CN111742243B - 用于测量地层速度的超声换能器 - Google Patents

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Abstract

本文公开了用于测量地层速度的示例性超声换能器。一种示例性设备包括壳体和声换能器，所述声换能器具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面。所述声换能器至少部分地设置在所述壳体中。所述示例性设备包括由所述壳体支撑的窗口。所述声换能器的所述第一表面的至少一部分与所述窗口接触。所述壳体和所述窗口用于为所述声换能器形成流体密封。

Description

用于测量地层速度的超声换能器
相关申请
本专利要求于2018年2月8日提交的美国临时专利申请序列号62/627,788的权益。美国临时专利申请序列号62/627,788据此全文以引用方式并入本文。据此要求美国临时专利申请序列号62/627,788的优先权。
背景技术
本公开整体涉及超声换能器，并且更具体地涉及用于测量地层速度的超声换能器。
相关技术的描述
钻孔声波的生成和记录是油田钻孔测井中采用的重要测量方法。当前有许多钻孔工具和方法可用于进行声学测量。一些工具包括单个声波源和两个或更多个接收器。其他工具包括两个或更多个声源和成阵列布置的多个接收器。当前可用的声学工具可用于提供有关周围地层和钻孔参数的大量信息。
美国专利号6,678,616描述了用于产生地层速度图像数据集的方法和工具。美国专利号6,510,389描述了用于对钻孔壁中的应力引起的机械损伤进行声学检测的方法。美国专利号7,913,806描述了用于在井下工具上容纳声换能器和电子器件的外壳。美国专利号6,466,513描述了用于测量钻井时井直径的超声传感器组件。美国专利号5,354,956描述了用于测量钻井时钻孔特性的超声脉冲回波设备和方法。美国专利号5,753,812描述了用于随钻声波测井的声波换能器。美国专利号7,460,435描述了用于管状件的声换能器。
美国专利号3,437,834描述了用于检测所选择的信号的出现时间的方法和设备。美国专利号7,675,813描述了用于检测感兴趣的分量信号的第一到达数据的方法和设备，该第一到达数据可用于估计地层慢度。美国专利号4,594,691描述了用于确定慢度-时间相关性的声波测井方法和系统。由Christopher V.Kimball和Thomas L.Marzetta撰写的公布在《地球物理学》49卷第3期1984年第274-281页的标题为“钻孔声阵列数据的相似性处理(Semblance Processing of Borehole Acoustic Array Data)”的文章描述了钻孔声阵列数据的相似性处理。
附图说明
图1是可根据本公开的教导内容实施的示例性接收器的透视图。
图2是图1的示例性接收器的第一侧视图，示出了沿着接收器的示例性长度的示例性声束轮廓。
图3是图1和图2的示例性接收器的第二侧视图，示出了沿着接收器的示例性宽度的图2的示例性声束轮廓。
图4是可根据本公开的教导内容实施的示例性接收器阵列的透视图。
图5是可根据本公开的教导内容实施的示例性接收器组件的透视图。
图6是图5的示例性接收器组件的剖视图。
图7是示出相对于示例性地层的示例性钻孔壁安置的图5和图6的示例性接收器组件的透视图。
图8是激发示例性快地层波的图7的示例性发射器的示意图。
图9是激发示例性慢地层波的图7的示例性发射器的示意图。
图10是可根据本公开的教导内容实施的第一示例性超声换能器的剖视图。
图11是包括图10的第一示例性超声换能器的示例性随钻测井工具的剖视图。
图12是图10的第一示例性超声换能器在第一示例性变形状态下的剖视图。
图13是图10的第一示例性超声换能器在第二示例性变形状态下的剖视图。
图14是可根据本公开的教导内容实施的第二示例性超声换能器的剖视图。
图15是可根据本公开的教导内容实施的第三示例性超声换能器的剖视图。
图16是可根据本公开的教导内容实施的第四示例性超声换能器的剖视图。
图17是可根据本公开的教导内容实施的第五示例性超声换能器的剖视图。
图18是可根据本公开的教导内容实施的第六示例性超声换能器的剖视图。
图19是可根据本公开的教导内容实施的示例性底部钻具组合的侧视图。
图20是可根据本公开的教导内容实施的示例性连续油管钻井设备的透视图。
