扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀換能器

陳國(guó)棟 宋濱濱 王建紅

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 河北燕郊)

扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀換能器

陳國(guó)棟 宋濱濱 王建紅

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)事業(yè)部 河北燕郊)

壓電換能器是扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀器CBMT(Cement Bond Mapping Tool)的核心部件,其性能優(yōu)劣直接影響著儀器的測(cè)井效果。文章論述了壓電換能器在扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀中的應(yīng)用,介紹了壓電換能器的工作原理,分析了其頻率特性?？偨Y(jié)了提高CBMT水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀中極板換能器靈敏度的方法。

極板;換能器;壓電;諧振頻率;電導(dǎo)

0 引 言

近年來(lái),壓電陶瓷換能器以其制作簡(jiǎn)單,成本低廉,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展,并在電、光、聲和熱學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。壓電換能器作為扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀CBMT(Cement Bond Mapping Tool)的核心部件,進(jìn)行著聲波信號(hào)和電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換,其靈敏度對(duì)儀器的測(cè)井質(zhì)量具有重要影響。換能器靈敏度越高,儀器所測(cè)得的信息越豐富,越準(zhǔn)確。針對(duì)換能器的靈敏度問(wèn)題,本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得出了提高其靈敏度的方法,解決了扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀換能器靈敏度偏低的問(wèn)題。

1 壓電換能器的工作原理

換能器是轉(zhuǎn)換能量的傳感器,它由壓電材料組成。壓電材料具有壓電效應(yīng),當(dāng)晶體表面有機(jī)械應(yīng)力的作用發(fā)生形變時(shí),介質(zhì)被極化,表面產(chǎn)生電荷,從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能;壓電材料還具有逆壓電效應(yīng),當(dāng)外加電場(chǎng)于晶體時(shí),晶體會(huì)發(fā)生形變,從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。實(shí)驗(yàn)證明,壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是線性的,即晶體表面出現(xiàn)電荷的多少和形變的大小成正比,當(dāng)形變符號(hào)改變時(shí),電荷符號(hào)也改變;在外電場(chǎng)的作用下,晶體形變的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,當(dāng)外電場(chǎng)方向改變時(shí),形變符號(hào)也隨之改變。

壓電晶體都是電介質(zhì),電介質(zhì)在外電場(chǎng)的作用下要發(fā)生電極化。電極化有三個(gè)來(lái)源:電子的位移極化、離子的位移極化和固有電矩的轉(zhuǎn)向極化。如果存在空間電荷時(shí),還包括空間電荷的極化。對(duì)于各向同性的電介質(zhì),電極化強(qiáng)度向量的方向與電場(chǎng)強(qiáng)度向量同向。然而壓電晶體都是各向異性的,其電極化強(qiáng)度向量的方向與電場(chǎng)強(qiáng)度方向往往不相同[1]。

2 壓電換能器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 等效電路

CBMT的換能器為四晶片的壓電疊堆,單個(gè)晶片均為厚度伸縮振動(dòng)方式。各晶片以并聯(lián)方式連接,相鄰兩片的極化方向相反。兩片晶體間粘接金屬薄片作為引出電極。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。并聯(lián)方式的壓電晶片組可在激發(fā)電壓相同時(shí),增大電容量,放大振幅,降低阻抗。此外,這種方式的明顯的優(yōu)點(diǎn)是可用較小尺度的換能器激發(fā)低頻聲波。

圖1 四晶片壓電疊堆換能器結(jié)構(gòu)圖

壓電換能器在諧振頻率附近的等效電路[2]如圖2所示,圖2中C0為靜態(tài)電容,L1、C1和R1分別是動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻(機(jī)械損耗阻)。

該等效電路有兩個(gè)特征頻率,即串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp。

圖2 壓電換能器的等效電路圖

在串聯(lián)諧振時(shí),動(dòng)態(tài)電容C1產(chǎn)生的容抗Xc與動(dòng)態(tài)電感L1產(chǎn)生的感抗Xl完全抵消,從而換能器阻抗達(dá)到最小值,此時(shí)換能器的工作效率最高。對(duì)于壓電陶瓷換能器,并聯(lián)諧振頻率通常比串聯(lián)諧振頻率高。

