一種過鉆頭偶極子聲波測井發射器及測井裝置的制作方法

本發明涉及礦產資源勘探及開發技術領域，特別是在礦場地球物理(測井)技術、鉆井測量技術和隨鉆測量技術等領域，尤其涉及一種過鉆頭偶極子聲波測井發射器及測井裝置。

背景技術：

大水平井段(如1000米以上)水力壓裂前后的地層評價是我國頁巖氣開發的熱點、難點與技術關鍵。過鉆頭正交偶極子聲波測井技術是目前解決該問題的首選測量方式。

過鉆頭測井時近幾年發展起來的一種新技術。過鉆頭測井是指測井儀器穿過鉆頭而進入測量井段進行測井數據采集的一種方式。過鉆頭測井技術有其獨特的優點，主要包括以下幾點：①減少作業風險，大部分時間測井儀器在鉆桿內受到保護；②節約作業時間。過鉆頭測井無須將鉆具取出地面就能夠進行測井作業，較電纜測井而言，大大節約了完井作業時間。③獲得連續可靠的測井數據。過鉆頭測井是在鉆頭及鉆桿停止振動時，測井儀器組合穿過鉆頭對目的層進行測量。因此，獲得的數據質量穩定可靠。④進行勘察測井。過鉆頭測井能夠在不取出鉆頭的情況下進入裸眼段測量，獲取儲層的各種重要信息，用于指導繼續鉆井，為科學鉆井提供幫助。

過鉆頭測井要求測井儀外徑小，目前儀器外徑為54mm,主要包括自然伽馬、井溫、感應電阻率、自然電位、地層密度、井徑、中子孔隙度和單極子聲波時差等。過鉆頭測井技術適用于水平井、大斜度井和井眼坍塌和頁巖膨脹等惡劣井眼條件，已經在北海探井和評價井中進行了測量，克服了常規電纜測井遇阻的難題，取得了高質量的測井數據。

過鉆頭單極子聲波時差儀器主要是進行橫波和縱波速度測量，儀器直徑54mm，多接收器的單極子聲波測井儀記錄的縱波速度和橫波速度，結合密度測井資料可以計算巖石屬性，包括泊松比、靜態楊氏模量和最小水平應力梯度。應力數據以及能夠反映儲層質量參數(如粘土含量和孔隙度)，對選擇最佳水力壓裂措施層段很有用。但是，單極子聲波測井儀器在軟地層和超軟地層不能測量得到地層的橫波速度，因此也就無法得到巖石的屬性，其主要原因是單極子聲源所致。解決這一問題的主要辦法是采用偶極子和正交偶極子換能器作為發射換能器，進行地層的橫波聲速測量。但是，目前還很少見到過鉆頭正交偶極子聲波測井儀器商業使用的公開報道。

目前常規電纜式偶極子聲波測井儀器外徑為90mm，換能器(又稱之為發射器)主要有兩種，一種是電磁式偶極子聲波換能器，另一種是疊片型彎曲振動壓電換能器。一般疊片型彎曲振動壓電換能器由厚度方向極化的壓電陶瓷片和金屬鋁基片黏接而成。由于過鉆頭儀器外徑很小(54mm)，疊片結構的彎曲振子的晶體和基片的幾何尺寸都相應的減少，這使得正交偶極子換能器裝配后，與常規正交偶極子聲波儀器相比彎曲陣子輻射面變窄，造成換能器激發能量減弱、信噪比降低。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有技術的不足提供一種過鉆頭偶極子聲波測井裝置的發射器及其測井裝置，主要是聲波發射器的結構設計及其測井裝置，在滿足過鉆頭測井儀器機械要求的條件下，也能滿足小直徑正交偶極子聲波測井發射器的聲學性能要求。

為解決上述問題，第一方面，本發明提供了一種過鉆頭偶極子聲波測井裝置的發射器，所述發射器包括基板和2n個壓電陶瓷板；其中，

所述壓電陶瓷板由2n塊的壓電陶瓷單元組成；

所述基板兩端設置有通孔，利用固定件通過所述通孔將所述基板固定在所述過鉆頭偶極聲波測井裝置上；

工作時，所述基板一側的壓電陶瓷板伸長，另一側的壓電陶瓷板縮短，推動所述基板形成彎曲振動，向介質輻射推力，產生聲波。

優選地，所述壓電陶瓷板由2n塊的壓電陶瓷單元組成。

進一步優選地，所述壓電陶瓷板由2n塊的壓電陶瓷單元采用膠黏劑黏合而成。

進一步優選地，所述膠黏劑為環氧樹脂。

進一步優選地，所述相鄰壓電陶瓷單元的極化方向相反。

優選地，所述壓電陶瓷板和所述基板之間采用膠黏劑粘合而成。

進一步優選地，所述膠黏劑為環氧樹脂。

優選地，所述基板是鈦、銅、鋁或低膨脹合金。

優選地，所述壓電陶瓷板的材質為pzt4或pzt8。

第二方面，本發明還提供了一種包含第一方面所述發射器的過鉆頭偶極聲波測井裝置。

與常規疊片型偶極子發射器相比，本發明的分段式偶極子發射器設計可以增加發射器的彎曲變形量，增大發射器表面向外側的推力，從而提高發射器的發射能量；本發明在有限的空間內可以實現較低頻聲波的發射，更加適合軟地層甚至超軟地層的橫波測量等。