图21是可根据本公开的教导内容实施的示例性随钻测井设备的透视图。
图22是制造图10至图18的示例性超声换能器的示例性方法的流程图。
某些示例在以上所标识的附图中示出并且在下面详细描述。在描述这些示例时，使用相似或完全相同的附图标记来标识相同或类似的元件。附图不一定按比例绘制，并且为了清楚和/或简洁起见，附图的某些特征和某些视图可按比例放大或以示意图示出。
在标识可能被分别提及的多个元件或部件时，在本文中使用描述符“第一”、“第二”、“第三”等。除非基于它们的使用上下文另外指定或理解，否则此类描述符无意于赋予任何优先级或时间顺序的意义，而仅仅是作为标签，用于分别指代多个元件或部件，以便于理解所公开的示例。在一些示例中，在详细描述中可使用描述符“第一”来指代元件，而在权利要求中可使用诸如“第二”或“第三”的不同描述符来指代同一元件。在此类情况下，应当理解，使用此类描述符仅仅是为了便于引用多个元件或部件。
具体实施方式
本文所公开的超声换能器被构造、布置和/或配置为有利地提供相对于上述类型的常规超声换能器的测量能力而言质量改善的地层速度测量。所公开的超声换能器可用于超声一发一收(pitch-catch)测量和/或超声脉冲-回波测量。所公开的超声换能器可结合随钻测井(LWD)或钢丝绳(WL)井下工具来实施。所公开的超声换能器有利地提供了低成本的、易于制造的测量设备，这些测量设备具有在井下环境的恶劣条件下高度可靠的稳定性能特征。
在一些示例中，所公开的超声换能器包括具有多个接收器的接收器阵列，该多个接收器沿着阵列线布置、安置和/或彼此间隔开。在一些示例中，接收器阵列的接收器可沿着阵列线彼此相等地间隔开。在一些示例中，接收器中的相应接收器具有包括长轴和短轴的矩形轮廓。在一些示例中，接收器的短轴中的相应短轴可沿着阵列线布置和/或安置。在一些示例中，接收器阵列被构造和/或配置为记录在井产流体中传播的声压波，该声压波被激发为地层波(例如，折射的压缩波和剪切波、P波和S波、伪瑞利波、陷波、漏波等)。在一些示例中，所公开的超声换能器促进了发射器和接收器之间的直达波的声解耦。在一些示例中，所公开的超声换能器促进了通过钻铤或壳体的工具到达波的声解耦。
图1是可根据本公开的教导内容实施的示例性接收器100的透视图。图1的接收器100具有示例性前表面102和与前表面102相对定位的示例性背表面104。接收器100具有示例性长度106、示例性宽度108和示例性厚度110。在图1的所示示例中，长度106限定接收器100的长轴，并且宽度108限定接收器100的短轴。接收器100的长度106、宽度108和厚度110的相应尺寸可为任何值。
在图1的所示示例中，接收器100的前表面102和背表面104具有大体矩形形状。在其他示例中，接收器100的前表面102和/或背表面104可具有其他横截面形状，包括规则几何形状(例如，三角形、梯形、圆形、椭圆形等)和不规则几何形状。在图1的所示示例中，接收器100具有矩形棱柱形状。在其他示例中，接收器100可具有不同的形状，包括规则几何形状(例如，立方形、棱柱形、圆柱形、圆锥形、球形、金字塔形等)或不规则几何形状。
在一些示例中，图1的接收器100包括邻近接收器100的前表面102安置的第一电极和邻近接收器100的背表面104安置的第二电极。在一些此类示例中，第一电极和第二电极可分别定位在接收器100的厚度110内，使得第一电极和第二电极定位在接收器100的前表面102和背表面104之间(例如，相对于图1所示的接收器100定位在内部)。接收器100可经由在控制器和接收器100的第一电极之间延伸的第一导线和在控制器和接收器100的第二电极之间延伸的第二导线操作地耦合到控制器。
在一些示例中，图1的接收器100的前表面102是用于接收通过地质地层传播并从地质地层朝向接收器100的前表面102折射的声波和/或信号的接收表面。接收器100将所接收的声波和/或信号转换成对应的电信号。对应的电信号可被转发到控制器(例如，处理器)。控制器可实施一种或多种波形处理算法或技术，以基于接收器100所测量的对应的电信号来计算和/或确定地层速度(例如，地层的波传播速度)。
图1的接收器100还包括示例性参考点112，该示例性参考点被限定为接收器100的灵敏度中心。在一些示例中，接收器100的参考点112可定位在接收器100的前表面102(例如，接收表面)的几何中心处。在一些示例中，参考点112可定位在接收器100的第一电极或第二电极的几何中心处(例如，如上所述安置的第一电极和第二电极)。