2.2 頻譜測(cè)試

壓電換能器工作在不同頻率時(shí)其工作效率不同,而且差別很大,所以獲得并分析壓電換能器的頻率響應(yīng)非常重要。在空氣中用精密阻抗分析儀對(duì)壓電換能器進(jìn)行頻率特征掃描,得到壓電換能器的頻率響應(yīng)頻譜和相關(guān)數(shù)據(jù)如圖3及表1所示。在0～200 kHz范圍內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)諧振頻率,第一個(gè)諧振峰出現(xiàn)在80 kHz左右,為基波諧振頻率,對(duì)應(yīng)于壓電換能器的徑向振動(dòng)模式;第二個(gè)諧振峰出現(xiàn)在120 kHz左右,且峰值較大,對(duì)應(yīng)于壓電換能器的厚度振動(dòng)模式。

圖3 四疊片堆疊換能器頻譜特性

表1 壓電換能器的頻率響應(yīng)頻譜和相關(guān)數(shù)據(jù)

圖4 回波測(cè)試裝置示意圖

由圖3給出的壓電換能器的電導(dǎo)頻譜和電容曲線和表1數(shù)據(jù)可知,壓電換能器在諧振點(diǎn)的電導(dǎo)值為最大值,對(duì)應(yīng)的阻抗為最小值。電容值在諧振點(diǎn)處有一個(gè)大的跳變,說(shuō)明在此點(diǎn)換能器有很好的壓電性。針對(duì)基波諧振頻率附近換能器的頻率響應(yīng),對(duì)壓電換能器進(jìn)行回波測(cè)試,回波測(cè)試裝置示意圖如圖4所示。在CBMT中,同一類型的壓電換能器即作為發(fā)射換能器,也作為接收換能器,安裝在同一極板上。通過(guò)給發(fā)射換能器施加不同頻率的激勵(lì)脈沖,測(cè)得該極板上接收換能器的靈敏度,也就是回波首波的幅度值見表2。從表2中可以看出換能器在諧振頻率點(diǎn)處接收到的波幅達(dá)到峰值,從而得知壓電換能器工作在諧振頻率點(diǎn)時(shí)很穩(wěn)定,效率很高,無(wú)功分量很小。

表2 回波首波的幅度值

在扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀中,壓電換能器置于儀器的極板腔內(nèi)。當(dāng)換能器置于極板腔內(nèi)時(shí),其振動(dòng)模式都有所改變。因此,除了空氣中的測(cè)試,在腔內(nèi)相應(yīng)條件下的測(cè)試也很有必要。測(cè)試的基本點(diǎn)為兩方面:諧振頻率點(diǎn)以及一致性。在空氣中和極板上分別用精密阻抗分析儀對(duì)換能器進(jìn)行頻譜測(cè)試,得到如圖5和圖6所示的測(cè)試結(jié)果。

圖5 空氣中換能器頻譜測(cè)試

圖6 極板中換能器頻譜測(cè)試

通過(guò)圖5和圖6可以看出,壓電換能器在空氣中和極板腔里都有很好的一致性,尤其是徑向振動(dòng)模式,也就是基波諧振頻率處,換能器諧振非常明顯,并且一致性也非常好。CBMT在進(jìn)行固井質(zhì)量測(cè)井時(shí),為了發(fā)射沿井壁周向傳播的聲波,所以利用了壓電換能器的徑向振動(dòng)模式,采用了頻率大約在80 kHz左右的激勵(lì)信號(hào),使壓電換能器工作在諧振頻率附近,能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大值,這時(shí)候極板換能器的靈敏度也最高。由于壓電換能器的厚度模式很強(qiáng),需要對(duì)其進(jìn)行抑止。所以將置于儀器臂的極板腔內(nèi)換能器的上下表面設(shè)置橡膠墊圈等材料,可以很大程度上抑止和改變厚度振動(dòng)模式。

3 提高CBMT中換能器靈敏度的方法

CBMT是應(yīng)用普遍的一種套管井固井質(zhì)量測(cè)井儀,其六個(gè)臂將井周均分為六個(gè)扇區(qū),分別對(duì)六個(gè)扇區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償測(cè)量,以達(dá)到精確測(cè)量水泥固結(jié)質(zhì)量的目的。儀器的測(cè)量原理是將裝有換能器的六個(gè)極板推靠至井壁,每個(gè)極板上有兩個(gè)發(fā)射換能器和一個(gè)接收換能器。通過(guò)每個(gè)極板的兩個(gè)發(fā)射換能器相互間距延遲發(fā)射聲波信號(hào),聲波信號(hào)可經(jīng)過(guò)套管、水泥和地層等途徑傳播,2個(gè)相鄰相關(guān)極板的接收換能器進(jìn)行接收,通過(guò)計(jì)算聲波信號(hào)的衰減率來(lái)定量地解釋水泥和套管及地層的固結(jié)質(zhì)量,判斷水泥溝槽,并真實(shí)反映水泥的膠結(jié)情況。

