陳國棟 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)成像測井儀換能器

陳國棟 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,壓電陶瓷換能器以其制作簡單,成本低廉,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)外得到迅速發(fā)展,并在電、光、聲和熱學(xué)等各個領(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)成像測井儀CBMT(Cement Bond Mapping Tool)的核心部件,進(jìn)行著聲波信號和電信號的相互轉(zhuǎn)換,其靈敏度對儀器的測井質(zhì)量具有重要影響。換能器靈敏度越高,儀器所測得的信息越豐富,越準(zhǔn)確。針對換能器的靈敏度問題,本文通過理論分析和實(shí)驗測試,得出了提高其靈敏度的方法,解決了扇區(qū)水泥膠結(jié)成像測井儀換能器靈敏度偏低的問題。

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,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)外加電場于晶體時,晶體會發(fā)生形變,從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。實(shí)驗證明,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)形變符號改變時,電荷符號也改變;在外電場的作用下,晶體形變的大小與電場強(qiáng)度成正比,當(dāng)外電場方向改變時,形變符號也隨之改變。

壓電晶體都是電介質(zhì),電介質(zhì)在外電場的作用下要發(fā)生電極化。電極化有三個來源: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,還包括空間電荷的極化。對于各向同性的電介質(zhì),電極化強(qiáng)度向量的方向與電場強(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強(qiáng)度方向往往不相同[1]。

2 壓電換能器的實(shí)驗測試

2.1 等效電路

CBMT的換能器為四晶片的壓電疊堆,單個晶片均為厚度伸縮振動方式。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,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分別是動態(tài)電感、動態(tài)電容和動態(tài)電阻(機(jī)械損耗阻)。

該等效電路有兩個特征頻率,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,動態(tài)電容C1產(chǎn)生的容抗Xc與動態(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,此時換能器的工作效率最高。對于壓電陶瓷換能器,并聯(lián)諧振頻率通常比串聯(lián)諧振頻率高。

2.2 頻譜測試

壓電換能器工作在不同頻率時其工作效率不同,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)了兩個諧振頻率,第一個諧振峰出現(xiàn)在80 kHz左右,為基波諧振頻率,對應(yīng)于壓電換能器的徑向振動模式;第二個諧振峰出現(xiàn)在120 kHz左右,且峰值較大,對應(yīng)于壓電換能器的厚度振動模式。

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,對應(yīng)的阻抗為最小值。電容值在諧振點(diǎn)處有一個大的跳變,說明在此點(diǎn)換能器有很好的壓電性。針對基波諧振頻率附近換能器的頻率響應(yīng),對壓電換能器進(jìn)行回波測試,回波測試裝置示意圖如圖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。通過給發(fā)射換能器施加不同頻率的激勵脈沖,測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)時很穩(wěn)定,效率很高,無功分量很小。

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,其振動模式都有所改變。因此,除了空氣中的測試,在腔內(nèi)相應(yīng)條件下的測試也很有必要。測試的基本點(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換能器進(jìn)行頻譜測試,得到如圖5和圖6所示的測試結(jié)果。

圖5 空氣中換能器頻譜測試

圖6 極板中換能器頻譜測試

通過圖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)量測井時,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模式,采用了頻率大約在80 kHz左右的激勵信號,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)量測井儀,其六個臂將井周均分為六個扇區(qū),分別對六個扇區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償測量,以達(dá)到精確測量水泥固結(jié)質(zhì)量的目的。儀器的測量原理是將裝有換能器的六個極板推靠至井壁,每個極板上有兩個發(fā)射換能器和一個接收換能器。通過每個極板的兩個發(fā)射換能器相互間距延遲發(fā)射聲波信號,聲波信號可經(jīng)過套管、水泥和地層等途徑傳播,2個相鄰相關(guān)極板的接收換能器進(jìn)行接收,通過計算聲波信號的衰減率來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)行著電信號和聲波信號的相互轉(zhuǎn)換[3]。其作為發(fā)射換能器時,通過逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為聲波信號,產(chǎn)生激勵聲源;作為接收換能器時,通過壓電效應(yīng)將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過對電信號的處理得到聲波信號所攜帶的地層信息。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)成像測井儀測井質(zhì)量的一個重要因素,換能器的靈敏度直接影響接收聲波信號的質(zhì)量。如果靈敏度太低,許多微弱的聲波信號將無法正常接收,失去該部分聲波信號所攜帶的有用信息。

通過對換能器的理論分析和實(shí)驗測試,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)測量換能器的諧振頻率點(diǎn),采用頻率適合的激勵脈沖,盡可能接近換能器的諧振頻率,提高換能器的工作效率;

(3)如果測井采用的是換能器的徑向振動模式,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模式;

(4)在極板腔內(nèi)填充硅油,加長抽真空的時間,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)針對同一支儀器的六個極板,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),我們在實(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)成像測井儀極板靈敏度低的問題。

4 結(jié) 論

本文通過對壓電換能器的理論分析以及實(shí)驗測試,得到了壓電換能器的相關(guān)頻譜特性,最后總結(jié)了通過改善壓電換能器的相關(guān)參數(shù)來提高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

陳國棟,男,1963年生,高級工程師,1986年畢業(yè)于華東石油學(xué)院測井專業(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·