图2是图1的示例性接收器100的第一侧视图，示出了沿着接收器100的示例性长度106(例如，长轴)的示例性声束轮廓200。图3是图1和图2的示例性接收器100的第二侧视图，示出了沿着接收器100的示例性宽度108(例如，短轴)的图2的示例性声束轮廓200。如图2所示，随着声束轮廓200延伸远离接收器100的前表面102，接收器100的声束轮廓200沿着接收器100的长度106和/或长轴变得更窄。声束轮廓200沿着接收器100的长度106和/或长轴在远离接收器100的前表面102的示例性距离204处具有示例性第一束宽度202。如图3所示，随着声束轮廓200延伸远离接收器100的前表面102，接收器100的声束轮廓200沿着接收器100的宽度108和/或短轴变得更宽。声束轮廓200沿着接收器100的宽度108和/或短轴在远离接收器100的前表面102的示例性距离204处具有示例性第二束宽度302。在图2和图3的所示示例中，声束轮廓200的第二束宽度302大于声束轮廓200的第一束宽度202。接收器100的第一束宽度202和第二束宽度302分别指示在距其示例性距离204处接收器100的声信号接收灵敏度为高或聚焦的几何区域。
图4是可根据本公开的教导内容实施的示例性接收器阵列400的透视图。图4的接收器阵列400包括包括图1的示例性接收器100的多个，这些接收器沿着示例性阵列线402布置、安置和/或彼此间隔开。在图4的所示示例中，接收器阵列400包括总共四个接收器100。在其他示例中，接收器阵列400可包括不同数量的接收器100(例如，两个、三个、八个、十六个等)。在图4的所示示例中，接收器阵列400的接收器100中的相邻接收器和/或邻近接收器以示例性距离404彼此相等地间隔开，该示例性距离被限定为接收器100中的第一接收器的参考点112与和接收器100中的第一接收器相邻和/或邻近的接收器100中的第二接收器的参考点112之间的距离。在其他示例中，接收器阵列400的接收器100中的相邻接收器和/或邻近接收器可以不同的(例如，不相等的)间隔彼此间隔开。
图4的阵列线402是限定接收器阵列400的取向的向量。在图4的所示示例中，阵列线402连接和/或穿过接收器100的参考点112中的相应参考点。在一些此类示例中，接收器100的参考点112中的每一个都可与阵列线402精确对准。在其他示例中，接收器100的参考点112中的一个或多个可与阵列线402基本上对准，使得参考点112中的任一参考点与阵列线402之间的最大距离不超过公差和/阈值(例如，小于接收器100中的邻近接收器和/或相邻接收器之间的间距和/或距离404的百分之十)。当图4的阵列线402平行于地层的钻孔表面时(通过地层传播的声波从该钻孔表面朝向接收器阵列400的接收器100反射)，可高精度地计算和/或确定与地层相关联的波传播速度。
图5是可根据本公开的教导内容实施的示例性接收器组件500的透视图。图5的接收器组件500可作为超声换能器来实施。图5的接收器组件500包括示例性壳体502。图5的接收器组件500还包括图4的示例性接收器阵列400(例如，接收器100中的多个接收器，这些接收器沿着接收器阵列400的阵列线402布置、安置和/或彼此间隔开，如图4所示)。在图5的所示示例中，接收器阵列400被安置、定位和/或嵌入在壳体502内，使得壳体502容纳、包围和/或包封接收器阵列400的接收器100。
在图5的所示示例中，壳体502具有矩形棱柱形状。在其他示例中，壳体502可具有不同的形状，包括规则几何形状(例如，立方形、棱柱形、圆柱形、圆锥形、球形、金字塔形等)或不规则几何形状。在一些示例中，图5的接收器组件500的壳体502可由树脂形成。在一些示例中，图5的接收器组件500的壳体502可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
图6是图5的示例性接收器组件500的剖视图。在图6的所示示例中，接收器组件500的接收器100中的相应接收器包括邻近接收器100的前表面102安置的示例性第一电极602和邻近接收器100的背表面104安置的示例性第二电极604。接收器100中的相应接收器的背表面104接触示例性背衬606、耦合到示例性背衬606和/或安装在示例性背衬606上。背衬606用作吸声器以减弱与接收器100相关联的共振和混响。每个接收器100及其对应的背衬606被安置在接收器组件500的示例性框架608中、耦合到示例性框架608和/或安装在示例性框架608上。在一些示例中，图6的框架608可由纤维增强塑料形成。接收器组件500的框架608被安置、定位和/或嵌入在接收器组件500的壳体502内，使得壳体502容纳、包围和/或包封接收器组件500的接收器100、背衬606和框架608。
