CN101462878B

CN101462878B - 声波测井系统多极子接收用压电陶瓷材料及其制备方法

Info

Publication number: CN101462878B
Application number: CN2008102052289A
Authority: CN
Inventors: 李玉臣; 姚烈; 朱怀志; 董显林
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2008-12-31
Filing date: 2008-12-31
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2028-12-31
Also published as: CN101462878A

Abstract

本发明主要涉及声波测井系统多极子接收用压电陶瓷材料及其制备方法，属于陶瓷组成与制备领域。本发明组成式为：Pb_1-m-n(Ba_m·Sr_n)Nb_2-x(Ti_e·W_f)0.5xO₆+pwt％La₂O₃+qwt％CeO₂+uwt％SiO₂+zwt％Cr₂O₃，式中0.001≤x≤1，0.0≤m+n≤0.5，e/f＝1，0.0≤p≤1，0.0≤q≤1，0.0≤u≤1，0.0≤z≤1；本发明在传统压电陶瓷工艺基础上进行改进制备，材料主要性能为：ε₃₃ ^T/ε₀＝280±20，tanδ＝0.68％，T_c＝489℃，d₃₃＝92pC/N，Kt＝0.40，ρ_v(200℃)＝1.3×10¹⁰Ω·cm。本发明材料具有谐振频率单一，接收信号幅度宽，稳定性好的特点，完全满足新一代声波测井系统多极阵列多极子接收换能器的使用要求。

Description

声波测井系统多极子接收用压电陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及声波测井系统多极子接收用压电陶瓷材料及其制备方法，属于陶瓷组成与制备领域。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，近年来对石油的需求量迅猛增加。从1993年开始，我国已由石油净出口国变为净进口国，在国际油价不断飚升的背景下，能源供应的瓶颈--石油问题，已经成为严重影响我国经济可持续发展的一个重要因素，并对国家安全构成威胁。专家预测，如果在石油勘探上没有重大技术突破，到2010年，我国石油供求缺口将接近1.2亿吨，石油自给率将滑向50％。新一代多极阵列声波测井仪器是声波测井的最新技术，可以测量软、硬地层中充液井孔中的纵波、横波和斯通利波的波速、各种波动模式的衰减。为了满足我国复杂油气勘探和开发的需要，近年来我国斥巨资直接请斯仑贝谢测井公司来华服务，并引进了30多套包括多极子阵列声波成像仪(MAC、XMAC)和低频偶极横波测井仪(LFD)在内的成像测井系统，但是对于高端、先进的测井技术国外却对我国采取严格的保密措施。因此，开发具有我国自主知识产权的新一代多极阵列声波测井仪，对于我国打破西方发达国家对测井技术的垄断，大幅度地降低勘探成本，赶超世界测井技术的先进水平具有重要意义。

目前，中石油和中海油正致力于新一代多极阵列声波测井仪器的研发。用作接收声波的多极子接收压电换能器是新一代多极阵列声波测井仪器的一种核心部件。由于测井作业的特殊环境，这类换能器不仅要满足声波测井在声学特性方面的要求，更重要的是要能够在高温高压下稳定工作。近年来，尽管国内有少数几家单位也在多极子接收压电换能器方面做了积极的探索，但至今所研制的压电换能器还存在灵敏度偏低、分辨率不高以及在高温下性能不稳定等突出问题，不能真正满足井下勘探的使用要求，其关键是缺少能在高温、高压环境下可长期稳定工作的压电陶瓷材料，因此，高温高稳定性压电陶瓷材料的研发已成为新一代多极阵列声波测井仪开发过程中遇到的一个重要技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种声波测井系统多极子接收用压电陶瓷材料及其制备方法。

在设计配方时，通过采用(Ba·Sr)复合取代A位的Pb²⁺离子，(Ti·W)复合取代B位的Nb⁵⁺离子，同时外加几种氧化物作为添加剂和改进工艺等手段，获得了一种性能优良的压电陶瓷材料。

具体制备方法是

以Pb₃O₄(工业纯)、TiO₂(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、SrCO₃(化学纯)、Nb₂O₅(工业纯)、WO₃(化学纯)、Cr₂O₃(化学纯)、La₂O₃(化学纯)、SiO₂(化学纯)、CeO₂(化学纯)为原料，按Pb_1-m-n(Ba_m·Sr_n)Nb_2-x(Ti_e·W_f)_0.5xO₆+pwt％La₂O₃+qwt％CeO₂+uwt％SiO₂+zwt％Cr₂O₃的化学配比进行称量，式中0.001≤x≤1，0.0≤m+n≤0.5，e/f＝1，0.0≤p≤1，0.0≤q≤1，0.0≤u≤1，0.0≤z≤1。

用去离子水和玛瑙球作为介质，经滚桶球磨4～10h，出料烘干后进行700℃-1100℃/0.5-4h的第一次敞开粉末合成，然后，再进行1100℃-1300℃/0.5-4h的第二次敞开粉末合成，再经滚桶球磨12～48h、出料烘干、加粘结剂、成型(成型压力为150MPa-200MPa)、排塑(800℃/1h)、烧结(1270℃-1350℃/0.5-4h)、冷加工、超声清洗、上电极、极化(150℃-200℃，3-7kv/mm，10-100min)等工艺，最后进行相关性能测试，即可得到供使用的压电陶瓷元件。

本发明的效果是：获得了一种介电常数ε₃₃ ^T/ε₀＝280±20，tanδ＝0.68％，T_c＝489℃，d₃₃＝92pC/N，Kt＝0.40，ρ_v(200℃)＝1.3×10¹⁰Ω·cm的高温高稳定性压电陶瓷材料。

