一种井壁超声成像测井换能器及其测量系统的制作方法

本实用新型涉及钻井测井施工中井壁超声成像技术领域，尤其涉及一种井壁超声成像测井换能器及其测量系统。

背景技术：

近年来，随着全球石油需求量的逐年快速增加，石油勘探中非常规油气藏如页岩气、煤层气等的勘探与开发越来越重要，大斜度井中特别是水平井中钻井测井技术也十分活跃。为了寻找油气藏和提高单井产能，需要弄清楚目的层如页岩气地层的缝隙如倾角、方位、密度等特征及其分布、地层各向异性、地应力分布特征等。超声波成像测井技术可以提供井壁图像信息、裂隙分布特征、井径大小、泥浆声速等，这些信息为油气资源勘探和开发提供了强有力的技术支撑。

井壁超声成像测井技术的工作原理，是在钻孔中，由测量仪器的发射换能器产生方位声波，经由泥浆传播到井壁界面，产生反射声波信号，然后再由接收换能器接收。由于不同岩性的波阻抗不同，所产生反射信号的强弱不同，从而可以反映地层信息。由于井下测量工具(钻具或测井仪器等)可以进行 360度旋转，可以通过此方法实现井周360度的方位声波成像测量，认识井壁图像，了解地层信息。根据反射声波信号的首波到时，经过信号处理与分析，可以计算得到泥浆声速和井径信息。

超声成像测井换能器主要由压电材料层、透声匹配层、背衬层和绝缘密封层等部分组成。换能器主要利用压电材料的厚度振动模式，工作频率主要取决于压电材料的厚度。压电材料目前一般采用压电陶瓷材料和压电复合材料。压电陶瓷材料在产生厚度模式振动的同时，也产生径向模式、弯曲模式等振动，这些模式对厚度模式振动的工作频带有一定的影响。常用压电陶瓷的声阻抗一般在30MRayl左右，与钻孔内流体的声阻抗差异大，难匹配，声波辐射效率低。虽然压电陶瓷材料在制作和耐高压方面具有一定的优势，但由于存在工作频宽有限、阻抗匹配差、辐射效率低等缺点，因此，压电陶瓷超声成像测井换能器在地层适应性方面具有一定的局限性。压电复合材料采用压电相与聚合物相的结合，能够有效突出厚度振动模式，抑制径向模式、弯曲模式，可以增加工作频宽，拓宽了地层的适用范围，这使得该类型的换能器得到很好地应用前景，成为目前井下超声成像测井换能器的一种发展趋势。但是，压电复合材料超声换能器也存在制作工艺复杂、产品一致性低等难度。目前超声成像测井换能器压电复合材料应用最广泛的是1-3型，由于井下超高温(如250℃)、超高压(如200MPa)作用，容易使得压电陶瓷的电极面错位，脱离压电陶瓷银层，造成换能器性能下降，部分甚至完全失效。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种井壁超声成像测井换能器及其测量系统。

第一方面；本实用新型提供一种井壁超声成像测井换能器，包括：压电材料层、透声匹配层、背衬层和绝缘密封层；压电材料层、透声匹配层和背衬层依次层叠，层叠部分通过胶水固定黏结；压电材料层顶面与透声匹配层黏结在一起；压电材料层底面与背衬层黏结在一起；压电材料层、透声匹配层和背衬层容纳于绝缘密封层中；压电材料层通过导线电极与井下电路连接；压电材料层包括压电相和聚合物相，压电相为短圆柱形压电材料，压电相的上下表面分别开设有多个大小相等的圆形通孔，圆形通孔的孔径大于圆形通孔的孔距；圆形通孔内部容纳着与圆形通孔内部空间等大小的聚合物相，聚合物相与压电相固定连接。

优选地，压电相的材料为压电陶瓷材料或压电单晶材料。

优选地，背衬层包括圆柱体结构部分和圆锥体结构部分；圆柱体结构部分的顶面与圆椎体结构部分底面为同一平面；圆柱体结构部分与圆锥体结构部分的高度均为二分之一波长，波长为背衬层中传播的超声波的波长；背衬层的材料具体为重金属粉体颗粒与高分子材料的混合物。