在图6的所示示例中，接收器组件500的壳体502包括示例性前侧部分610，该示例性前侧部分具有示例性外表面612、与外表面612相对定位的示例性内表面614以及在外表面612和内表面614之间的示例性厚度616。框架608和/或接收器100被安置、定位和/或嵌入在壳体502内，使得接收器100中的相应接收器的前表面102接触、邻接和/或邻近壳体502的前侧部分610的内表面614。将接收器100中的相应接收器的前表面102放置成与壳体502的前侧部分610的内表面614接触会在接收器100和前侧部分610之间提供高质量的声耦合。在一些示例中，壳体502的前侧部分610的厚度616大致等于可在接收器组件500处接收的折射地层波的波长的四分之一。以这种方式构造和/或配置前侧部分610的厚度616增加了(例如，最大化)从井产流体到接收器组件500的接收器100的声波透射率。在一些示例中，结合测量与地层相关联的地层速度，可将前侧部分610的外表面612安置和/或取向为面向地层的钻孔壁。
在图6的所示示例中，壳体502的前侧部分610的外表面612是基本上平面的并且基本上平行于接收器组件500的接收器100中的相应接收器的前表面102。在其他示例中，壳体502的前侧部分610的外表面612可具有与图6所示的平面形状和平行取向不同的形状和/或取向。在一些示例中，图6的壳体502的前侧部分610可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
如图6所示，接收器组件500的壳体502还包括示例性连接器618。在图6的所示示例中，耦合到接收器100中的第一接收器的第一电极602的示例性第一导线620从第一电极602延伸穿过连接器618，并且从接收器组件500向外延伸。耦合到接收器100中的第一接收器的第二电极604的示例性第一导线622从第二电极604延伸穿过连接器618，并且从接收器组件500向外延伸。第一导线620和第二导线622可将图6的接收器100中的第一接收器操作地耦合到控制器(例如，处理器)。图6的接收器组件500的接收器100中的其他接收器可类似地连线(例如，使用附加导线)和/或经由连接器618操作地耦合到控制器。在一些示例中，图6的连接器618提供了液密密封，该液密密封防止流体(例如，井产流体、钻井泥浆等)接触接收器组件500的接收器100。当接收器组件500被放置到使用环境(例如，随钻测井环境、钢丝绳环境等)中和/或在使用环境中实施时，图5和图6的接收器组件500可能会遭遇这种流体。
图7是示出了图5和图6的示例性接收器组件500相对于示例性地层702的示例性钻孔壁700安置的透视图。在一些示例中，接收器组件500与图7的地层702的钻孔壁700之间的间距和/或空隙可被井产流体(例如，钻井泥浆)占据(例如，部分地或基本上填充)。图7的地层702的钻孔壁700具有示例性钻孔轴线704。在图7中大致为棱柱形的示例性地层702是地层的形成弯曲钻孔的一部分，其中由示例性发射器706用能量激发地层波并且由接收器100接收地层波。在一些示例中，从接收器100的前表面102到井孔表面700的距离与以上结合图2所讨论的示例性距离204大致相同，使得接收器100中的相应接收器可沿着接收器100的长度106接收从钻孔圆周的接近于第一波束宽度202的相对较小部分折射的地层波。在图7的所示示例中，接收器组件500相对于地层702的钻孔壁700安置成使得接收器组件500的阵列线402基本上平行于钻孔壁700的钻孔轴线704。当接收器组件500以这种方式相对于钻孔壁700安置时，可高精度地计算和/或确定与地层702相关联的波传播速度。
在一些示例中，接收器组件500可被安装在井下工具上和/或耦合到井下工具。在一些示例中，接收器组件500和/或井下工具可与地层702的钻孔壁700间隔开，如图7中大体所示。在一些示例中，井下工具可以是随钻测井工具和/或设备。在其他示例中，井下工具可以是钢丝绳工具和/或设备。
