一種陣列聲波換能器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種陣列聲波換能器，包括：換能器安裝架、殼體、密封件以及接收換能器組件，所述殼體包覆在換能器安裝架外側(cè)，所述密封件在殼體與換能器安裝架之間被壓緊，從而通過(guò)彈性形變來(lái)密封所述殼體內(nèi)部的腔室，所述接收換能器組件以陣列形式安裝至所述換能器安裝架，所述接收換能器組件包括：用于接收聲波并將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器晶片；以及由高分子材料制成的覆層，所述覆層完全地包覆所述換能器晶片。
【專利說(shuō)明】一種陣列聲波換能器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及聲波測(cè)井技術(shù)，尤指一種用于測(cè)井儀器的陣列聲波換能器。

【背景技術(shù)】
[0002]聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，速度、幅度及頻率的變化等聲學(xué)特性也不相同。聲波測(cè)井就是利用巖石的這些聲學(xué)性質(zhì)來(lái)研究鉆井的地質(zhì)剖面，判斷固井質(zhì)量的一種測(cè)井方法。陣列聲波儀器能夠測(cè)量地層的縱波、橫波、斯通利波，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)計(jì)算方法便能提取這些波的首波傳播時(shí)間，計(jì)算頻散特性，從而分析出巖石的聲學(xué)特性，再結(jié)合密度、泥質(zhì)含量、孔隙度等曲線能夠計(jì)算地層彈性力學(xué)參數(shù)、機(jī)械特性參數(shù)、泥漿參數(shù)、地層滲透率等參數(shù)，并且能夠計(jì)算各向異性地層的各向異性大小和方位。由于這些特點(diǎn)，目前陣列聲波測(cè)井已得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在解決復(fù)雜的地質(zhì)問(wèn)題，為油田增產(chǎn)、增效服務(wù)方面，起到了非常重要的作用。
[0003]聲波測(cè)井儀器主要包括發(fā)射換能器、接收換能器、隔聲體以及電氣部分等部件。電氣部分用來(lái)提供電信號(hào)；觸發(fā)發(fā)射換能器發(fā)射聲波；接收換能器接收返回的聲波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。常用電聲換能器主要為壓電式換能器。壓電式換能器利用了某些單晶材料的壓電效應(yīng)和某些多晶材料的電致伸縮效應(yīng)。在電信號(hào)的作用下發(fā)射換能器以其壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)產(chǎn)生聲振動(dòng)，發(fā)射聲波；在聲波信號(hào)的作用下，接收換能器以其壓電效應(yīng)的正效應(yīng)接收聲波，形成電信號(hào)，并將放大后的電信號(hào)經(jīng)電纜送至地面儀器記錄。由于反射后的聲波往往來(lái)自多個(gè)方向并呈現(xiàn)多種形態(tài)，因此需要面向各個(gè)方向的多種接收換能器，這些接收換能器組合為陣列聲波換能器。隔聲體隔離發(fā)射換能器和接收換能器，通過(guò)延長(zhǎng)聲波的傳播路徑并增加聲波的反射次數(shù)，以防止發(fā)射換能器發(fā)射的聲波經(jīng)儀器部件傳至接收換能器造成對(duì)地層測(cè)量的干擾。
[0004]為接收穩(wěn)定的聲波信號(hào)，陣列聲波換能器浸沒(méi)于油液之中，并且由于換能器中使用的晶片脆性大、強(qiáng)度低，因此現(xiàn)有的陣列聲波換能器使用橡膠皮囊包覆接收換能器并在晶片周?chē)贾孟鹉z墊片，用以對(duì)接收換能器及其上的晶片進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)，這些橡膠部件還起到消減聲波信號(hào)在接收換能器間傳播，即提高接收換能器間的聲阻的作用。
