扇区水泥胶结成像测井仪换能器

陈国栋 宋滨滨 王建红

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 河北燕郊)

扇区水泥胶结成像测井仪换能器

陈国栋 宋滨滨 王建红

(中海油田服务股份有限公司油田技术事业部 河北燕郊)

压电换能器是扇区水泥胶结成像测井仪器CBMT(Cement Bond Mapping Tool)的核心部件,其性能优劣直接影响着仪器的测井效果。文章论述了压电换能器在扇区水泥胶结成像测井仪中的应用,介绍了压电换能器的工作原理,分析了其频率特性。总结了提高CBMT水泥胶结成像测井仪中极板换能器灵敏度的方法。

极板;换能器;压电;谐振频率;电导

0 引 言

近年来,压电陶瓷换能器以其制作简单,成本低廉,性能稳定等优点在国内外得到迅速发展,并在电、光、声和热学等各个领域得到了广泛的应用。压电换能器作为扇区水泥胶结成像测井仪CBMT(Cement Bond Mapping Tool)的核心部件,进行着声波信号和电信号的相互转换,其灵敏度对仪器的测井质量具有重要影响。换能器灵敏度越高,仪器所测得的信息越丰富,越准确。针对换能器的灵敏度问题,本文通过理论分析和实验测试,得出了提高其灵敏度的方法,解决了扇区水泥胶结成像测井仪换能器灵敏度偏低的问题。

1 压电换能器的工作原理

换能器是转换能量的传感器,它由压电材料组成。压电材料具有压电效应,当晶体表面有机械应力的作用发生形变时,介质被极化,表面产生电荷,从而将机械能转换为电能;压电材料还具有逆压电效应,当外加电场于晶体时,晶体会发生形变,从而将电能转换为机械能。实验证明,压电效应和逆压电效应是线性的,即晶体表面出现电荷的多少和形变的大小成正比,当形变符号改变时,电荷符号也改变;在外电场的作用下,晶体形变的大小与电场强度成正比,当外电场方向改变时,形变符号也随之改变。

压电晶体都是电介质,电介质在外电场的作用下要发生电极化。电极化有三个来源:电子的位移极化、离子的位移极化和固有电矩的转向极化。如果存在空间电荷时,还包括空间电荷的极化。对于各向同性的电介质,电极化强度向量的方向与电场强度向量同向。然而压电晶体都是各向异性的,其电极化强度向量的方向与电场强度方向往往不相同[1]。

2 压电换能器的实验测试

2.1 等效电路

CBMT的换能器为四晶片的压电叠堆,单个晶片均为厚度伸缩振动方式。各晶片以并联方式连接,相邻两片的极化方向相反。两片晶体间粘接金属薄片作为引出电极。其结构图如图1所示。并联方式的压电晶片组可在激发电压相同时,增大电容量,放大振幅,降低阻抗。此外,这种方式的明显的优点是可用较小尺度的换能器激发低频声波。

图1 四晶片压电叠堆换能器结构图

压电换能器在谐振频率附近的等效电路[2]如图2所示,图2中C0为静态电容,L1、C1和R1分别是动态电感、动态电容和动态电阻(机械损耗阻)。

该等效电路有两个特征频率,即串联谐振频率fs和并联谐振频率fp。

图2 压电换能器的等效电路图

在串联谐振时,动态电容C1产生的容抗Xc与动态电感L1产生的感抗Xl完全抵消,从而换能器阻抗达到最小值,此时换能器的工作效率最高。对于压电陶瓷换能器,并联谐振频率通常比串联谐振频率高。

2.2 频谱测试

压电换能器工作在不同频率时其工作效率不同,而且差别很大,所以获得并分析压电换能器的频率响应非常重要。在空气中用精密阻抗分析仪对压电换能器进行频率特征扫描,得到压电换能器的频率响应频谱和相关数据如图3及表1所示。在0～200 kHz范围内出现了两个谐振频率,第一个谐振峰出现在80 kHz左右,为基波谐振频率,对应于压电换能器的径向振动模式;第二个谐振峰出现在120 kHz左右,且峰值较大,对应于压电换能器的厚度振动模式。

图3 四叠片堆叠换能器频谱特性

表1 压电换能器的频率响应频谱和相关数据

图4 回波测试装置示意图

由图3给出的压电换能器的电导频谱和电容曲线和表1数据可知,压电换能器在谐振点的电导值为最大值,对应的阻抗为最小值。电容值在谐振点处有一个大的跳变,说明在此点换能器有很好的压电性。针对基波谐振频率附近换能器的频率响应,对压电换能器进行回波测试,回波测试装置示意图如图4所示。在CBMT中,同一类型的压电换能器即作为发射换能器,也作为接收换能器,安装在同一极板上。通过给发射换能器施加不同频率的激励脉冲,测得该极板上接收换能器的灵敏度,也就是回波首波的幅度值见表2。从表2中可以看出换能器在谐振频率点处接收到的波幅达到峰值,从而得知压电换能器工作在谐振频率点时很稳定,效率很高,无功分量很小。