如图7进一步所示，示例性发射器706可相对于接收器组件500和/或相对于地层702的钻孔壁700安置。尽管图7的发射器706被示出为与接收器组件500分离，但在其他示例中，发射器706可耦合到接收器组件500和/或与接收器组件500集成在一起。图7的发射器706包括透射表面708和中心轴线710。在图7的所示示例中，发射器706具有圆柱形状。在其他示例中，发射器706可具有不同的形状，包括规则几何形状(例如，立方形、棱柱形、圆锥形、球形、金字塔形等)或不规则几何形状。
图7的发射器706发射具有一个或多个超声频率的声信号(例如，超声声信号)。在一些此类示例中，声信号的超声频率可在大约五十千赫兹(50kHz)和一兆赫兹(1MHz)之间。在沿着发射器706的中心轴线710远离发射器706的透射表面708并且朝向地层702的钻孔壁700的方向上发射声信号。由发射器706发射的声信号激发地层702中的地层波。地层波在朝向接收器组件500的方向上邻近钻孔壁700传播通过地层702。随着地层波传播通过地层702，一些地层波从地层702朝向接收器组件500的接收器100折射。
在图7的所示示例中，发射器706的中心轴线710、接收器组件500的阵列线402和地层702的钻孔轴线704是基本上共面的。发射器706的中心轴线710以角度(θ)712安置，使得中心轴线710朝向接收器组件500倾斜。在一些示例中，发射器706的中心轴线710倾斜的角度(θ)712可对应于优选和/或临界角(θ)，该优选和/或临界角可表示和/或定义如下：
公式1：
在公式1中，V为地层(例如，图7的地层702)的预期波传播速度，V泥浆为井产流体(例如，定位在接收器组件500与图7的地层702的钻孔壁700之间的井产流体)的预期波传播速度，并且θ为优选和/或临界角。
在一些示例中，所测量和/或计算出的与地层相关联的波传播速度可表示和/或定义如下：
公式2：
在公式2中，ΔZ为接收器组件500内的相邻接收器和/或邻近接收器100之间的间距和/或距离(例如，图4的距离404)，NR1为分配给接收器组件500内的接收器100中的第一接收器的数字标识符(例如，N＝1、2、3、4)，NR2为分配给接收器组件500内的接收器100中的第二接收器的数字标识符(例如，N＝1、2、3、4)，TR1为在接收器100中的第一接收器处接收到地层波的时间，TR2为在接收器100中的第二接收器处接收到地层波的时间，并且V测量为所测量和/或计算出的地层的波传播速度。
在图7的所示示例中，随着角度(θ)712的值的增加，传播通过地层702的声波将从地层702朝向接收器组件500的接收器100折射的角度也将增加。例如，图8是图7的示例性发射器706通过将角度(θ)712调整为基本上接近于使用公式1计算出的快地层的临界角来用能量激发示例性快地层波802(例如，P波)的示意图。图9是图7的示例性发射器706通过将角度(θ)712调整为基本上接近于使用公式1计算出的慢地层的临界角来用能量激发示例性慢地层波902(例如，S波)的示意图。在图8的所示示例中，快地层波802以大致等于发射器706的示例性第一角度(θ1)804的角度从地层折射。在图9的所示示例中，慢地层波902以大致等于发射器706的示例性第二角度(θ2)904的角度从地层折射。第二角度(θ2)904大于第一角度(θ1)804。慢地层波902从地层折射的角度相应地大于快地层波802从地层折射的角度。在一些示例中，从接收器100的前表面102到钻孔表面700的距离与以上结合图3所讨论的示例性距离204大致相同，使得从钻孔壁700的一部分折射到前表面102中的快波和慢波可沿着接收器100的宽度108大致定位在第二束宽度302内。因此，接收器100的前表面102基本上平行于钻孔壁700。
如图8所示的发射器706相对于接收器100的布置可适合于与P波(例如，快波)地层测量结合使用，并且如图9所示的发射器706相对于接收器100的布置可适合于与S波(例如，慢波)地层测量结合使用。如图8所示的与发射器706的取向相关联的第一角度(θ1)804可表示和/或定义如下：
公式3：
在公式3中，Vp为地层的预期P波传播速度，V泥浆为井产流体的预期波传播速度，并且θ1为第一角度804。如图9所示的与发射器706的取向相关联的第二角度(θ2)904可表示和/或定义如下：
公式4：
在公式4中，Vs为地层的预期S波传播速度，V泥浆为井产流体的预期波传播速度，并且θ2为第二角度904。