表1本发明陶瓷元件在热处理后电容量C和压电系数d₃₃的变化

从表1可以看出本发明陶瓷元件经过长时间的高温处理，电容量c和压电系数d₃₃几乎没有任何变化，而且本发明陶瓷材料在高温(200℃)下的体电阻率达到1.3×10¹⁰Ω·cm，是一种很好的高温高稳定性压电陶瓷材料。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明的具体制备和材料的特点。

实施例1

以Pb₃O₄(工业纯)、TiO₂(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、SrCO₃(化学纯)、Nb₂O₅(工业纯)、WO₃(化学纯)、SiO₂(化学纯)、Cr₂O₃(化学纯)、CeO₂(化学纯)为原料，按Pb_0.80Ba_0.12Sr_0.08Nb_1.9Ti_0.05W_0.05O₆+0.1wt％CeO₂+0.03wt％SiO₂+0.05wt％Cr₂O₃的化学计量称量，用去离子水和玛瑙球作为介质，经滚桶球磨8h，出料烘干后进行1000℃/2h的第一次敞开粉末合成，然后，再进行1280℃/2h的第二次敞开粉末合成，再经滚桶球磨24h、出料烘干、加粘结剂、成型(成型压力为150MPa)、排塑(800℃/1h)、烧结(1300℃/2)、冷加工、超声清洗、上电极、极化(180℃，5kv/mm，30min)等工艺，最后进行相关性能测试。材料标准片的主要性能是：介电常数ε₃₃ ^T/ε₀＝320，tanδ＝0.85％，T_c＝475℃，d₃₃＝90pC/N，Kt＝0.37，ρ_v(200℃)＝7.3×10⁹Ω·cm。

实施例2

以Pb₃O₄(工业纯)、TiO₂(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、SrCO₃(化学纯)、Nb₂O₅(工业纯)、WO₃(化学纯)、La₂O₃(化学纯)、SiO₂(化学纯)、CeO₂(化学纯)为原料，制备工艺同实施例1，按Pb_0.82Ba_0.12Sr_0.06Nb_1.9Ti_0.05W_0.05O₆+0.1wt％CeO₂+0.03wt％SiO₂+0.05wt％La₂O₃的化学计量称量，材料标准片的主要性能是：介电常数ε₃₃ ^T/ε₀＝305，tanδ＝0.78％，T_c＝483℃，d₃₃＝89pC/N，Kt＝0.39，ρ_v(200℃)＝9.2×10⁹Ω·cm。

实施例3

采用Pb₃O₄(工业纯)、TiO₂(工业纯)、BaCO₃(工业纯)、SrCO₃(化学纯)、Nb₂O₅(工业纯)、WO₃(化学纯)、Cr₂O₃(化学纯)、La₂O₃(化学纯)、SiO₂(化学纯)、CeO₂(化学纯)等为原料，其制备的主要生产工艺同实施例1，按照Pb_0.86Ba_0.10Sr_0.04Nb_1.9Ti_0.05W_0.05O₆+0.1wt％CeO₂+0.03wt％SiO₂+0.05wt％La₂O₃+0.03wt％Cr₂O₃的化学计量称量，材料标准片的主要性能是：介电常数ε₃₃ ^T/ε₀＝280，tanδ＝0.68％，T_c＝489℃，d₃₃＝92pC/N，Kt＝0.40，ρ_v(200℃)＝1.3×10¹⁰Ω·cm。

Claims

1.测井系统多极子接收用压电陶瓷材料，其特征在于，以偏铌酸铅为主要成分的钨青铜状结构压电陶瓷，其组成式为：Pb_1-m-n(Ba_m·Sr_n)Nb_2-x(Ti_e·W_f)_0.5xO₆+pwt％La₂O₃+qwt％CeO₂+uwt％SiO₂+zwt％Cr₂O₃，式中0.001≤x≤1，0.0≤m+n≤0.5，e/f＝1，0.0≤p≤1，0.0≤q≤1，0.0≤u≤1，0.0≤z≤1。

2.按权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于，0.01≤p≤0.5，0.01≤q≤0.5，0.01≤u≤0.5。

3.按权利要求1所述的压电陶瓷材料，其特征在于，0.01≤p≤0.5，0.01≤q≤0.5，0.01≤z≤0.5。

4.测井系统多极子接收用压电陶瓷材料的制备方法，包括球磨工艺、合成、烧结、极化，其特征在于，以Pb₃O₄、TiO₂、BaCO₃、SrCO₃、Nb₂O₅、WO₃、Cr₂O₃、La₂O₃、SiO₂、CeO₂为原料，按Pb_1-m-n(Ba_m·Sr_n)Nb_2-x(Ti_e·W_f)_0.5xO₆+pwt％La₂O₃+qwt％CeO₂+uwt％SiO₂+zwt％Cr₂O₃的化学配比进行称量，式中0.001≤x≤1，0.0≤m+n≤0.5，e/f＝1，0.0≤p≤1，0.0≤q≤1，0.0≤u≤1，0.0≤z≤1；

用去离子水作为介质，经球磨4～10h，烘干后经预烧、球磨、烘干、成型、排塑、烧结。

5.按权利要求4所述的测井系统多极子接收用压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，预烧条件为先经700℃-1100℃/0.5-4h的预烧，然后，再进行1100℃-1300℃/0.5-4h预烧。

6.按权利要求4所述的测井系统多极子接收用压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，所述烧结条件为1270℃-1350℃/0.5-4h烧结。

7.按权利要求4所述的测井系统多极子接收用压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，0.01≤p≤0.5，0.01≤q≤0.5，0.01≤u≤0.5。

8.按权利要求4所述的测井系统多极子接收用压电陶瓷材料的制备方法，其特征在于，0.01≤p≤0.5，0.01≤q≤0.5，或0.01≤z≤0.5。