一种阵列声波换能器的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种阵列声波换能器，包括：换能器安装架、壳体、密封件以及接收换能器组件，所述壳体包覆在换能器安装架外侧，所述密封件在壳体与换能器安装架之间被压紧，从而通过弹性形变来密封所述壳体内部的腔室，所述接收换能器组件以阵列形式安装至所述换能器安装架，所述接收换能器组件包括：用于接收声波并将声波转换为电信号的换能器晶片；以及由高分子材料制成的覆层，所述覆层完全地包覆所述换能器晶片。
【专利说明】一种阵列声波换能器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及声波测井技术，尤指一种用于测井仪器的阵列声波换能器。
【背景技术】
[0002]声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测井就是利用岩石的这些声学性质来研究钻井的地质剖面，判断固井质量的一种测井方法。阵列声波仪器能够测量地层的纵波、横波、斯通利波，通过一定的数学计算方法便能提取这些波的首波传播时间，计算频散特性，从而分析出岩石的声学特性，再结合密度、泥质含量、孔隙度等曲线能够计算地层弹性力学参数、机械特性参数、泥浆参数、地层渗透率等参数，并且能够计算各向异性地层的各向异性大小和方位。由于这些特点，目前阵列声波测井已得到了广泛的应用。尤其在解决复杂的地质问题，为油田增产、增效服务方面，起到了非常重要的作用。
[0003]声波测井仪器主要包括发射换能器、接收换能器、隔声体以及电气部分等部件。电气部分用来提供电信号；触发发射换能器发射声波；接收换能器接收返回的声波信号，并将其转换成电信号。常用电声换能器主要为压电式换能器。压电式换能器利用了某些单晶材料的压电效应和某些多晶材料的电致伸缩效应。在电信号的作用下发射换能器以其压电效应的逆效应产生声振动，发射声波；在声波信号的作用下，接收换能器以其压电效应的正效应接收声波，形成电信号，并将放大后的电信号经电缆送至地面仪器记录。由于反射后的声波往往来自多个方向并呈现多种形态，因此需要面向各个方向的多种接收换能器，这些接收换能器组合为阵列声波换能器。隔声体隔离发射换能器和接收换能器，通过延长声波的传播路径并增加声波的反射次数，以防止发射换能器发射的声波经仪器部件传至接收换能器造成对地层测量的干扰。
[0004]为接收稳定的声波信号，阵列声波换能器浸没于油液之中，并且由于换能器中使用的晶片脆性大、强度低，因此现有的阵列声波换能器使用橡胶皮囊包覆接收换能器并在晶片周围布置橡胶垫片，用以对接收换能器及其上的晶片进行保护。同时，这些橡胶部件还起到消减声波信号在接收换能器间传播，即提高接收换能器间的声阻的作用。
[0005]图1示出了现有技术的阵列声波换能器组件的部分剖视图。如图1所示，现有的接收换能器组件包括换能器安装架11、换能器晶片12、橡胶垫片13、橡胶绑带14以及橡胶皮囊15。一方面橡胶皮囊15对内部充油的环境进行密封，另一方面皮囊的弹性能够缓冲外部的压力，从而保护其内部的换能器。图2示出了现有技术的阵列声波换能器中的一组接收换能器的透视图。如图2中更清楚地显示的，为了减少安装时使换能器晶片12产生内应力以及防止使用时受到冲击而造成损坏，现有技术中主要利用橡胶垫片13及橡胶绑带14来进行减震和缓冲。换能器晶片12的下表面贴靠橡胶垫片13上，而换能器晶片12的上表面被橡胶绑带14压住，该压力的大小可通过更换不同弹性的橡胶绑带来调节。这样换能器晶片12的上下表面都紧靠具有弹性的橡胶件，保证了其不与坚硬的金属件接触，同时由于橡胶件对换能器晶片的压力很小，不会使晶片产生内应力，从而不仅固定了晶片，还对晶片起到了保护和防震的作用。
[0006]但是，由于橡胶的耐高温、抗腐蚀的性能较其他金属零件较差，其一直是整个阵列换能器的薄弱环节。在遇到高温和硫化氢时，经常遇到橡胶皮囊破损的情况，直接影响仪器的使用。虽然国内外有各种特种橡胶标称可满足高温和耐腐蚀性能，但价格都非常昂贵。
【发明内容】
[0007]为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种阵列声波换能器，能够消除了橡胶零件的使用，以提升设备的使用耐受性、使用寿命以及可靠性。