图10是可根据本公开的教导内容实施的第一示例性超声换能器1000的剖视图。图10的超声换能器1000包括示例性声换能器1002、示例性背衬1004、示例性窗口1006以及限定壳体的示例性橡胶模制件1008。在一些示例中，声换能器1002为压电构件(在本文中有时称为压电元件)。在一些示例中，图10的声换能器1002可经由图1至图9的示例性接收器100来实施。在此类示例中，声换能器1002可如以上结合图1至图9的示例性接收器100所描述的那样操作和/或起作用。示例性声换能器1002(例如，压电元件)可接收或发射声波。声波或信号可具有在人类听觉范围之上或之下延伸的频率。尽管出于说明目的，将结合压电元件来讨论声换能器1002，但本文公开的示例的声换能器1002可包括用于接收和发射声信号的其他材料和/或装置。
在图10的所示示例中，压电元件1002具有示例性前表面1010和与前表面1010相对定位的示例性背表面1012。图10的背衬1004接触压电元件1002的背表面1012、耦合到背表面1012和/或安装在背表面1012上。压电元件1002和背衬1004安置在图10的橡胶模制件1008中和/或耦合到橡胶模制件1008。在一些示例中，图10的橡胶模制件1008围绕压电元件1002和背衬1004的一部分形成，以部分地容纳、包围和/或包封压电元件1002和背衬1004。在一些示例中，图10的橡胶模制件1008由或/>形成。
在图10的所示示例中，窗口1006具有示例性外表面1014、与外表面1014相对定位的示例性内表面1016以及在外部表面1014和内表面1016之间的示例性厚度1018。在一些示例中，在大约五十千赫兹(50kHz)和一兆赫兹(1MHz)之间的发射信号频率下，窗口1006的厚度1018大约等于或小于窗口1006材料中的波长的四分之一。图10的窗口1006形成在图10的橡胶模制件1008和压电元件1002上和/或耦合到橡胶模制件1008和压电元件1002，使得窗口1006的内表面1016接触、邻接和/或邻近压电元件1002的前表面1010。在一些示例中，结合测量与地层相关联的地层速度，可将窗口1006的外表面1014安置和/或取向为面向地层的钻孔壁。在图10的所示示例中，窗口1006的外表面1014是基本上平面的并且基本上平行于超声换能器1000的压电元件1002的前表面1010。在其他示例中，窗口1006的外表面1014可具有不同于图10中所示的平面形状和平行取向的形状和/或取向。在一些示例中，图10的窗口1006可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
在一些示例中，压电元件1002的第一电极可邻近压电元件1002的前表面1010定位，并且压电元件1002的第二电极可邻近压电元件1002的背表面1012定位。在图10的所示示例中，耦合到压电元件1002的第一电极的示例性第一导线1020从第一电极延伸穿过橡胶模制件1008，并且从超声换能器1000向外延伸。耦合到压电元件1002的第二电极的示例性第二导线1022从第二电极延伸穿过橡胶模制件1008，并且从超声换能器1000向外延伸。第一导线1020和第二导线1022可将压电元件1002和/或更一般来讲图10的超声换能器1000操作地耦合到控制器(例如，处理器)。
在一些示例中，图10的窗口1006和橡胶模制件1008共同提供了液密密封，该液密密封防止流体(例如，井产流体、钻井泥浆等)接触超声换能器1000的压电元件1002。当超声换能器1000被放置到使用环境(例如，随钻测井环境、钢丝绳环境等)中和/或在使用环境中实施时，窗口1006、橡胶模制件1008和/或更一般来讲图10的超声换能器1000可能会遭遇这种流体。
图11是包括图10的第一示例性超声换能器1000的示例性随钻测井工具1102的剖视图。在图11的所示示例中，超声换能器1000的窗口1006的外表面1014被安置和/或取向为面向示例地层1106的示例性钻孔壁1104。定位在地层1106的钻孔壁1104和超声换能器1000的外表面1014(和/或随钻测井工具1102的外表面)之间的间距和/或空隙可被示例性井产流体1108(例如，钻井泥浆)占据(例如，部分地或基本上填充)。在图11的所示示例中，示例性O型环1110被安置和/或定位在随钻测井工具1102的壳体与超声换能器1000之间。O型环1110防止井产流体(例如，图11的井产流体1108)到达超声换能器1000的一定区域，窗口1006在该区域处接触、邻接和/或耦合到超声换能器1000的橡胶模制件1008。在图11的所示示例中，在形成超声换能器1000的壳体的橡胶模制件1008、O型环1110和随钻测井工具1102的壳体之间形成示例性间隙或空间1112。在一些示例中，间隙或空间1112可填充有空气(例如，压力密封的)或油，以用于补偿到大致等于外部压力。
