CN102592587A - 用于钻孔成像的单向超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于钻孔成像的单向超声换能器。提供产生单向超声波的装置和方法。配置成发射大致上单向超声波的超声传感器包括第一压电元件和第二压电元件。该第一压电元件配置成产生在第一方向上传播的第一超声波和在不同于该第一方向的第二方向上传播的第二超声波。该第二压电元件被定位并且配置成吸收该第二超声波，以及配置成将吸收的第二超声波的能量转换成电能。
Description
技术领域
本文公开的主旨的实施例大体上涉及能用于钻孔成像的超声换能器和超声法，更具体地，涉及使用压电元件吸收反向超声波的装置和技术。
背景技术
由于石油和天然气仍然是世界经济中占有相当明显比例的不能取代的能源，发展新的生产领域的兴趣尽管从开发的可达性和安全性方面存在更苛刻的条件然而已经持续增长。石油和天然气井内部的超声测量通常是可取的，因为它们获取与井套管、井的侧面等的大小和配置有关的信息。为了收集该信息，具有一个或多个附连的超声换能器的探头或“探棒”可向下放入套管内部的钻孔或在套管安装之前向下放入钻孔。超声换能器发射超声波，并且可探测反射回到换能器的发射超声波的回声。
如果换能器发射球面波，接收的回声将相移，这取决于换能器与波被反射的每个位置之间的距离。区分从不同方向反射的球面波的回声是不切实际的。从而，优选使用准直的平面超声波。
压电圆盘的平面可发射具有令人满意的方向性的超声波。然而，该压电圆盘在正向(期望的)和反向(与该正向相反)都发射超声波。正向传播波和反向传播波由压电圆盘同时发射，并且具有相同的频率和信号形状。几乎不能区分正向传播波的回声和反向传播波的回声。
许多超声波聚焦技术是可用的并且已经在逐步发展的常规传感器中使用以试图获得理想的单向(即，仅正向传播)超声源。然而，反向传播波的问题还未采用令人满意的方式解决。解决该问题的一个常规方式是在换能器中包括几英寸厚的吸收体，该吸收体相对于压电圆盘位于反向传播方向。该吸收体可由吸收橡胶和高阻抗钨制成。由于大的吸收体，这样的换能器是沉重并且庞大的。
因此，提供能够提供避免上述问题和缺陷的单向超声波的换能器，这将是可取的。
发明内容
根据一个示范性实施例，超声传感器包括(a)第一压电元件，其配置成产生在第一方向上传播的第一超声波，和在不同于该第一方向的第二方向上传播的第二超声波，以及(b)第二压电元件，其被定位并且配置成吸收到达该第二压电元件的该第二超声波的一部分，以及配置成将吸收的第二超声波的能量转换成电能。
根据另一个示范性实施例，超声换能器包括主动压电元件、被动压电元件、第一电路、第二电路和外壳。该主动压电元件配置成接收电信号并且将接收的电信号转换成在第一方向上传播的第一超声波和在不同于该第一方向的第二方向上传播的第二超声波。该被动压电元件被定位并且配置成吸收到达该被动压电元件的该第二超声波的剩余部分，以及配置成将吸收的第二超声波转换成电能。反射层位于该主动压电元件和该被动压电元件之间，并且配置成在该第一方向上反射该第二超声波的一部分。第一电路连接到该主动压电元件的相对的面并且配置成提供电信号给该主动压电元件。第二电路连接到该被动压电元件的相对的面，并且包括配置成耗散电能的电阻。外壳配置成包封该主动压电元件、被动压电元件、反射层、第一电路和第二电路。
根据另一个示范性实施例，超声传感器的制造方法包括：在保持结构中安装主动压电元件和被动压电元件，主动压电元件配置成在相反方向上发射超声波；被动压电元件配置成吸收由主动压电元件朝被动压电元件发射的超声波。
根据另一个示范性实施例，产生单向超声波的方法包括：通过主动压电元件发射大致上在两个不同的方向上传播的超声波，以及通过被动压电元件吸收在这两个方向中的一个上传播的超声波。
附图说明
包含在本说明书中并且构成其一部分的附图图示一个或多个实施例并且与描述一起解释这些实施例。在图中：
图1是根据示范性实施例的换能器的示意图；
图2是图示根据示范性实施例生产超声传感器的方法的流程图；以及
图3是图示根据示范性实施例用于产生单向超声波的方法的流程图。
具体实施方式
示范性实施例的下列说明指附图。不同的图中相同的标号标识相同或相似的元件。下列详细说明不限制本发明。相反，本发明的范围由附上的权利要求限定。为了简化，下列实施例关于能在石油和天然气的钻井的钻孔中使用的换能器的术语和结构论述。然而，接着要论述的实施例不限于这些系统，而可应用于需要单向超声换能器供应的其他系统。