附圖說明

以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施方案，其中：

圖1為聲波測量示意圖；

圖2為本實施例提供的偶極子發射器俯視示意圖；

圖3為本發明實施例提供的偶極子發射器縱截面的示意圖之一；

圖4為本發明實施例提供的偶極子發射器縱截面的示意圖之二；

圖5為本發明實施例提供的偶極子發射器縱截面的示意圖之三；

圖6為兩種發射器在40～5000hz頻率范圍內的電導-頻率曲線對比；

圖7兩種發射器在500～1000hz頻率范圍內的電導-頻率曲線對比；

圖8兩種發射器在2000～3000hz頻率范圍內的電導-頻率曲線對比。

具體實施方式

下面通過附圖和具體的實施例，對本發明進行進一步的說明，但應當理解為這些實施例僅僅是用于更詳細說明之用，而不應理解為用以任何形式限制本發明，即并不意于限制本發明的保護范圍。

圖1為本發明實施例提供的聲波測量示意圖，如圖1所示，測井裝置1位于充滿泥漿7介質的井孔9中，所述井孔9外是地層8。其中，測井裝置1包括發射電路2,、發射器3、隔聲體4、接收器陣列5和接收電路6。在工作時，測井裝置1與電纜10連接，由發射電路2產生電信號，使發射器3產生聲波，經過泥漿7介質，到達地層8，然后在地層8中傳播。再由接收器陣列5將帶有地層8信息的聲波信號轉化為電信號，然后根據所接收的電信號進行地層評價。聲波傳輸過程如圖1中箭頭所示。

圖2為本發明實施例提供的偶極子發射器俯視示意圖。

如圖2所示，該實施例的發射器，包括：壓電陶瓷板31和基板32，其中所述壓電陶瓷板31至少為2n個，而壓電陶瓷板31由2n塊的壓電陶瓷單元311組成；其中n為自然數。

所述基板兩端設置有通孔321，利用固定件通過所述通孔321將所述基板32固定在所述過鉆頭偶極聲波測井裝置1上；

工作時，所述基板32一側的壓電陶瓷板31伸長，另一側的壓電陶瓷板31縮短，推動所述基板32形成彎曲振動，向介質輻射推力，產生聲波。發射器具體分解示意圖如圖3所示，當然，也可以通過采用改變壓電陶瓷單元311的排列方式和電極連接方式，形成其他形式的偶極發射器，如圖4和圖5所示，而不局限于圖3中所示的形式。需要指出的是，圖3、圖4和圖5中箭頭方向為壓電陶瓷單元311的極化方向，其中，相鄰壓電陶瓷單元311的極化方向相反，正電極11和負電極12分別與兩片壓電陶瓷單元311之間的電極連接，具體連接方式如圖3、圖4和圖5所示。當然，也可以選擇圖3、圖4和圖5之外的連接方式。

需要說明的是，2n個壓電陶瓷板31均勻分布在基板32的兩側，如圖3、圖4和圖5中所示，基板兩側的2個壓電陶瓷板各由8塊壓電陶瓷單元組成。其中，在實際操作過程中，壓電陶瓷板一般用螺釘通過穿孔321固定在測井裝置1上，一般穿孔優選在基板長度方向的兩端，而形狀和數量根據具體情況設定，優選為圓形，數量一般為4個，但不局限于4個。

在一個示例中，基板32一般是鈦、銅、鋁、低膨脹合金等金屬材料。

在另一個示例中，壓電陶瓷板31是由壓電陶瓷單元311采用膠黏劑粘合而成。所述膠黏劑優選為環氧樹脂等高分子材料，但也不僅局限于此類膠黏劑。優選地，所述壓電陶瓷板31和所述基板32之間也采用膠黏劑粘合而成。進一步優選地，所述膠黏劑為環氧樹脂等高分子材料，但也不僅局限于此類膠黏劑。

在又一個示例中，壓電陶瓷板材料為pzt4或pzt8，但不局限于這兩種類型的壓電陶瓷材料。

為了突出顯示本發明中分段式偶極子發射器在測井中的應用優勢，我們測量了常規和分段式偶極子發射器在空氣中自由狀態下的導納性能，圖中粗線表示常規偶極子發射器，細線表示分段式偶極子發射器。圖6為兩種發射器在40～5000hz頻率范圍內的電導-頻率曲線對比圖，從圖上可以看出，分段式偶極子發射器具有較低的諧振頻率和較高的電導峰值。圖7為兩種發射器在500～1000hz頻率范圍內的電導-頻率曲線對比圖，由圖可知，分段式偶極子發射器的諧振頻率比常規偶極子發射器降低了80hz，而電導峰值約為常規偶極子發射器的13倍。圖8為兩種發射器在2000～3000hz頻率范圍內的電導-頻率曲線對比圖，由圖可知，分段式偶極子發射器的諧振頻率比常規偶極子發射器降低了380hz，而電導峰值約為常規偶極子發射器的4倍。

由圖6至圖8的測量結果對比可知，本發明中的分段式偶極子發射器具有低頻、大功率發射的特點，適用于過鉆頭、小直徑聲波測井中的換能器，更適合軟地層甚至超軟地層的橫波測量。

采用正交偶極子聲波數據可以用來確定橫波環向各向異性特征，并進一步獲得井壁周圍地層的各向異性信息，特別是在地層裂隙特征的研究及地應力的測量中有著廣泛的應用。

盡管本發明已進行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本發明的精神和范圍的條件下，可進行各個條件的適當變化。可以理解，本發明不限于所述實施方案，而歸于權利要求的范圍，其包括所述每個因素的等同替換。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。