图12是图10的第一示例性超声换能器1000在第一示例性变形状态1200下的剖视图。在图12的所示示例中，超声换能器1000的第一变形状态1200与超声换能器1000的背衬1004的膨胀和/或扩大相关联。橡胶模制件1008补偿和/或实现背衬1004的膨胀和/或扩大。
图13是图10的第一示例性超声换能器1000在第二示例性变形状态1300下的剖视图。在图13的所示示例中，超声换能器1000的第二变形状态1300与超声换能器1000的背衬1004的压缩和/或收缩相关联。橡胶模制件1008补偿和/或实现背衬1004的压缩和/或收缩。
图14是可根据本公开的教导内容实施的第二示例性超声换能器1400的剖视图。图14的第二超声换能器1400包括以上描述的图10的第一超声环能器1000的压电元件1002、背衬1004和橡胶模制件1008。第二超声换能器1400还包括示例性窗口1402，该示例性窗口以与以上描述的图10的第一超声换能器1000的窗口1006基本上相同的方式起作用。不同于图10的第一超声换能器1000的窗口1006(该窗口具有平面外表面1014)，图14的第二超声换能器1400的窗口1402包括具有凹面形状的示例性外表面1404。图14的第二超声换能器1400的窗口1402的外表面1404相应地向内朝向第二超声换能器1400的压电元件1002的前表面1010弯曲。在一些示例中，图14的窗口1402可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
图15是可根据本公开的教导内容实施的第三示例性超声换能器1500的剖视图。图15的第三超声换能器1500包括以上描述的图10的第一超声环能器1000的压电元件1002、背衬1004和橡胶模制件1008。第三超声换能器1500还包括示例性窗口1502，该示例性窗口以与以上描述的图10的第一超声换能器1000的窗口1006基本上相同的方式起作用。不同于图10的第一超声换能器1000的窗口1006(该窗口具有平面外表面1014)，图15的第三超声换能器1500的窗口1402包括具有凸面形状的示例性外表面1504。图15的第三超声换能器1500的窗口1502的外表面1504相应地向外远离第三超声换能器1500的压电元件1002的前表面1010弯曲。在一些示例中，图15的窗口1502可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
图16是可根据本公开的教导内容实施的第四示例性超声换能器1600的剖视图。图16的第四超声换能器1600包括以上描述的图10的第一超声环能器1000的压电元件1002、背衬1004和橡胶模制件1008。第四超声换能器1600还包括示例性窗口1602，该示例性窗口以与以上描述的图10的第一超声换能器1000的窗口1006基本上相同的方式起作用。不同于图10的第一超声换能器1000的窗口1006(该窗口具有平面外表面1014)，图16的第四超声换能器1600的窗口1602包括具有随机起伏形状的示例性外表面1604。图16的第四超声换能器1600的窗口1602的外表面1604相应地具有相对于第四超声换能器1600的压电元件1002的前表面1010的向内和向外弯曲的部分。在一些示例中，图16的窗口1602可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
图17是可根据本公开的教导内容实施的第五示例性超声换能器1700的剖视图。图17的超声换能器1700包括声换能器(该声换能器在该示例中可包括压电元件1702)、示例性背衬1704、示例性窗口1706和示例性橡胶模制件1708。在一些示例中，图17的压电元件1702中的相应压电元件可经由图1至图9的示例性接收器100来实施。在此类示例中，压电元件1702可如以上结合图1至图9的示例性接收器100所描述的那样操作和/或起作用。在图17的所示示例中，超声换能器1700包括总共三个压电元件1702。在其他示例中，超声换能器1700可包括不同数量(例如，2个、4个、6个、8个等)的压电元件1702。