表2 回波首波的幅度值

在扇区水泥胶结成像测井仪中,压电换能器置于仪器的极板腔内。当换能器置于极板腔内时,其振动模式都有所改变。因此,除了空气中的测试,在腔内相应条件下的测试也很有必要。测试的基本点为两方面:谐振频率点以及一致性。在空气中和极板上分别用精密阻抗分析仪对换能器进行频谱测试,得到如图5和图6所示的测试结果。

图5 空气中换能器频谱测试

图6 极板中换能器频谱测试

通过图5和图6可以看出,压电换能器在空气中和极板腔里都有很好的一致性,尤其是径向振动模式,也就是基波谐振频率处,换能器谐振非常明显,并且一致性也非常好。CBMT在进行固井质量测井时,为了发射沿井壁周向传播的声波,所以利用了压电换能器的径向振动模式,采用了频率大约在80 kHz左右的激励信号,使压电换能器工作在谐振频率附近,能量转换效率达到最大值,这时候极板换能器的灵敏度也最高。由于压电换能器的厚度模式很强,需要对其进行抑止。所以将置于仪器臂的极板腔内换能器的上下表面设置橡胶垫圈等材料,可以很大程度上抑止和改变厚度振动模式。

3 提高CBMT中换能器灵敏度的方法

CBMT是应用普遍的一种套管井固井质量测井仪,其六个臂将井周均分为六个扇区,分别对六个扇区进行补偿测量,以达到精确测量水泥固结质量的目的。仪器的测量原理是将装有换能器的六个极板推靠至井壁,每个极板上有两个发射换能器和一个接收换能器。通过每个极板的两个发射换能器相互间距延迟发射声波信号,声波信号可经过套管、水泥和地层等途径传播,2个相邻相关极板的接收换能器进行接收,通过计算声波信号的衰减率来定量地解释水泥和套管及地层的固结质量,判断水泥沟槽,并真实反映水泥的胶结情况。

压电换能器是作为CBMT仪器能量转换的关键部件,进行着电信号和声波信号的相互转换[3]。其作为发射换能器时,通过逆压电效应将电信号转换为声波信号,产生激励声源;作为接收换能器时,通过压电效应将接收到的声波信号转换为电信号,经过对电信号的处理得到声波信号所携带的地层信息。所以,压电换能器性能的优劣,也就是其灵敏度的高低是影响扇区水泥胶结成像测井仪测井质量的一个重要因素,换能器的灵敏度直接影响接收声波信号的质量。如果灵敏度太低,许多微弱的声波信号将无法正常接收,失去该部分声波信号所携带的有用信息。

通过对换能器的理论分析和实验测试,以及在实践中的应用,总结提高CBMT极板里换能器灵敏度的方法如下:

(1)首先应该对换能器做适当挑选,挑选阻抗频谱曲线比较好和谐振频率明显的换能器;

(2)测量换能器的谐振频率点,采用频率适合的激励脉冲,尽可能接近换能器的谐振频率,提高换能器的工作效率;

(3)如果测井采用的是换能器的径向振动模式,需要在换能器上下表面加聚酰亚胺垫,更好地抑制换能器的厚度振动模式;

(4)在极板腔内填充硅油,加长抽真空的时间,使极板里的气泡尽量稀少,改善换能器的工作介质,提高换能器与极板的耦合度;

(5)针对同一支仪器的六个极板,挑选频谱特性一致性比较好的换能器,即换能器的谐振频率应该相同或者接近。

换能器的灵敏度与其工作频率、工作介质、工作模式以及机电耦合系数等密切相关。通过以上方法,改变换能器的工作频率、工作模式,并优化其工作介质,我们在实践中大提高了CBMT极板换能器的灵敏度,解决了扇区水泥胶结成像测井仪极板灵敏度低的问题。

4 结 论

本文通过对压电换能器的理论分析以及实验测试,得到了压电换能器的相关频谱特性,最后总结了通过改善压电换能器的相关参数来提高CBMT仪器极板灵敏度的方法,该方法已经在实际应用中得到了验证并取得了良好的效果。

[1] 栾桂冬,张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵[M].北京:北京大学出版社,1991

[2] 鲍善惠,王艳东.压电换能器在并联谐振频率附近特性的研究[J].声学技术,2006,25(2)

[3] 李邓化,居伟骏.新型压电复合换能器及其应用[M].北京:科学出版社,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

陈国栋,男,1963年生,高级工程师,1986年毕业于华东石油学院测井专业,现在中海油服油田技术事业部制造中心从事技术研发工作。邮编:065201

2010-11-18编辑梁保江)

PI,2011,25(3):21～23

·仪器设备·