大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统及制备方法与流程

1.本发明属于随钻声波测井仪器技术领域，尤其涉及一种大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统及制备方法。


背景技术：

2.随着油气勘探开发向复杂储层迈进，水平井、大斜度井应用越发广泛，为了控制井眼轨迹，使钻头沿着储层的方向钻进，需要进行水平井测井和地质导向钻井，电缆测井仪器不仅耗时耗力，而且无法适用于这些非常规井况。随钻声波测井技术可以在钻井过程中测量地层的纵横波速度，间接获得地层的压力和地质力学参数，实现储层岩性识别、地层过压检测和地质导向钻井等目的，已成为非常规油气开采必不可少的技术手段。比较于常规的电缆声波测井仪器，随钻声波测井仪器在作业过程中受钻具噪声、钻井液循环噪声和钻铤波干扰比较大，高性能的随钻声波发射换能器可以有效提高信噪比。
3.随钻声波发射换能器是随钻声波测井的核心结构之一，在测井作业时，激励电路产生一定频率的高压脉冲信号驱动换能器向地层辐射声波信号，该信号的能量大小以及频率成分直接影响着采集端是否能接收到有效的地层信号。换能器的阻抗特性以及功率辐射特性对测井信号有着重要影响，当前的方位随钻声波测井技术，是仅让1个随钻换能器工作，在井孔中产生偏极子声场，测量方位信号。此时，换能器的性能以及偏极模式的激发方式显得尤为重要。
4.随着我国在非常规油气田勘探领域的不断迈进，面对地质环境更为复杂的非常规储层，随钻声波测井仪器的重要性日益凸显，高性能大功率发射换能器是一个技术难点。常规的随钻声波仪器，仅用单一的环氧树脂或者橡胶材料对换能器进行封装，没有对内部压电陶瓷片的结构及其他材料的耦合进行充分研究，导致激发功率有限，即使提高前一级激励电路的电压，发射功率也不能得到进一步提高。并且对于当前的偏极子方位随钻声波测井，仅使用一片随钻换能器工作，辐射出的声波能量有限，当钻井噪声较大时，无法测得地层信号。