[0005]圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的陣列聲波換能器組件的部分剖視圖。如圖1所示，現(xiàn)有的接收換能器組件包括換能器安裝架11、換能器晶片12、橡膠墊片13、橡膠綁帶14以及橡膠皮囊15。一方面橡膠皮囊15對(duì)內(nèi)部充油的環(huán)境進(jìn)行密封，另一方面皮囊的彈性能夠緩沖外部的壓力，從而保護(hù)其內(nèi)部的換能器。圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的陣列聲波換能器中的一組接收換能器的透視圖。如圖2中更清楚地顯示的，為了減少安裝時(shí)使換能器晶片12產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以及防止使用時(shí)受到?jīng)_擊而造成損壞，現(xiàn)有技術(shù)中主要利用橡膠墊片13及橡膠綁帶14來(lái)進(jìn)行減震和緩沖。換能器晶片12的下表面貼靠橡膠墊片13上，而換能器晶片12的上表面被橡膠綁帶14壓住，該壓力的大小可通過(guò)更換不同彈性的橡膠綁帶來(lái)調(diào)節(jié)。這樣換能器晶片12的上下表面都緊靠具有彈性的橡膠件，保證了其不與堅(jiān)硬的金屬件接觸，同時(shí)由于橡膠件對(duì)換能器晶片的壓力很小，不會(huì)使晶片產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而不僅固定了晶片，還對(duì)晶片起到了保護(hù)和防震的作用。
[0006]但是，由于橡膠的耐高溫、抗腐蝕的性能較其他金屬零件較差，其一直是整個(gè)陣列換能器的薄弱環(huán)節(jié)。在遇到高溫和硫化氫時(shí)，經(jīng)常遇到橡膠皮囊破損的情況，直接影響儀器的使用。雖然國(guó)內(nèi)外有各種特種橡膠標(biāo)稱可滿足高溫和耐腐蝕性能，但價(jià)格都非常昂貴。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種陣列聲波換能器，能夠消除了橡膠零件的使用，以提升設(shè)備的使用耐受性、使用壽命以及可靠性。
[0008]為了達(dá)到本實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種陣列聲波換能器。該陣列聲波換能器包括:換能器安裝架、殼體、密封件以及接收換能器組件，所述殼體包覆在換能器安裝架外側(cè)，所述密封件在殼體與換能器安裝架之間被壓緊，從而通過(guò)彈性形變來(lái)密封所述殼體內(nèi)部的腔室，所述接收換能器組件以陣列形式安裝至所述換能器安裝架。所述接收換能器組件包括:用于接收聲波并將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器晶片；以及由高分子材料制成的覆層，所述覆層完全地包覆所述換能器晶片。
[0009]在多種實(shí)施方式中，所述覆層包括用于將所述接收換能器組件連接至所述換能器安裝架的連接特征，所述連接特征一體地形成在覆層上。
[0010]在多種實(shí)施方式中，所述高分子材料為聚醚醚酮。
[0011]在多種實(shí)施方式中，所述連接特征為多個(gè)通孔。在多種實(shí)施方式中，所述連接特征為多個(gè)插針。
[0012]在多種實(shí)施方式中，所述多個(gè)接收換能器組件包括不同種類的換能器。
[0013]在多種實(shí)施方式中，所述陣列形式為:在所述換能器安裝架的圓周方向朝向四面排列四個(gè)所述接收換能器組件，所述四個(gè)接收換能器組件形成的單元在所述換能器安裝架的軸向重復(fù)排列而形成的陣列。在多種實(shí)施方式中，所述陣列包括八個(gè)所述單元。
[0014]在多種實(shí)施方式中，換能器安裝架包括多個(gè)隔聲槽。在多種實(shí)施方式中，所述換能器安裝架的內(nèi)表面和外表面均形成有所述隔聲槽。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的陣列聲波換能器中的換能器晶片被高分子材料的覆層所完全地包覆。這種結(jié)構(gòu)起到了現(xiàn)有技術(shù)中的橡膠墊片、橡膠綁帶以及橡膠皮囊的保護(hù)和減震作用，即消除了這些橡膠零件的使用，這大大提升了設(shè)備的使用耐受性、使用壽命以及可靠性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的陣列聲波換能器的部分剖視圖。
[0017]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的陣列聲波換能器中的一組接收換能器的透視圖。