优选地，透声匹配层的结构为短圆柱体，透声匹配层的上下表面与压电材料层的上下表面大小相等；透声匹配层的厚度为四分之一波长，波长为匹配层中传播的超声波的波长。

优选地，所述绝缘密封层的通过特制的模具灌封绝缘密封材料制成。

优选地，导线电极包括第一电极导线和第二电极导线，第一电极导线和第二电极导线相互独立，第一电极导线的一端与压电相的上表面固定连接，第二电极导线的一端与压电相的下表面固定连接，第一电极导线和第二电极导线的另一端延伸并固定在绝缘密封层的表面。

第二方面；本实用新型提供一种井壁超声成像测井的测量系统，包括：换能器；

优选地，还包括：井下电路单元和机械单元；其中，换能器和井下电路单元固定在机械单元的内部构件中，并通过机械单元与外部设备连接；换能器与井下电路单元通过导线电极相互连接；井下电路单元包括：脉冲发射电路模块、接收电路模块、采集处理模块和存储与传输模块。

本实用新型通过对换能器压电材料结构的新型设计，提高了换能器在超高温、超高压的恶劣环境适应性；通过背衬层优化设计，缩小换能器体积。利用该测量系统，可获得小井孔深井、超深井井壁声波图像信息、泥浆声速与井径信息。

附图说明

图1为本实用新型实施例换能器的剖视图；

图2为本实用新型实施例采用新型结构背衬层的换能器的剖视图；

图3为本实用新型实施例换能器压电材料层的顶视图；

图4为普通换能器压电材料层的顶视图；

图5为本实用新型换能器压电材料层和普通压电材料层在空气中自由状态的导纳性能；

图6为本实用新型实施例提供的井壁超声成像测井测量系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

实施例一为本实用新型提供的一种井壁超声成像测井换能器，如图1所示，换能器包括压电材料层102、透声匹配层105、背衬层104和绝缘密封层101；压电材料层102、透声匹配层105和背衬层104依次层叠，层叠部分通过胶水固定黏结；压电材料层102顶面与透声匹配层105黏结在一起；压电材料层102底面与背衬层104黏结在一起；压电材料层102、透声匹配层105 和背衬层104容纳于绝缘密封层101中；压电材料层102通过导线电极103 与井下电路40连接；如图3所示，本实用新型提出3-1型压电复合材料的基本结构，其形状为圆柱形压电陶瓷材料，在圆柱体中钻入若干小孔，小孔之间相互不连通且垂直于圆柱体表面，然后将小孔中充满聚合物，如氟橡胶、硅橡胶、环氧树脂等，就可以得到3-1型压电复合材料。若采用压电单晶作为压电相，复合材料具有更好的高温特性。3-1型压电复合材料的特点是电极面焊接方便，不用单独粘接电极面或者溅射电极面，优化了制作工艺。更为重要的是，可以避免由于高温高压引起的高分子相与压电陶瓷相的体积膨胀差异，造成电极面剥离而引起换能器性能下降。

图3中，3-1型压电复合材料的结构：结构为短圆柱体的压电相，直径38mm，厚度5mm，圆形贯穿孔均匀分布在压电相的上下表面，圆形贯穿孔的孔径2mm，圆形贯穿孔的孔间中心距3mm，聚合物相充满各个圆形贯穿孔形成的内部空间。聚合物与整个压电材料层的相对体积比约为33.5％。压电材料为PZT5压电陶瓷，聚合物材料为环氧树脂。为了突出显示本实用新型中3-1型压电复合材料换能器在测井中的应用优势，我们分析了相同尺寸的3-1型压电复合材料层(如图3所示)和普通结构的压电陶瓷材料层(如图4所示)在空气中自由状态下的导纳性能。图5为两种压电材料在200～400kHz频率范围内的电导-频率曲线对比图，图中虚线表示3-1型压电复合材料的电导-频率曲线，实线表示普通结构的压电陶瓷材料电导-频率曲线。从图上可以看出，3-1型压电复合材料具有较宽的频带和较高的电导峰值。并且同样的，3-1型压电复合材料对压电材料换能器弯曲模式的抑制有很好的效果。