技术实现要素：

5.本发明公开了一种具有大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统，所述随钻发射换能器系统包括：以间隔90度设置的4个换能器，组成圆环型换能器组，其中3个换能器的在相同激励电压作用下，产生正向或反向波场；
7.剩下的一个换能器在相同幅度、频率但相位相差180
°
的激励电压作用下，产生与所述3个换能器方向相反的波场；
8.2个不均匀(是指波长能量值上下不相等)的波场相互叠加后产生大功率偏极子声场。
9.进一步，所述大功率偏极子声场的发射电压响应能够提高至少8db，带宽提高了10khz，偏极指向性声压强度增加至少3.0倍。
10.进一步，所述换能器包括：上压电陶瓷板、下压电陶瓷板、耦合材料和包覆层；
11.其中，所述耦合材料设置在所述上压电陶瓷和下压电陶瓷之间，且所述耦合材料表面镀绝缘漆(防止金属导电)，所述包覆层包覆在所述上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料的外部。
12.进一步，所述上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料的弧度相同，所述上压电陶瓷和下压电陶瓷的尺寸和材料均相同，弧度为80
‑
89
°
。
13.进一步，所述上压电陶瓷板和下压电陶瓷板材质为pzt
‑
4或者pzt
‑
5a，采用上压电陶瓷板和下压电陶瓷板的结构为了添加耦合材料调节换能器整体的频率响应，提高换能器辐射功率；
14.所述耦合材料为金属，用于改善压电陶瓷板的频率响应；
15.所述包覆层为环氧树脂，用于固定和耐受钻井的外部环境。
16.进一步，所述金属包括铜、铁或铝。
17.进一步，所述耦合材料的厚度为l，l取值范围为2
‑
8mm。
18.本发明的另一目的是提供一种制备上述的随钻发射换能器系统的方法，具体包括以下步骤：
19.s1)选定上压电陶瓷板和下压电陶瓷板弧度和相关参数；
20.s2)根据上压电陶瓷板和下压电陶瓷板弧度和相关参数确定耦合材料的弧度和厚度值l；
21.s3)将上压电陶瓷板和下压电陶瓷板采用并联连接的方式，正负电极分别焊接在上压电陶瓷板和下压电陶瓷板的内侧和外侧，将耦合材料置于上压电陶瓷板和下压电陶瓷板之间采用粘结剂固定，再用环氧树脂封装由上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料，封装后所述上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料的弧度为90
°
，得到换能器；
22.s4)将得到4个换能器间隔90度组成圆环镶嵌在钻铤内部，即得到具有大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统。
23.进一步，所述s2)中耦合材料的厚度l，通过以下公式求出，公式如下：
24.l＝k
‑
2x
‑
2h
25.式中：l为耦合材料的厚度，h为单片压电陶瓷的厚度，k为整个换能器的厚度，x为内部压电陶瓷距离顶部或者底面的距离。
26.进一步，所述s#中的封装工艺为：所述上压电陶瓷和下压电陶瓷距离外部环氧树脂的厚度距离为2
‑
6mm，距离环氧树脂径向距离为1
‑
3mm，使上压电陶瓷和下压电陶瓷及中部得耦合材料保持在环氧树脂封装的中部。
27.本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的结构简单，在所需频率处拥有更强的声辐射功率，导纳特性更加优良，并且能够有效拓宽频带宽度，换能器拥有更好的发射电压响应。相对于理论和实验计算更加方便快捷。相对于常规的偏极子发射模式拥有更高的辐射能量以及指向性，发射电压响应可以提高10db，偏极指向性方向声压强度增加3.8倍，因此该模式下仪器方位探测深度可以得到增加。
附图说明
28.图1为本发明的大功率偏极子模式激励信号的加载模式示意图。
29.图2为本发明的大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器的结构示意图。
30.图3本发明的大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器的封装示意图。
31.图4为本发明的换能器系统的激励电压信号的示意图。
32.图5为本发明的大功率偏极子模式换能器系统实的水池实验现场示意图。
33.图6为本发明的大功率偏极子模式换能器系统与常规偏极子换能器在水池中对比测试的结果示意图；
34.图6a为导纳曲线对比示意图，图6b为发电功率曲线对比示意图，图6c为发射电压曲线对比示意图，图6d为指向性曲线对比示意图，图6e为声压和轴向距离曲线对比示意图。
35.图7为现有技术中的偏极子换能器系统的结构示意图。
36.图中：
37.1.上压电陶瓷板、2.下压电陶瓷板、3.耦合材料、4.包覆层、5.正向换能器、6.反向换能器。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
39.本发明一种大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统，所述随钻发射换能器系统包括：以间隔90度设置的4个换能器，组成圆环型换能器组，其中3个换能器的在相同激励电压作用下，产生正向或反向波场；
40.剩下的一个换能器在相同幅度、频率但相位相反的激励电压作用下，产生与所述3个换能器方向相反的波场，如图1和图2所示；
41.2个不均匀的波场相互叠加后产生大功率偏极子声场。
