一种井壁超声成像测井换能器及其测量系统技术方案

本发明专利技术提供一种井壁超声成像测井换能器，包括发射换能器(11)和接收换能器(12)；其中，发射换能器(11)包括压电材料层(102)、透声匹配层(105)、背衬层(204)和绝缘密封层(101)；压电材料层(102)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。本发明专利技术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。

A borehole ultrasonic imaging logging transducer and its measuring system

The present invention provides a borehole ultrasonic imaging logging transducer, including a transmitting transducer (11) and a receiving transducer (12), wherein the transmitting transducer (11) comprises a piezoelectric material layer (102), a sound transmission matching layer (105), a backing layer (204) and an insulating sealing layer (101), and a piezoelectric material layer (102) comprises a piezoelectric phase and a polymer phase, and the piezoelectric phase is a short circle. In cylindrical piezoelectric materials, the upper and lower surfaces of the piezoelectric phase are respectively provided with a number of circular through-holes of equal size, and the aperture diameter of the circular through-holes is larger than the aperture spacing of the circular through-holes. The invention improves the adaptability of the transducer in the harsh environment of ultra-high temperature and ultra-high pressure by designing the piezoelectric material structure of the transducer, and reduces the volume of the transducer by optimizing the backing layer.

【技术实现步骤摘要】
一种井壁超声成像测井换能器及其测量系统
本专利技术涉及钻井测井施工中井壁超声成像
，尤其涉及一种井壁超声成像测井换能器及其测量系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术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；本专利技术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；本专利技术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。本专利技术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为本专利技术实施例换能器的剖视图；图2为本专利技术实施例采用新型结构背衬层的换能器的剖视图；图3为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。实施例一为本专利技术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，本专利技术提出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。为了突出显示本专利技术中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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种井壁超声成像测井换能器，包括发射换能器(11)和接收换能器(12)；其中，所述发射换能器(11)包括压电材料层(102)、透声匹配层(105)、背衬层(204)和绝缘密封层(101)；其特征在于，所述压电材料层(102)包括压电相和聚合物相，所述压电相为短圆柱形压电材料，所述压电相的上下表面分别开设有多个大小相等的圆形通孔，所述圆形通孔的孔径大于所述圆形通孔的孔距；所述圆形通孔内部容纳着与所述圆形通孔内部空间等大小的所述聚合物相，所述聚合物相与所述压电相固定连接。

【技术特征摘要】
1.一种井壁超声成像测井换能器，包括发射换能器(11)和接收换能器(12)；其中，所述发射换能器(11)包括压电材料层(102)、透声匹配层(105)、背衬层(204)和绝缘密封层(101)；其特征在于，所述压电材料层(102)包括压电相和聚合物相，所述压电相为短圆柱形压电材料，所述压电相的上下表面分别开设有多个大小相等的圆形通孔，所述圆形通孔的孔径大于所述圆形通孔的孔距；所述圆形通孔内部容纳着与所述圆形通孔内部空间等大小的所述聚合物相，所述聚合物相与所述压电相固定连接。2.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述背衬层(204)包括圆柱体结构部分和圆锥体结构部分；所述圆柱体结构部分的顶面与所述圆锥体结构部分底面为同一平面；所述圆柱体结构部分与所述圆锥体结构部分的高度均为二分之一波长，所述波长为背衬材料层中传播的超声波的波长；所述背衬层(204)的材料具体为重金属粉体颗粒与高分子材料的混合物。3.根据权利要求1所述的换能器，其特征在于，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，所述波长为所述透声匹配...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛健生，车承轩，魏倩，刘彬，付琳，王秀明，陈文轩，张文秀，孙云涛，郑健，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11