整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意思是连同实施例描述的特定特征、结构或特性包括在公开的主旨的至少一个实施例中。从而，在整个说明书中各种地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必指相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可采用任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。
根据实施例，图1图示换能器100，其具有当接收电信号时发射超声波的主动压电元件110(在图1中的右侧)。该主动压电元件110可例如具有大约1英寸直径和大约0.156英寸厚的圆柱形状(即，它是圆盘)。该主动压电元件110的厚度可以用于调谐产生的超声波的频率。例如，如果该压电元件110是大约0.156英寸厚，超声波可具有大约500kHz的频率。然而，可选择其他值。
主动压电元件110可发射超声波，其具有持续1到2个周期的方形、正弦或伪正弦时间演化(即，形状)，和仅受到主动压电元件110的击穿场(该击穿场取决于压电元件的材料和尺寸)限制的最大幅度。主动压电元件110还可探测发射的超声波的回声。从主动压电元件110到反射表面(例如，井的侧面)的距离基于飞行时间而估计，该飞行时间是发射超声信号的时间和探测回声的时间之间的时间间隔。不同的反射表面之间的距离可以基于探测到不同的相应回声时之间的时间差而估计。旋转或以别的方式扫描的换能器可以产生钻孔表面的图像，其揭示岩层或内衬的钻孔中的特征、对金属套管的损坏等。现有技术的换能器(其由于在主动压电元件后面堆叠的大的吸收体而庞大并且厚重)难以(如可能的话)采用这样的方式操作(即，使它旋转以便使钻孔侧可视化)。
电路115连接到主动压电110以提供使主动压电元件110发射超声波的电信号。由主动压电元件110吸收并且转换为电回声信号的超声回声还可在该电路115中拾取(例如，以测量回声飞行时间)。
窗口120可安装在正向传播方向上(+z)安装在主动压电元件110上。该窗口120配置成具有与钻孔中的流体(例如，水)的超声阻抗匹配的超声阻抗，由此最小化从主动压电元件110通过该窗口120传播到钻孔流体的超声波的反射或分散。例如，该窗口120可由具有内嵌玻璃的聚苯硫醚(PPD)制成，其具有良好的声阻抗性质并且在可超出1000个大气压的高压和钻孔中可遇到的高温下展现稳定性。该窗口120可有利地具有相当于超声波长(λ)四分之一的厚度。例如，该窗口120可以是0.059英寸厚。窗口的厚度可当在分散介质中使用时通过提供更宽的宽带信号接收而用于调谐换能器的响应。
主动压电元件110在正向+z(其是计划传播方向)和反向-z上都产生超声波。换能器100进一步包括从尺寸和谐振频率方面与主动压电元件110相似的被动压电元件，其大致上平行于主动压电元件110放置在反向上。该被动压电元件130配置成吸收由主动压电元件110发射的反向传播的波，并且将反向传播的波的机械能转换成电能。该电能然后作为电路135(其包括电阻器140)中的热而耗散。
从而，代替常规地用于减弱反向传播超声波的厚重且庞大的吸收体，被动(即，不发射超声波)压电元件130用于吸收反向传播的超声波。使用另一个(被动)压电元件作为吸收体导致换能器比具有厚重且庞大的吸收体的常规换能器更小(重量方面和尺寸上)。换能器100还在消除反向传播超声波方面更高效。
为了将电路115和135分别电连接到主动压电元件110和被动压电元件130，主动压电元件110和被动压电元件130的相反表面分别用导电层116、118、136和138覆盖。由这些导电层覆盖的表面可垂直于正向和反向传播方向。导电层116、118、136和138由铜、银、金等制成并且可具有5-10μm范围中的厚度。
为了提高消除反向传播超声波的效率并且增强发射正向传播超声波的效率，反射层150可安装在主动压电元件110与被动压电元件130之间。该反射层150配置成在该反射层150和主动压电元件110的表面处反射反向传播超声波的一部分。该反射层150可由钨制成，其由于它的声阻抗和1/4λ滤波特性可反射高达50％的反向传播波。例如，钨层的厚度可以是0.107英寸。在主动压电元件110和反射层150之间的界面处反射的反向传播波的那部分可建设性地干预正向传播波。反射层150可具有相当于奇数个四分之一波长的声学厚度。
反射层150可由导电层覆盖或本身可以是导体，由此在不同于地电势的电势处电连接导电层118和136。