42.所述大功率偏极子声场的发射电压响应能够提高至少8db，带宽提高了10khz，偏极指向性声压强度增加至少3.0倍。
43.如图3所示，所述换能器包括：上压电陶瓷板、下压电陶瓷板、耦合材料和包覆层；
44.其中，所述耦合材料设置在所述上压电陶瓷和下压电陶瓷之间，且所述耦合材料表面镀绝缘漆，所述包覆层包覆在所述上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料的外部。
45.所述上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料的弧度相同，所述上压电陶瓷和下压电陶瓷的尺寸和材料均相同，弧度为80
‑
89
°
。
46.所述上压电陶瓷板和下压电陶瓷板材质为pzt
‑
4或者pzt
‑
5a；
47.所述耦合材料为金属；
48.所述包覆层为环氧树脂。
49.所述金属包括铜、铁或铝。
50.所述耦合材料的厚度为l,l取值范围为2
‑
8mm。
51.一种制备随钻发射换能器系统的方法，具体包括以下步骤：
52.s1)选定上压电陶瓷板和下压电陶瓷板弧度和相关参数；
53.s2)根据上压电陶瓷板和下压电陶瓷板弧度和相关参数确定耦合材料的弧度和厚度值l；
54.s3)将上压电陶瓷板和下压电陶瓷板采用并联连接的方式，正负电极分别焊接在上压电陶瓷板和下压电陶瓷板的内侧和外侧，将耦合材料置于上压电陶瓷板和下压电陶瓷板之间采用粘结剂固定，再用环氧树脂封装由上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料，封装后所述上压电陶瓷、下压电陶瓷和耦合材料的弧度为90
°
，得到换能器；
55.s4)将得到4个换能器间隔90度组成圆环镶嵌在钻铤内部，即得到具有大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统。
56.所述s2)中耦合材料的厚度l，通过以下公式求出，公式如下：
57.l＝k
‑
2x
‑
2h
58.式中：l为耦合材料的厚度，h为单片压电陶瓷的厚度，k为整个换能器的厚度，x为内部压电陶瓷距离顶部或者底面的距离。
59.如图3所示，所述s#中的封装工艺为：所述上压电陶瓷和下压电陶瓷距离外部环氧树脂的厚度距离为2
‑
6mm，距离环氧树脂径向距离为1
‑
3mm，使上压电陶瓷和下压电陶瓷及中部得耦合材料保持在环氧树脂封装的中部。
60.实施例：
61.根据所需的随钻声波测井仪器中换能器系统结构的尺寸，确定外部环氧树脂封装、上压电陶瓷板和下压电陶瓷板的尺寸，利用参数化扫描，确定最佳的耦合材料厚度。
62.加工出换能器，并与现有技术中的偏极子发射模式的换能器进行实验对比。
63.在超声水池中与现有的偏极子模式以及人们容易想到的偏极子模式进行了实验对比，现有技术中的偏极子模式换能器的原理图(如图7所示)。
64.最终实验结果从图6中可以看出，本发明的大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统的在相同的激励电压的作用下，4个换能器同时工作，其中三个换能器加载的激励电压完全一致(幅度、频率、相位)，剩下的一个换能器的激励电压除了与其他三个换能器的激励电压相位相反以外，幅度、频率完全相同，产生2个相位相反的波场，2个不均匀的波场相互叠加后产生大功率偏极子声场，二者之间的导纳曲线对比(如图6a所示)，发射功率曲线对比(如图6b所示)，发射电压曲线对比(如图6c所示)，指向性曲线对比(如图6d所示)，声压和轴向距离曲线对比(如图6e所示)，图中圆圈标注是本发明在随钻声波所需频率处对发射电压响应、导纳特性、发射功率的改善情况，最终得出声场的发射电压响应提高对于现有的技术中的换能器能偶提高至少10db，带宽提高了10khz，偏极指向性声压强度增加至少3.0倍，相对于传统的单片偏极子模式抑或是容易想到的两片及三片工作，当采用四片换能器产生同向波场工作时则为单极子模式，本发明换能器系统的产生波场的激励电压的相位反向，产生相反方向的波场，通过不均匀波场叠加的方式从而产生了新的偏极子模式。并且经过实验验证，本发明提出的偏极子模式性能更好。这是一种全新的偏极子发射模式，能够为随钻方位声波测井提供强有力的声源信号。
65.相对于常规的随钻换能器，本发明所设计的随钻换能器，在随钻测井所用的10
‑
15khz频段内具有更高的导纳值。
66.以上对本技术实施例所提供的一种大功率偏极子发射模式的随钻发射换能器系统及制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
67.如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本技术的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本技术的一般原则为目的，并非用以限定本技术的范围。本技术的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
68.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
69.应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
70.上述说明示出并描述了本技术的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本技术并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本技术的精神和范围，则都应在本技术所附权利要求书的保护范围内。