[0018]圖3為本實(shí)用新型的陣列聲波換能器的剖視圖。
[0019]圖4為圖3中的換能器安裝架的主視圖。
[0020]圖5a為本實(shí)用新型的陣列聲波換能器的接收換能器組件的透視圖。
[0021]圖5b為圖5a中的接收換能器組件的剖視透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]圖3示出了本實(shí)用新型的陣列聲波換能器的剖視圖。如圖3所示，根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，陣列聲波換能器100包括換能器安裝架110、多個(gè)接收換能器組件120、密封件130以及殼體(為清楚顯示安裝架結(jié)構(gòu)，圖中省略了殼體)。
[0023]圖4為圖3中的換能器安裝架的主視圖。結(jié)合圖3和圖4所示，換能器安裝架110包括安裝槽111，用于安裝接收換能器組件120。一般來(lái)說(shuō)，安裝槽111的形狀被設(shè)計(jì)為與接收換能器組件120的形狀相適應(yīng)。為防止聲波在儀器中傳播而干擾測(cè)井效果，換能器安裝架110還包括多個(gè)隔聲槽112。隔聲槽112被設(shè)置在換能器安裝架110的內(nèi)外表面，這種設(shè)置使得換能器安裝架110的表面均沒(méi)有超過(guò)一定長(zhǎng)度的平整表面，從而增長(zhǎng)了聲波在儀器內(nèi)部的傳播路徑、增多了反射次數(shù)，進(jìn)而減少了信號(hào)干擾。換能器安裝架110還包括密封槽113，用于安裝密封件130。
[0024]陣列聲波換能器100的殼體被使用常規(guī)的緊固方式裝配在換能器安裝架110外部，并且通過(guò)密封件130而將內(nèi)部的腔室密封。密封件130安裝在密封槽113中。在本實(shí)施方式中，密封件130為0形密封圈。在其他實(shí)施方式中，密封件130可以為適合于換能器安裝架110的形狀、尺寸以及工作環(huán)境的任意密封件。由于下文將描述的覆層結(jié)構(gòu)，換能器晶片不再直接暴露于外界的壓力之下，因此本實(shí)用新型的殼體可以由金屬材料制成，這與現(xiàn)有技術(shù)中使用橡膠皮囊來(lái)平衡壓力的結(jié)構(gòu)有很大不同。對(duì)橡膠皮囊的省略極大地改善了設(shè)備的可靠性。
[0025]從圖3可以看出，多個(gè)接收換能器組件120以陣列的方式連接至換能器安裝架110，用于接收反射的聲波信號(hào)。多個(gè)接收換能器組件120可以為不同種類的接收換能器，這樣做的優(yōu)勢(shì)在于可以接收不同的波形，從而從不同角度認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)復(fù)雜地層的各種屬性。根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，陣列聲波換能器100可以以下列方式形成陣列:在換能器安裝架110的圓周方向有四個(gè)接收換能器組件120朝向四面排列(即大體上互相成90度角)，該四個(gè)接收換能器組件120形成的單元在換能器安裝架110的軸向重復(fù)排列而形成陣列。根據(jù)本實(shí)用新型的一種實(shí)施方式，陣列聲波換能器100可以包括八個(gè)該單元，即共三十二個(gè)接收換能器組件120。其中，每個(gè)單元之間的間隔可以為一致的。根據(jù)本實(shí)用新型的其他實(shí)施方式，陣列聲波換能器100可以包括以任意形式排列的更多和更少的接收換能器組件120。
[0026]參考圖5a和圖5b，圖5a為本實(shí)用新型的陣列聲波換能器的接收換能器組件的透視圖，圖5b為圖5a中的接收換能器組件的剖視透視圖。如圖5a和圖5b所示，根據(jù)本實(shí)用新型的接收換能器組件120包括換能器晶片121、和覆層122。
[0027]換能器晶片121用于接收信號(hào)并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能等其他形式的能力，其可以為壓電材料，包括但不限于天然石英(Si02)晶片、人工單晶材料如硫酸鋰(Li2S04)、鈮酸鋰(LiNb03)以及壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BaTi03)、鈮酸鉛(PbNb203)等。
