一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法与流程

本发明涉及石油工程声学测井及优化，尤其涉及一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法，提供一种超声发射器、接收器装置及制备方法。

背景技术：

1、随着非常规油气藏勘探开发的持续深入，储层的非均质性和各向异性评价已成为非常规油气有效开发必须面对的挑战。由于非常规油气储层具备岩性复杂、薄互层多、非均质性和各向异性强的特性，常规油气测井技术难以满足非常规油气藏勘探开发的要求，发展非常规储层测井技术是必然趋势。地层岩性、非均质性和岩石脆裂性与地层声速密切相关，常规声速测井技术存在测量分辨率低、成像精度差、分层能力弱等缺点，发展高分辨率、高精度的近井壁探测的超声地层声速成像测井是非常规储层测井技术发展的新方向。超声地层声速成像测井技术以超声波为载体，采用脉冲透射法在井眼中采集沿井壁地层传播的地层滑行波，通过滑行波的波速和衰减等声学信息测量来评价井壁介质的非均质性。

2、超声地层声速成像测井的声系结构一般由超声发射器、超声接收器及承载它们且刻有凹槽的柱状金属骨架等部件构成。在超声成像测井中，目前常用的超声发射器和接收器通常采用具有厚度振动模式的薄圆片状压电换能器，中心频率为250khz。薄圆片状压电换能器一般采用高温pzt压电陶瓷作为声电转换材料，具有较高的声电转换效率。但是，由于pzt压电陶瓷的机械品质因素较高会导致发射超声信号的频带较窄，很难适应各种复杂的非常规储层，导致薄圆片状压电换能器在超声成像测井的应用也存在明显的局限性；另一方面，由于pzt压电陶瓷的平面机电耦合系数较大、厚度机电耦合系数较小而难以激励纯净的厚度振动模式，导致接收超声信号质量较差；而且，pzt压电陶瓷的声阻抗(30mayl)太大，与井下钻井液介质的声阻抗(1.5mray1)严重失配，这也是造成超声成像测井的信噪比差、成像精度低的主要因素，无法满足超声地层声速成像测井技术的要求，因此，薄圆片状压电换能器无法适用于非常规储层中的超声地层声速成像测井。

3、公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种用于超声成像测井的超声发射接收装置，将压电复合材料、透射匹配层、保护外壳相结合，采用双层圆片状结构并联型极性连接，使得圆片状结构的径向振动模式被破坏、横向振动模式被抑制而高度振动模式变得更加纯净；解决超声成像测井换能器存在的工作频带窄、振动模式不纯净、液固界面声阻抗失配等一系列技术问题，具有发射效率高、接收灵敏度高、工作带宽更宽等优点，满足非常规储层中高分辨率、高精度超声地层声速成像测井的要求；一个优选的实施例中，所述装置包括采用压电复合材料的超声发射机构和超声接收机构；

2、所述超声发射机构包括：发射声电转换压电层、发射透声匹配层、发射背衬吸声块和对应的保护外壳；

3、所述超声接收机构包括：接收声电转换压电层、接收透声匹配层、接收背衬吸声块和对应的保护外壳；

4、发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；

5、发射透声匹配层和接收透声匹配层分别覆盖在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；

6、发射背衬吸声块和接收背衬吸声块分别设置在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的另一面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。

7、优选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片由不同压电材质的压电相和填充聚合物相构成；压电相采用pzt压电陶瓷柱，填充聚合物相采用环氧树脂填充物。

8、进一步地，一个实施例中，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中压电复合晶片的极化方向平行于压电相pzt压电陶瓷柱的高度方向。

9、一个实施例中，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片均按照极性连接方式并联连接；

10、发射声电转换压电层的压电复合晶片按相反极化方向连接设置；接收声电转换压电层的压电复合晶片按相同极化方向并联连接设置。

11、可选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由两个相同的压电复合晶片通过三个相同的金属薄片交替粘接构成。