[0008]为了达到本实用新型目的，本实用新型公开了一种阵列声波换能器。该阵列声波换能器包括:换能器安装架、壳体、密封件以及接收换能器组件，所述壳体包覆在换能器安装架外侧，所述密封件在壳体与换能器安装架之间被压紧，从而通过弹性形变来密封所述壳体内部的腔室，所述接收换能器组件以阵列形式安装至所述换能器安装架。所述接收换能器组件包括:用于接收声波并将声波转换为电信号的换能器晶片；以及由高分子材料制成的覆层，所述覆层完全地包覆所述换能器晶片。
[0009]在多种实施方式中，所述覆层包括用于将所述接收换能器组件连接至所述换能器安装架的连接特征，所述连接特征一体地形成在覆层上。
[0010]在多种实施方式中，所述高分子材料为聚醚醚酮。
[0011]在多种实施方式中，所述连接特征为多个通孔。在多种实施方式中，所述连接特征为多个插针。
[0012]在多种实施方式中，所述多个接收换能器组件包括不同种类的换能器。
[0013]在多种实施方式中，所述阵列形式为:在所述换能器安装架的圆周方向朝向四面排列四个所述接收换能器组件，所述四个接收换能器组件形成的单元在所述换能器安装架的轴向重复排列而形成的阵列。在多种实施方式中，所述阵列包括八个所述单元。
[0014]在多种实施方式中，换能器安装架包括多个隔声槽。在多种实施方式中，所述换能器安装架的内表面和外表面均形成有所述隔声槽。
[0015]与现有技术相比，本实用新型的阵列声波换能器中的换能器晶片被高分子材料的覆层所完全地包覆。这种结构起到了现有技术中的橡胶垫片、橡胶绑带以及橡胶皮囊的保护和减震作用，即消除了这些橡胶零件的使用，这大大提升了设备的使用耐受性、使用寿命以及可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为现有技术的阵列声波换能器的部分剖视图。
[0017]图2为现有技术的阵列声波换能器中的一组接收换能器的透视图。
[0018]图3为本实用新型的阵列声波换能器的剖视图。
[0019]图4为图3中的换能器安装架的主视图。
[0020]图5a为本实用新型的阵列声波换能器的接收换能器组件的透视图。
[0021]图5b为图5a中的接收换能器组件的剖视透视图。
【具体实施方式】
[0022]图3示出了本实用新型的阵列声波换能器的剖视图。如图3所示，根据本实用新型的一种实施方式，阵列声波换能器100包括换能器安装架110、多个接收换能器组件120、密封件130以及壳体(为清楚显示安装架结构，图中省略了壳体)。
[0023]图4为图3中的换能器安装架的主视图。结合图3和图4所示，换能器安装架110包括安装槽111，用于安装接收换能器组件120。一般来说，安装槽111的形状被设计为与接收换能器组件120的形状相适应。为防止声波在仪器中传播而干扰测井效果，换能器安装架110还包括多个隔声槽112。隔声槽112被设置在换能器安装架110的内外表面，这种设置使得换能器安装架110的表面均没有超过一定长度的平整表面，从而增长了声波在仪器内部的传播路径、增多了反射次数，进而减少了信号干扰。换能器安装架110还包括密封槽113，用于安装密封件130。
[0024]阵列声波换能器100的壳体被使用常规的紧固方式装配在换能器安装架110外部，并且通过密封件130而将内部的腔室密封。密封件130安装在密封槽113中。在本实施方式中，密封件130为0形密封圈。在其他实施方式中，密封件130可以为适合于换能器安装架110的形状、尺寸以及工作环境的任意密封件。由于下文将描述的覆层结构，换能器晶片不再直接暴露于外界的压力之下，因此本实用新型的壳体可以由金属材料制成，这与现有技术中使用橡胶皮囊来平衡压力的结构有很大不同。对橡胶皮囊的省略极大地改善了设备的可靠性。
[0025]从图3可以看出，多个接收换能器组件120以阵列的方式连接至换能器安装架110，用于接收反射的声波信号。多个接收换能器组件120可以为不同种类的接收换能器，这样做的优势在于可以接收不同的波形，从而从不同角度认识和评价复杂地层的各种属性。根据本实用新型的一种实施方式，阵列声波换能器100可以以下列方式形成阵列:在换能器安装架110的圆周方向有四个接收换能器组件120朝向四面排列(即大体上互相成90度角)，该四个接收换能器组件120形成的单元在换能器安装架110的轴向重复排列而形成阵列。根据本实用新型的一种实施方式，阵列声波换能器100可以包括八个该单元，即共三十二个接收换能器组件120。其中，每个单元之间的间隔可以为一致的。根据本实用新型的其他实施方式，阵列声波换能器100可以包括以任意形式排列的更多和更少的接收换能器组件120。