换能器100可包括外壳160，其具有对于窗口120的开口，并且配置成包封主动压电元件110、被动压电元件130和反射层150。该外壳160可由钢或能够承受钻孔条件的另一个材料制成，其具有良好的耐磨性和耐化学侵蚀性。当外壳由钢制成时，电路135可经由外壳160电连接到导电层138，如在图1中示出。
安装部件170、172、174和176可设置在外壳160内部，并且可配置成使导电层116与导电层118电隔离，以及使导电层136与导电层138电隔离(即，相应地，覆盖主动压电元件110和被动压电元件130的相反表面的导电层)。例如，安装部件170、172、174和176可由聚苯硫醚(PPS)制成。
主动压电元件110、被动压电元件130、反射层150和安装部件170、172、174和176可组装在外壳160内部以在正向(期望的)超声波传播方向上形成具有窗口120的紧凑矩形体。
与图1中的换能器100相似的超声传感器可通过制造超声传感器的方法200(其的流程图在图2中图示)生产。该方法200包括在S210在保持结构(例如，图1中的160)中安装主动压电元件(例如，图1中的110)，其配置成在相反方向发射超声波。该方法200进一步包括在S220安装被动压电元件(例如，图1中的130)，其配置成吸收由主动压电元件(例如，图1中的110)朝被动压电元件(例如，图1中的130)发射的超声波。被动压电元件(例如，图1中的130)可大致上平行于主动压电元件(例如，图1中的110)安装。
方法200还可包括在主动压电元件(例如，图1中的110)和被动压电元件(例如，图1中的130)之间安装反射层(例如，图1中的150)，该反射层(例如，图1中的150)配置成反射由主动压电元件朝被动压电元件发射的超声波的一部分。
方法200还可包括在主动压电元件(例如，图1中的110)和被动压电元件(例如，图1中的130)的相反表面上施加导电层(例如，图1中的118，136，以及138)。由这些导电层覆盖的表面可垂直于由主动元件发射的超声波的传播方向。
方法200还可包括将施加在被动压电元件(例如，图1中的130)的相反表面上的导电层(例如，图1中的136和138)连接到包括电阻(例如，图1中的140)的电路(例如，图1中的135)。
方法200可进一步包括安装一个或多个安装部件(例如，图1中的170、172、174和176)，其配置成分别电隔离施加在主动压电元件(例如，图1中的110)和被动压电元件(例如，图1中的130)上的导电层(例如，图1中的116和118以及136和138)。
方法200还可包括在与朝着被动压电元件(例如，图1中的130)的侧相对的侧上的主动压电元件(例如，图1中的110)上安装窗口元件(例如，图1中的120)，该窗口元件(例如，图1中的120)配置成具有与钻孔内部的流体的声阻抗匹配的声阻抗。
图3是能在钻孔中使用的产生单向超声波的方法300的流程图。该方法300包括在S310通过主动压电元件(例如，图1中的110)发射大致上在两个不同的方向上传播的超声波。该方法300进一步包括在S320通过被动压电元件(例如，图1中的130)吸收在这两个方向中的一个上传播的超声波。
方法300可进一步包括通过被动压电元件(例如，图1中的130)将吸收的超声波的能量转换成电能，并且通过连接到被动压电元件(例如，图1中的130)的电路(例如，图1中的135)中的电阻(例如，图1中的140)耗散电能。
方法300还包括通过位于主动压电元件(例如，图1中的110)和被动压电元件(例如，图1中的130)之间的反射层(例如，图1中的150)将在两个方向中的一个上传播的超声波的一部分反射在两个方向中的另一个方向上。
公开的示范性实施例提供制造用于产生单向超声波的装置和方法的装置和方法。应该理解该说明不意在限制本发明。相反，示范性实施例意在涵盖备选、修改和等同物，其包括在如由附上的权利要求限定的本发明的精神和范围中。此外，在示范性实施例的详细描述中，阐述许多具体细节以便提供对要求权利的本发明的全面理解。然而，本领域内技术人员将理解在没有这样的具体细节的情况下可实践各种实施例。
尽管本示范性实施例的特征和要素在特定组合的实施例中描述，每个特征或要素可在没有实施例的其他特征和要素下单独使用或在各种实施例中与或不与本文公开的其他特征和要素一起使用。
该书面说明使用公开的主旨的示例来使本领域内任何技术人员能够实践该主旨，包括制作和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。主旨的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想起的其他示例。这样的其他示例规定在权利要求的范围内。
