形式，可有效降低换能器谐振频率、拓宽工作频带并减小换能器尺寸，实现了井下发射换能器的低频率和宽频带性能。发射换能器的整体性能，能够满足井下工作的需要，增强了发射换能器在不同钻柱信道中使用的通用性，可减少发射换能器入射信号的损失，保证有效定向发射信号，确保信息传输的准确可靠。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]附图1是本发明的正面结构示意图；
附图2是本发明的内部结构示意图；
图3是井下发射短节与换能器安装示意图；
图4是前盖板结构示意图；
图5是后盖板结构不意图；
图6是压电陶瓷晶堆结构示意图；
图7是圆环薄金属电极片示意图； 图8是压电陶瓷体示意图；
图9是圆环形金属环不意图；
图10是台阶型金属圆环示意图；
图11是外套筒示意图；
图12是换能器发送电压响应曲线图；
上图中:前盖板1、后盖板2、圆环形金属环3、台阶型金属圆环4、后压电陶瓷晶堆5、中间压电陶瓷晶堆6、前压电陶瓷晶堆7、外套筒8 ；
发射换能器9、井下发射短节10、仪器舱11、前盖板前段12、前盖板后段13、后盖板前段14、压电陶瓷圆环15、薄金属电极片16。
【具体实施方式】
[0015]结合附图1-12，对本发明作进一步的描述:
如图1和图2所示的一种基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，本发明包括前盖板1、后盖板2、后压电陶瓷晶堆5、中间压电陶瓷晶堆6、前压电陶瓷晶堆7、圆环形金属环3和台阶型金属圆环4以及外套筒8，所述的前盖板1由内圆锥结构的前盖板前段12和设有环形开槽的前盖板后段13组成；后盖板2采用前端环形开槽的圆筒结构；所述的后压电陶瓷晶堆5、中间压电陶瓷晶堆6和前压电陶瓷晶堆7分别是由压电陶瓷圆环15和同径向尺寸的薄金属电极片16交替堆叠而成,压电陶瓷圆环15的极化方向为圆环片厚度方向；不同结构尺寸的压电陶瓷圆环15组成多个压电陶瓷晶堆；多个压电陶瓷晶堆包括后压电陶瓷晶堆5、中间压电陶瓷晶堆6和前压电陶瓷晶堆7，且通过圆环形金属环3和台阶型金属圆环4粘接成为压电陶瓷体，压电陶瓷体与前盖板1、后盖板2粘接并安装外套筒8。
[0016]其中，薄金属电极片16与压电陶瓷圆环15之间、薄金属电极片16与前盖板1之间、薄金属电极片16与后盖板2之间、薄金属电极片16与圆环形金属环3之间、薄金属电极片16与台阶型金属圆环4之间的接触部分均由耐高温环氧树脂胶合。
[0017]如图3所示，发射换能器9安装在井下发射短节10的环空仪器舱11中，发射换能器前盖板1与发射短节接头端面连接，发射换能器后盖板2安装固定在仪器舱11中。
[0018]如图4所示，前盖板1前段12采用内圆锥形式圆筒，前盖板后段13进行环形开槽，材料为硬铝、铝镁合金等轻金属；如图5所示，后盖板采用圆筒形，材料为钢、黄铜等重金属，后盖板前段14进行环形开槽；前后盖板的结构特点可保证换能器获得较大的前端面振幅，提高发射换能器端面入射强度。
[0019]如图6所示，不同尺寸的压电陶瓷圆环15、压电陶瓷圆环16和压电陶瓷圆环17是由压电陶瓷PZT制作而成，极化方向沿圆环厚度方向。后压电陶瓷晶堆5、中间压电陶瓷晶堆6和前压电陶瓷晶堆7分别由偶数个压电陶瓷圆环15组成，相邻两片压电陶瓷圆环的极化方向相反。如图7所示，薄金属电极片16是由黄铜或锌、钼、铜制成的易于焊接的圆环片，其外径和内径与相应的压电陶瓷圆环的尺寸相同。
[0020]如图8所示，后压电陶瓷晶堆5、中间压电陶瓷晶堆6和前压电陶瓷晶堆7，通过圆环形金属环3和台阶型金属圆环4粘接成为压电陶瓷体。压电陶瓷体与前后盖板粘接并安装外套筒，薄金属电极片与压电陶瓷圆环之间、薄金属电极片与前盖板之间、薄金属电极片与后盖板之间、薄金属电极片与圆环形金属环之间、薄金属电极片与台阶型金属圆环之间等接触部分均由耐高温环氧树脂胶合。
