[发明专利]一种井壁超声成像测井换能器及其测量系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

发明内容

为解决上述问题，本发明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；本发明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。