壓電換能器是作為CBMT儀器能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件,進(jìn)行著電信號(hào)和聲波信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換[3]。其作為發(fā)射換能器時(shí),通過(guò)逆壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào),產(chǎn)生激勵(lì)聲源;作為接收換能器時(shí),通過(guò)壓電效應(yīng)將接收到的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)過(guò)對(duì)電信號(hào)的處理得到聲波信號(hào)所攜帶的地層信息。所以,壓電換能器性能的優(yōu)劣,也就是其靈敏度的高低是影響扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀測(cè)井質(zhì)量的一個(gè)重要因素,換能器的靈敏度直接影響接收聲波信號(hào)的質(zhì)量。如果靈敏度太低,許多微弱的聲波信號(hào)將無(wú)法正常接收,失去該部分聲波信號(hào)所攜帶的有用信息。

通過(guò)對(duì)換能器的理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,以及在實(shí)踐中的應(yīng)用,總結(jié)提高CBMT極板里換能器靈敏度的方法如下:

(1)首先應(yīng)該對(duì)換能器做適當(dāng)挑選,挑選阻抗頻譜曲線比較好和諧振頻率明顯的換能器;

(2)測(cè)量換能器的諧振頻率點(diǎn),采用頻率適合的激勵(lì)脈沖,盡可能接近換能器的諧振頻率,提高換能器的工作效率;

(3)如果測(cè)井采用的是換能器的徑向振動(dòng)模式,需要在換能器上下表面加聚酰亞胺墊,更好地抑制換能器的厚度振動(dòng)模式;

(4)在極板腔內(nèi)填充硅油,加長(zhǎng)抽真空的時(shí)間,使極板里的氣泡盡量稀少,改善換能器的工作介質(zhì),提高換能器與極板的耦合度;

(5)針對(duì)同一支儀器的六個(gè)極板,挑選頻譜特性一致性比較好的換能器,即換能器的諧振頻率應(yīng)該相同或者接近。

換能器的靈敏度與其工作頻率、工作介質(zhì)、工作模式以及機(jī)電耦合系數(shù)等密切相關(guān)。通過(guò)以上方法,改變換能器的工作頻率、工作模式,并優(yōu)化其工作介質(zhì),我們?cè)趯?shí)踐中大提高了CBMT極板換能器的靈敏度,解決了扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測(cè)井儀極板靈敏度低的問(wèn)題。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)壓電換能器的理論分析以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試,得到了壓電換能器的相關(guān)頻譜特性,最后總結(jié)了通過(guò)改善壓電換能器的相關(guān)參數(shù)來(lái)提高CBMT儀器極板靈敏度的方法,該方法已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證并取得了良好的效果。

[1] 欒桂冬,張金鐸,王仁乾.壓電換能器和換能器陣[M].北京:北京大學(xué)出版社,1991

[2] 鮑善惠,王艷東.壓電換能器在并聯(lián)諧振頻率附近特性的研究[J].聲學(xué)技術(shù),2006,25(2)

[3] 李鄧化,居偉駿.新型壓電復(fù)合換能器及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2007

Transducers of the cement bond mapping tool.

Chen Guodong,Song Binbin and Wang Jianhong.

Piezoelectric transducers are the core components of CBMT(Cement Bond Mapping Tool).Its performance influences the logging result of CBMT directly.The application of piezoelectric transducers in the CBMT and its work principle are introduced in this paper.Also,the analyses of the feature about the transducer′s frequency is shown and the methods of improving the sensitivity of transducers in the CBMT pads are summarized.

pad;transducer;piezoelectric;resonance frequency;conductance

P631.8+3

B

1004-9134(2011)03-0021-03

陳國(guó)棟,男,1963年生,高級(jí)工程師,1986年畢業(yè)于華東石油學(xué)院測(cè)井專業(yè),現(xiàn)在中海油服油田技術(shù)事業(yè)部制造中心從事技術(shù)研發(fā)工作。郵編:065201

2010-11-18編輯梁保江)

PI,2011,25(3):21～23

·儀器設(shè)備·