[发明专利]一种井壁超声压电换能器和井壁超声测井仪

说明书

本发明提出了一种井壁超声压电换能器和井壁超声测井仪，其中井壁超声压电换能器包括外壳，所述外壳上设置有正极电气连接器和负极电气连接器；设置在所述外壳内的压电复合片，所述压电复合片的两端面分别设置有金属正电极和金属负电极，所述金属正电极连接所述正极电气连接器，所述金属负电极连接所述负极电极连接器；设置在所述压电复合片的金属正电极一侧的匹配层组；设置在所述压电复合片的金属负电极一侧的背衬阻尼块，所述背衬阻尼块吸收压电复合片向后辐射的超声波能量。井壁超声测井仪包括所述井壁超声压电换能器。本发明通过压电复合材料来降低振动晶片的声阻抗，以及以多层匹配层结构来解决井下换能器与传播介质间的阻抗失配。

技术领域

本发明涉及一种井壁超声压电换能器和井壁超声测井仪，属于空气钻井领域。

背景技术

空气钻井是以压缩空气作为循环介质的一种欠平衡钻井技术，具有机械钻速高、建井周期短、减少或避免地层漏失、储层伤害等多方面优势，是21世纪最具潜力的钻井技术之一。近年来，国内空气钻井技术迅速发展，例如我国西部油田先后进行了十多井次的空气锤气体钻进，累计进尺万米以上。然而，空气钻井在高效破岩钻进过程中，却带来了井眼截面严重不规则、井壁粗糙度增大、钻具组合阻卡卡钻等复杂情况。因此，在空气钻井过程中，及时准确地检测井眼几何形状是十分必要的，这对后续钻完井施工方案设计、现场作业都具有重要的意义。

目前，电缆测井中常采用六臂井径测井仪在空气钻井环境中测量井眼几何形状，并以三维成像图显示井眼立体轨迹，其测量结果直观、精度高。但是，六臂井径测井仪在测井过程中贴井壁测量，容易划伤井壁，造成二次损害，并且随钻条件下无法进行测井作业。非接触式井下超声成像测井技术是水基、油基钻井液环境中检测井眼形状、井壁地层特性的最佳手段。井下超声成像测井技术的关键部件是超声压电换能器，主要由压电陶瓷片、背衬块和匹配层等构成。井下压电陶瓷片的特性阻抗大于30MRayl，而井下空气介质声阻抗仅51kRayl左右，则空气钻井环境中压电材料与井下空气介质之间存在严重的阻抗失配。因此，现有电缆/随钻测井中用于井眼形状、井壁特性检测与成像的超声压电换能器因阻抗失配而无法在空气钻井环境中使用，极大地限制了井下超声成像测井技术的应用范围。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种井壁超声压电换能器和井壁超声测井仪，通过压电复合材料来降低振动晶片的声阻抗，以及以多层匹配层结构来解决井下换能器与传播介质间的阻抗失配，使电缆/随钻井壁超声成像测井技术适用于空气钻井环境。

为了实现以上发明目的，本发明提出了一种井壁超声压电换能器，包括：

外壳，所述外壳上设置有正极电气连接器和负极电气连接器；

设置在所述外壳内的压电复合片，所述压电复合片的两端面分别设置有金属正电极和金属负电极，所述金属正电极连接所述正极电气连接器，所述金属负电极连接所述负极电极连接器；

设置在所述压电复合片的金属正电极一侧的匹配层组；

设置在所述压电复合片的金属负电极一侧的背衬阻尼块，所述背衬阻尼块吸收压电复合片向后辐射的超声波能量。

本发明的进一步改进在于，所述压电复合片包括树脂材料制成的基体，以及排列在所述基体内的由压电陶瓷材质切割而成的方形压电陶瓷小柱；所述方形压电陶瓷小柱沿厚度方向极化。

本发明的进一步改进在于，所述匹配层组包括连接所述金属正电极的第一匹配层、连接所述第一匹配层的第二匹配层、连接所述第二匹配层的第三匹配层以及连接所述第三匹配层的第四匹配层。