12、进一步地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中的金属薄片均采用膨胀性能低至设定要求的合金材料，厚度满足设定条件。

13、具体地，一个可选的实施例中，所述超声发射机构和超声接收机构的正负电极引线均由其声电转换压电层中的金属薄片引出，正电极由粘结在声电转换压电层上、下外表面的金属薄片引出，负电极由声电转换压电层压电复合晶片中间的金属薄片引出。

14、优选地，一个实施例中，所述发射透声匹配层和接收透声匹配层采用环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物，两者的配比根据声阻抗性能需求设置。

15、一个可选的实施例中，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块采用钨粉和环氧树脂混合物并掺杂多孔颗粒的加压浇注固化结构，各物料的配比根据声阻抗和平均声衰减的性能需求设置。

16、作为本发明的进一步改进，一个实施例中，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块背离声电转换压电层的一侧采用锯齿状结构，提升吸收衰减声电转换压电层背面传播超声波能量的性能。

17、优选地，一个实施例中，所述保护外壳分别设置在超声接收机构和超声发射机构的最外侧，采用高分子peek材料，为半开口柱状结构，包裹着声电转换压电层、背衬吸声块和透声匹配层，对内部结构进行保护并作为第二匹配层，用于支持透声匹配层与井下钻井液介质的声学匹配过渡。

18、基于上述任意一个或多个实施例中所述装置的制备应用方面，本发明还提供一种用于超声成像测井的超声发射接收装置的制备方法，该方法包括下述操作：

19、基于pzt压电陶瓷切割形成带有周期性凹槽的长方体陶瓷柱作为陶瓷压电相，对陶瓷压电相表面浇注环氧树脂聚合物，并沿高度方向切割成尺寸相同的两块，进行打磨后镀上电极，形成压电复合晶片；

20、选用低膨胀合金材料加工制作金属薄片；

21、依据压电常数和阻抗特性进行压电复合晶片的筛选和配对，选取压电常数和阻抗特性相同或相近的两个及以上压电复合晶片；

22、按照超声发射机构和超声接收机构需求的极性连接方式，将压电复合晶片和金属薄片交替粘接，分别形成发射声电转换压电层和接收声电转换压电层，并焊接正电极引线和负电极引线；

23、按设定配比混合环氧树脂聚合物与金刚砂形成透射匹配层物料，然后将透射匹配层物料粘接在声电转换压电层的前辐射面上，作为透射匹配层；

24、按设定的配比混合钨粉和环氧树脂并掺杂多孔颗粒，加压浇注在声电转换压电层的背面形成背衬吸声块；

25、将声电转换压电层、透射匹配层和背衬吸声块装入保护外壳中后，在保护外壳中灌注高温绝缘胶并将正负电极引线连接到电缆线接头中，分别得到超声发射机构和超声接收机构。

26、与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：

27、本发明提供的一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法，该装置包括采用压电复合材料的超声发射机构和超声接收机构；超声发射接收装置均包括声电转换压电层、透声匹配层、背衬吸声块和保护外壳；其声电转换压电层由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；透声匹配层覆盖在声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；背衬吸声块设置在声电转换压电层的背面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。采用该装置将压电复合材料、透射匹配层、保护外壳相结合，可以有效地降低超声发射器和接收器的声阻抗，与井下钻井液介质可以很好地实现声阻抗匹配，具有发射效率高、接收灵敏度高、工作带宽更宽等优点，有利于增大地层中超声波发射能量和接收信号幅度，提高超声地层声速成像测井测量信噪比和成像精度，适用于在非常规储层中进行高分辨率、高精度超声地层声速成像测井；

28、进一步地，设置保护外壳覆盖最外侧，对声电转换压电层、透声匹配层、背衬吸声块进行保护，避免在井下工作环境中受到磨损或破坏，还可作为第二匹配层，易于实现透声匹配层与井下钻井液介质声学匹配过渡。

29、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。