[0028]覆層122完全地包覆換能器晶片121，并界定連接特征122。覆層122可以為任意適合的高分子聚合物材料，優(yōu)選地為聚醚醚酮(PEEK)。聚醚醚酮(PEEK)具有耐高溫、耐化學(xué)藥品腐蝕等物理化學(xué)性能，并具有良好的透聲性。這樣，覆層122降低了換能器晶片121在高溫高壓的使用環(huán)境中受到損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保證了其使用性能。
[0029]在優(yōu)選的實(shí)施方式中，覆層122包括連接特征1221，以將接收換能器組件120連接至換能器安裝架110的安裝槽111中。連接特征1221在覆層122的制造過(guò)程中一體化地形成在覆層122中，這大大減少了接收換能器組件的零件數(shù)，并簡(jiǎn)化了制造和安裝過(guò)程。連接特征1221可以為多個(gè)通孔，便于使用螺釘?shù)染o固件固定接收換能器組件120。這些通孔沿容納在覆層122內(nèi)的換能器晶片121的厚度方向延伸，且位于覆層122上不與換能器晶片121重疊的位置。連接特征還可以為螺紋孔、插針等任意適合的連接特征。在使用插針作為連接特征1221的實(shí)施例中，換能器安裝架110的安裝槽111中包括對(duì)應(yīng)的插針孔。
[0030]通過(guò)將換能器晶片完全包覆在高分子覆層中的結(jié)構(gòu)，替代了現(xiàn)有技術(shù)中的橡膠墊片、橡膠綁帶以及橡膠皮囊，本實(shí)用新型的陣列聲波換能器100完全地消除了橡膠零件的使用，并且能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的使用效果，這大大提升了設(shè)備的使用耐受性、使用壽命以及可靠性。
[0031]雖然前文提到本實(shí)用新型可以用于石油測(cè)井技術(shù)，但本實(shí)用新型的應(yīng)用領(lǐng)域還包括艦艇、潛艇、海洋測(cè)繪、超聲無(wú)損檢測(cè)等。本說(shuō)明書(shū)的結(jié)構(gòu)和實(shí)例均為示例性的，本實(shí)用新型的范圍僅由權(quán)利要求書(shū)限定。
【權(quán)利要求】
1.一種陣列聲波換能器，其特征在于，包括:換能器安裝架、殼體、密封件以及接收換能器組件，所述殼體包覆在換能器安裝架外側(cè)，所述密封件在殼體與換能器安裝架之間被壓緊，從而通過(guò)彈性形變來(lái)密封所述殼體內(nèi)部的腔室，所述接收換能器組件以陣列形式安裝至所述換能器安裝架，所述接收換能器組件包括: 用于接收聲波并將聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器晶片；以及 由高分子材料制成的覆層，所述覆層完全地包覆所述換能器晶片。
2.如權(quán)利要求1所述的陣列聲波換能器，其特征在于:所述覆層包括用于將所述接收換能器組件連接至所述換能器安裝架的連接特征，所述連接特征一體地形成在覆層上。
3.如權(quán)利要求1所述的陣列聲波換能器，其特征在于:所述高分子材料為聚醚醚酮。
4.如權(quán)利要求2所述的陣列聲波換能器，其特征在于:所述連接特征為多個(gè)通孔。
5.如權(quán)利要求2所述的陣列聲波換能器，其特征在于:所述連接特征為多個(gè)插針。
6.如權(quán)利要求1所述的陣列聲波換能器，其特征在于:所述多個(gè)接收換能器組件包括不同種類的換能器。
7.如權(quán)利要求1所述的陣列聲波換能器，其特征在于:所述陣列形式為:在所述換能器安裝架的圓周方向朝向四面排列四個(gè)所述接收換能器組件，所述四個(gè)接收換能器組件形成的單元在所述換能器安裝架的軸向重復(fù)排列而形成的陣列。
8.如權(quán)利要求7所述的陣列聲波換能器，其特征在于:其包括八個(gè)所述單元。
9.如權(quán)利要求1所述的陣列聲波換能器，其特征在于:換能器安裝架包括多個(gè)隔聲槽。
10.如權(quán)利要求9所述的陣列聲波換能器，其特征在于:所述換能器安裝架的內(nèi)表面和外表面均形成有所述隔聲槽。
【文檔編號(hào)】E21B49/00GK204140054SQ201420388422
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】陳洪海, 鮑忠利 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司, 中海油田服務(wù)股份有限公司