[0026]参考图5a和图5b，图5a为本实用新型的阵列声波换能器的接收换能器组件的透视图，图5b为图5a中的接收换能器组件的剖视透视图。如图5a和图5b所示，根据本实用新型的接收换能器组件120包括换能器晶片121、和覆层122。
[0027]换能器晶片121用于接收信号并将信号转换为电能等其他形式的能力，其可以为压电材料，包括但不限于天然石英(Si02)晶片、人工单晶材料如硫酸锂(Li2S04)、铌酸锂(LiNb03)以及压电陶瓷，如锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BaTi03)、铌酸铅(PbNb203)等。
[0028]覆层122完全地包覆换能器晶片121，并界定连接特征122。覆层122可以为任意适合的高分子聚合物材料，优选地为聚醚醚酮(PEEK)。聚醚醚酮(PEEK)具有耐高温、耐化学药品腐蚀等物理化学性能，并具有良好的透声性。这样，覆层122降低了换能器晶片121在高温高压的使用环境中受到损坏的风险，同时保证了其使用性能。
[0029]在优选的实施方式中，覆层122包括连接特征1221，以将接收换能器组件120连接至换能器安装架110的安装槽111中。连接特征1221在覆层122的制造过程中一体化地形成在覆层122中，这大大减少了接收换能器组件的零件数，并简化了制造和安装过程。连接特征1221可以为多个通孔，便于使用螺钉等紧固件固定接收换能器组件120。这些通孔沿容纳在覆层122内的换能器晶片121的厚度方向延伸，且位于覆层122上不与换能器晶片121重叠的位置。连接特征还可以为螺纹孔、插针等任意适合的连接特征。在使用插针作为连接特征1221的实施例中，换能器安装架110的安装槽111中包括对应的插针孔。
[0030]通过将换能器晶片完全包覆在高分子覆层中的结构，替代了现有技术中的橡胶垫片、橡胶绑带以及橡胶皮囊，本实用新型的阵列声波换能器100完全地消除了橡胶零件的使用，并且能够实现更佳的使用效果，这大大提升了设备的使用耐受性、使用寿命以及可靠性。
[0031]虽然前文提到本实用新型可以用于石油测井技术，但本实用新型的应用领域还包括舰艇、潜艇、海洋测绘、超声无损检测等。本说明书的结构和实例均为示例性的，本实用新型的范围仅由权利要求书限定。
【权利要求】
1.一种阵列声波换能器，其特征在于，包括:换能器安装架、壳体、密封件以及接收换能器组件，所述壳体包覆在换能器安装架外侧，所述密封件在壳体与换能器安装架之间被压紧，从而通过弹性形变来密封所述壳体内部的腔室，所述接收换能器组件以阵列形式安装至所述换能器安装架，所述接收换能器组件包括: 用于接收声波并将声波转换为电信号的换能器晶片；以及 由高分子材料制成的覆层，所述覆层完全地包覆所述换能器晶片。
2.如权利要求1所述的阵列声波换能器，其特征在于:所述覆层包括用于将所述接收换能器组件连接至所述换能器安装架的连接特征，所述连接特征一体地形成在覆层上。
3.如权利要求1所述的阵列声波换能器，其特征在于:所述高分子材料为聚醚醚酮。
4.如权利要求2所述的阵列声波换能器，其特征在于:所述连接特征为多个通孔。
5.如权利要求2所述的阵列声波换能器，其特征在于:所述连接特征为多个插针。
6.如权利要求1所述的阵列声波换能器，其特征在于:所述多个接收换能器组件包括不同种类的换能器。
7.如权利要求1所述的阵列声波换能器，其特征在于:所述阵列形式为:在所述换能器安装架的圆周方向朝向四面排列四个所述接收换能器组件，所述四个接收换能器组件形成的单元在所述换能器安装架的轴向重复排列而形成的阵列。
8.如权利要求7所述的阵列声波换能器，其特征在于:其包括八个所述单元。
9.如权利要求1所述的阵列声波换能器，其特征在于:换能器安装架包括多个隔声槽。
10.如权利要求9所述的阵列声波换能器，其特征在于:所述换能器安装架的内表面和外表面均形成有所述隔声槽。
【文档编号】E21B49/00GK204140054SQ201420388422
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2014年7月14日
【发明者】陈洪海, 鲍忠利 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油田服务股份有限公司