[0021]如图12所示，给出了该发射换能器实例的发送电压响应曲线，发射换能器谐振频率500Hz，工作频带为500Hz-3500Hz，最大发送电压响应为146dB，起伏为12dB。
[0022]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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】
1.一种基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，其特征是:包括前盖板(I)、后盖板(2)、后压电陶瓷晶堆(5)、中间压电陶瓷晶堆(6)、前压电陶瓷晶堆(7)、圆环形金属环(3)和台阶型金属圆环(4)以及外套筒(8)，所述的前盖板(I)由内圆锥结构的前盖板前段(12)和设有环形开槽的前盖板后段(13)组成；后盖板(2)采用前端环形开槽的圆筒结构；所述的后压电陶瓷晶堆(5)、中间压电陶瓷晶堆(6)和前压电陶瓷晶堆(7)分别是由压电陶瓷圆环(15)和同径向尺寸的薄金属电极片(16)交替堆叠而成，压电陶瓷圆环(15)的极化方向为圆环片厚度方向；不同结构尺寸的压电陶瓷圆环(15)组成多个压电陶瓷晶堆；多个压电陶瓷晶堆包括后压电陶瓷晶堆(5)、中间压电陶瓷晶堆(6)和前压电陶瓷晶堆(7)，且通过圆环形金属环(3)和台阶型金属圆环(4)粘接成为压电陶瓷体，压电陶瓷体与前盖板(I)、后盖板(2)粘接并安装外套筒(8)。
2.根据权利要求1所述的基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，其特征是:所述的后压电陶瓷晶堆(5)、中间压电陶瓷晶堆(6)、前压电陶瓷晶堆(7)分别由偶数个压电陶瓷圆环(15)组成，相邻两片压电陶瓷圆环(15)的极化方向相反。
3.根据权利要求1所述的基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，其特征是:所述的薄金属电极片(16)由黄铜或锌、钼、铜制成的易于焊接的圆环片，其外径和内径与相应的压电陶瓷圆环(15)的尺寸相同。
4.根据权利要求1或3所述的基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，其特征是:所述的薄金属电极片(16)与压电陶瓷圆环(15)之间、薄金属电极片(16)与前盖板(I)之间、薄金属电极片(16)与后盖板(2)之间、薄金属电极片(16)与圆环形金属环(3)之间、薄金属电极片(16)与台阶型金属圆环(4)之间的接触部分均由耐高温环氧树脂胶合。
5.根据权利要求1所述的基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，其特征是:所述的前盖板前段(12)采用内圆锥结构的圆筒，前盖板后段(13)设有环形开槽，材料为硬铝或铝镁合金制成；前盖板前段(12)和前盖板后段(13)的结构可获得较大的前后端面振速比，用于提高发射换能器入射强度。
6.根据权利要求1所述的基于钻柱信道的井下信息声波传输发射换能器，其特征是:所述的压电陶瓷圆环(15)由压电陶瓷PZT制作而成，极化方向沿圆环厚度方向。
【文档编号】E21B47/16GK104405370SQ201410144521
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】赵国山, 黄明泉, 都振川, 邱维清, 蒋莉, 陈晓燕, 太东华, 米丰忠, 董金龙, 崔玖菊, 张军涛 申请人:中国石油化工集团公司, 中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司