背衬层104与压电材料102底部黏结在一起，背衬层104一般由重金属粉体颗粒与高分子材料按照一定比例混合而成，重金属材料包括金属钨粉，高分子材料包括但不局限于环氧树脂、氟橡胶、聚氨酯等。不同比例的背衬层104对声波的吸收和衰减不同，一般来说金属颗粒所占比例越高，而且混合越均匀，声衰减越大。由于金属颗粒直径对不同频率的声波吸收和衰减是不同的，所以对于不同谐振频率，压电晶体的背衬层金属颗粒的直径也不相同，一般频率值越高，金属颗粒直径值越小。此外，背衬层104的形状也是影响声衰减的重要因素。背衬层104一般为圆柱体形状。

其中，优选地；本实用新型提出圆柱体与圆锥体形状相结合背衬层204，见图2，圆柱体直径略大于压电材料层的直径，高度为二分之一波长，圆锥体底面直径与圆柱体直径相同，高度为二分之一波长，该波长为背衬层传播的超声波的波长。这种非等厚结构，可以避免等厚背衬所激发的驻波，有效地实现声衰减，也可以通过不同厚度的多共振实现拓展带宽，还可以节省贵重金属材料(如钨粉)，更重要的是可以减小背衬层104的高度和体积，这有利于发射换能器10装配在直径更小的测量装置上，适应小直径探测仪器的井下声学测量。

压电材料102顶面与透声层105黏结在一起，可以使声波有效地通过透声层105传播到辐射介质(如泥浆)中，从而减小传播过程中的能量损失。

其中，优选的，所述透声匹配层105的结构为短圆柱体，所述透声匹配层105的上下表面与所述压电材料层102的上下表面大小相等；所述透声匹配层的厚度为四分之一波长，该波长为所述匹配层中传播的超声波的波长。一般透声匹配层105材料的波阻抗介于压电材料层102和辐射介质(如泥浆、水)之间，可以是环氧树脂、聚氨酯、氟橡胶等胶黏剂与粉体材料等混合固化而成，通过调节胶黏剂与粉体的比例、粉体的密度等，可以得到最佳声阻抗。

绝缘密封层101主要是起到绝缘密封作用。

其中，优选地，可以根据外部装置的具体结构特征将绝缘密封层101设计相应的形状，也可以通过特制的模具灌封绝缘密封材料实现。绝缘密封材料一般为环氧树脂、硅橡胶、聚醚醚酮等，但不局限于此类材料。

导线电极103包括第一电极导线和第二电极导线，第一电极导线和第二电极导线相互独立，第一电极导线的一端与压电相的上表面固定连接，第二电极导线的一端与压电相的下表面固定连接，第一电极导线和第二电极导线的另一端延伸并固定在绝缘密封层101的表面。

实施例二为本实用新型提供的一种井壁超声成像测井测量系统，如图6 所示，测量系统40放置在充满泥浆的钻孔50中，井壁为51，测量装置40主要包括三部分组成。第一部分是换能器单元10，主要包括发射换能器11，接收换能器12。第二部分是井下电路单元20，包括脉冲发射电路模块、接收电路模块、采集与处理模块、存储与传输模块。第三部分是机械单元30，主要是换能器组合与井下电路的安装骨架。通过机械单元30可以与井下其它仪器连接。

本实用新型提出了一种新型结构压电复合材料超声换能器，旨在通过压电相和聚合物相的新结构设计，使其更加适应井下超高温、超高压等恶劣环境；通过背衬层新结构设计，可以减小换能器高度和体积，使其更加适应超深井小钻孔的井壁超声测量。360度超声成像扫描，可以获得井壁方位地层图像信息，不同井深的井径值和泥浆声速。换能器具有耐高温、耐高压，宽频带，高分辨率，小体积等特点。上述优点更加有利于深层、超深层和长水平段大斜度井的非常规油气藏探测，可以使超声成像测井技术的工程应用功能得到进一步扩展。

以上的具体实施方式，对本实用新型的目的、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，以上仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。