Claims (20)
1.一种超声传感器，其包括：
第一压电元件，其配置成产生在第一方向上传播的第一超声波，和在不同于所述第一方向的第二方向上传播的第二超声波；
第二压电元件，其被定位并且配置成吸收到达所述第二压电元件的所述第二超声波的一部分，所述第二压电元件配置成将吸收的第二超声波的能量转换成电能。
2.如权利要求1所述的超声传感器，其进一步包括：
反射层，其位于所述第一压电元件和所述第二压电元件之间并且配置成在所述第一方向上反射所述第二超声波的一部分。
3.如权利要求2所述的超声传感器，其中所述反射层由钨制成。
4.如权利要求2所述的超声传感器，其中所述反射层具有相当于所述第一和所述第二超声波的波长的奇数个1/4的声学厚度。
5.如权利要求1所述的超声传感器，其中所述第二压电元件与所述第一压电元件大致上类似。
6.如权利要求1所述的超声传感器，其进一步包括：
连接到所述第二压电元件的相对的面并且包括配置成耗散电能的电阻的电路。
7.如权利要求1所述的超声传感器，其中垂直于所述第一压电元件和所述第二压电元件的所述第一和所述第二传播方向的相反表面用配置成连接到电路的导电层覆盖。
8.如权利要求7所述的超声传感器，其进一步包括：
一个或多个安装部件，其配置成使覆盖所述第一压电元件和所述第二压电元件的所述相反表面的导电层互相电隔离。
9.如权利要求1所述的超声传感器，其进一步包括：
窗口元件，其在所述第一方向上安装在所述第一压电元件上并且配置成具有相当于所述第一和第二超声波的波长的奇数个1/4并且能够承受住钻孔条件的厚度。
10.如权利要求9所述的超声传感器，其中所述窗口元件由聚苯硫醚制成。
11.一种超声换能器，其包括：
主动压电元件，其配置成接收电信号并且将接收的电信号转换成在第一方向上传播的第一超声波和在不同于所述第一方向的第二方向上传播的第二超声波；
被动压电元件，其被定位并且配置成吸收到达所述被动压电元件的所述第二超声波的剩余部分，以及配置成将吸收的第二超声波转换成电能；
反射层，其位于所述主动压电元件和所述被动压电元件之间并且配置成在所述第一方向上反射所述第二超声波的一部分；
第一电路，其连接到所述主动压电元件的相对的面并且配置成提供电信号给所述主动压电元件；
第二电路，其连接到所述被动压电元件的相对的面，并且包括配置成耗散电能的电阻；以及
外壳，其配置成包封所述主动压电元件、所述被动压电元件、所述反射层、所述第一电路和所述第二电路。
12.一种超声传感器的制造方法，其包括：
在保持结构中安装主动压电元件，其配置成在相反方向上发射超声波；
在所述保持结构中安装被动压电元件，其配置成吸收由所述主动压电元件朝所述被动压电元件发射的超声波。
13.如权利要求12所述的制造方法，其进一步包括：
在所述主动压电元件与所述被动压电元件之间安装反射层，所述反射层配置成反射由所述主动压电元件朝所述被动压电元件发射的所述超声波的一部分。
14.如权利要求12所述的制造方法，其进一步包括：
在所述主动压电元件和所述被动压电元件的相反表面上施加导电层，被覆盖的表面垂直于所述相反方向。
15.如权利要求14所述的方法，其进一步包括：
将施加在所述被动压电元件的所述相反表面上的所述导电层连接到包括电阻的电路。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述被动压电元件大致上平行于所述主动压电元件安装，并且所述方法进一步包括：
安装一个或多个安装部件，其设置成与未被所述导电层覆盖的所述主动压电元件和所述被动压电元件的表面接触，所述一个或多个安装部件配置成使施加在所述主动压电元件和所述被动压电元件上的所述导电层互相电隔离。
17.如权利要求12所述的方法，其进一步包括：
与所述被动压电元件相对地在所述主动压电元件上安装窗口元件，所述窗口元件配置成具有与钻孔内部的流体的声阻抗匹配的声阻抗。
18.一种产生单向超声波的方法，其包括：
通过所述主动压电元件发射大致上在两个不同的方向上传播的超声波；以及
通过所述被动压电元件吸收这两个方向中的一个上传播的所述超声波。
19.如权利要求18所述的方法，其进一步包括：
通过所述被动压电元件将吸收的超声波的能量转换成电能；以及
通过连接到所述被动压电元件的电路中的电阻耗散所述电能。
20.如权利要求18所述的方法，其进一步包括：
通过位于所述主动压电元件和所述被动压电元件之间的反射层、将朝所述被动压电元件传播的所述超声波的一部分反射在所述两个方向中的另一个方向上。
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