[发明专利]一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器及其制作方法

说明书

本发明提供了一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器及其制作方法，所述的低频纵向振动换能器包括：辐射头(1)和至少两个晶堆模块(14)；所述的晶堆模块由压电晶片和金属交替叠堆而成，所有相邻的两个晶堆模块(14)之间首尾相接，并通过接通电源正、负极后产生纵向振动的低频声波；所述的辐射头(1)固定于纵向振动换能器的前端，用于输出晶堆模块(14)产生的低频声波。本发明的低频纵向振动换能器采用压电晶片和金属交替叠堆，可以有效地进行散热；同时模块化设计，使得操作的简便性和装配的可靠性大大提高，有效地解决了单一细长预应力螺杆带来的加工困难、装配困难和应用中容易断裂的难题。

技术领域

本发明涉及油井勘探技术领域，具体涉及一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器及其制作方法。

背景技术

当今世界，石油已成为重要的经济命脉和能源基础，各国都非常注重对石油资源的勘探和开发。在勘探和开发过程中能够及时、准确获得井下重要信息，对于石油开采、探明油层的地质结构、掌握测试油井的状态及保持对资源的可持续利用都有着非常重大的意义。

随着经济的迅猛发展，人们对能源的需求越来越高，石油己成为现代工业的血液和最为重要的战略资源，其勘探和开采自然得到了极大的重视。油田的开发需要大规模的钻井，风险大成本高，且通常井深达几千米。在钻井过程中，需要将所需的井下信息传输到地面的收发设备，进而指导钻井过程的进行。因此，开发高效可靠的信息通讯传输的测井技术，对于钻井工业至关重要，也是长久以来人们特别关注的问题。此外，油田开发进入中后期以后，生产测井技术在检查增产措施和作业效果方面，显示出了特殊的功用。由于受井况地层条件等多种因素的影响，常规的生产测试方法在现场应用中受到一定的限制，加之难以测试的井居多，无法为油藏工程和采油工程提供多方面的资料，造成油井动态生产资料严重缺乏，不能满足油藏综合治理的需要。

目前，在井下采用专门敷设电缆的有线传输方法在油田中得到了广泛应用。这种有缆传输方法要求将电缆和采集井下参数的测井仪器通过油管与套管之间的间隙送入井下进行测量，井下测井仪器将获得的信号经过编码等处理后再通过该敷设电缆传送到地面的接收装置。然而这种有缆传输方法往往需停产后将电缆放到井底，操作复杂、费时费力、耗资巨大，很难满足现代动态监测的要求。而与有线传输相比，声波传输以其成本低、操作方法简单、灵活等优点一直受到石油行业的关注。声波可以用于水下探测、识别、通讯及其环境监测，而且由于受到自然环境条件的限制，与磁、电、光信号相比，声波是目前在水下远距离探测、通讯的最有效物理手段。近年来，随着石油勘探和开采技术的发展，需要在水下通过声波可靠地传输指令、高速地传输数据和图像等等，因此，研制开发油井中的声通讯系统是油田开发工程中一个重要课题。

众所周知，传输距离与声波的频率成反比，因此，声波的频率越低，传播的距离越远。对于远距离的声波通讯来说，首先需要产生的是低频声波的换能器。在海洋技术领域中，低频换能器的应用已经较为广泛。然而，在石油领域的勘探生产开发中，如何有效地利用声传输进行实时地通讯，目前仍然是人们所面临的一个巨大挑战。原因在于，油田油井中进行声波通讯的低频换能器只能布放在内径为φ6cm～φ8cm的油管内部。这样一来就面临着空间狭小、温度高、压力大等特殊环境的限制，使得常规的低频换能器无法满足其苛刻的要求。例如，弯张型、圆环型和叠片型低频换能器往往会由于尺寸过大、不耐温或耐压过低等限制而无法胜任油井开采时的声波通讯任务。即便是耐压结构的纵向振动换能器，采用常规设计的低频换能器时，依然是无法满足油井中特殊环境的要求，这是因为由金属-压电元件-金属组成的三层结构纵向振动换能器，在放置于狭窄的油管内部时，纵向振动换能器的整体长度会特别长，这就给作为施加预应力的长螺杆带来了加工的困难，而且可靠性大大降低，在大功率工作时还存在着应力拉伸下的断裂性隐患故障；其次是在纵向振动换能器工作状态中，大电压大功率情况下，纵向振动换能器中的压电元件，往往会因为自身的电损耗发热，而常规的三层结构的纵向振动换能器中，压电元件是叠堆在一起的，因此散热就很困难，进而造成发热严重至纵向振动换能器的失效而无法工作；另外一点是油田的油井内往往面临着高温环境，使得常规设计换能器的可靠性大大降低。

发明内容