在图17的所示示例中，压电元件1702中的相应压电元件具有示例性前表面1710和与前表面1710相对定位的示例性背表面1712。图17的背衬1704中的相应背衬接触压电元件1702中的对应的相应压电元件的背衬表面1712、耦合到所述背衬表面1712和/或安装在背衬表面1712上。压电元件1702和背衬1704中的相应的压电元件和背衬被安置在图17的橡胶模制件1708中和/或耦合到橡胶模制件1708。在一些示例中，图17的橡胶模制件1708围绕压电元件1702和背衬1704的一部分形成，以部分地容纳、包围和/或包封压电元件1702和背衬1704。
在图17的所示示例中，窗口1706具有示例性外表面1714、与外表面1714相对定位的示例性内表面1716以及在外部表面1714和内表面1716之间的示例性厚度1718。在一些示例中，在大约五十千赫兹(50kHz)和一兆赫兹(1MHz)之间的发射信号频率下，窗口1706的厚度1718大约等于或小于窗口1706材料中的波长的四分之一。图17的窗口1706形成在图17的橡胶模制件1708和压电元件1702上和/或耦合到橡胶模制件1708和压电元件1702，使得窗口1706的内表面1716接触、邻接和/或邻近压电元件1702的前表面1710。在一些示例中，结合测量与地层相关联的地层速度，可将窗口1706的外表面1714安置和/或取向为面向地层的钻孔壁。在图17的所示示例中，窗口1706的外表面1714是基本上平面的并且基本上平行于超声换能器1700的压电元件1702的前表面1710。在其他示例中，窗口1706的外表面1714可具有不同于图17中所示的平面形状和平行取向的形状和/或取向。在一些示例中，图17的窗口1706可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
在一些示例中，压电元件1702中的第一压电元件的第一电极可邻近压电元件1702中的第一压电元件的前表面1710定位，并且压电元件1702中的第一压电元件的第二电极可邻近压电元件1702中的第一压电元件的背表面1712定位。在一些此类示例中，耦合到压电元件1702中的第一压电元件的第一电极的第一导线可从第一电极延伸穿过橡胶模制件1708，并且从超声换能器1700向外延伸。耦合到压电元件1702中的第一压电元件的第二电极的第二导线可从第二电极延伸穿过橡胶模制件1708，并且从超声换能器1700向外延伸。第一导线和第二导线可将压电元件1702中的第一压电元件和/或更一般来讲图17的超声换能器1700操作地耦合到控制器(例如，处理器)。图17的压电元件1702中的其他压电元件可类似地包括第一电极和第二电极中的相应电极以及第一导线和第二导线中的相应导线，以将压电元件1702中的其他压电元件中的每一个操作地耦合到控制器。
在一些示例中，图17的窗口1706和橡胶模制件1708共同提供了液密密封，该液密密封防止流体(例如，井产流体、钻井泥浆等)接触超声换能器1700的压电元件1702。当超声换能器1700被放置到使用环境(例如，随钻测井环境、钢丝绳环境等)中和/或在使用环境中实施时，窗口1706、橡胶模制件1708和/或更一般来讲图17的超声换能器1700可能会遭遇这种流体。
图18是可根据本公开的教导内容实施的第六示例性超声换能器1800的剖视图。图18的超声换能器1800包括声换能器(该声换能器在该示例中可包括压电元件1802)、示例性背衬1804、示例性窗口1806和示例性橡胶模制件1808。在一些示例中，图18的压电元件1802中的相应压电元件可经由图1至图9的示例性接收器100来实施。在此类示例中，压电元件1802可如以上结合图1至图9的示例性接收器100所描述的那样操作和/或起作用。在图18的所示示例中，超声换能器1800包括总共三个压电元件1802。在其他示例中，超声换能器1800可包括不同数量(例如，2个、4个、6个、8个等)的压电元件1802。
在图18的所示示例中，压电元件1802中的相应压电元件具有示例性前表面1810和与前表面1810相对定位的示例性背表面1812。图18的背衬1804中的相应背衬接触压电元件1802中的对应的相应压电元件的背衬表面1812、耦合到所述背衬表面1812和/或安装在所述背衬表面1812上。压电元件1802和背衬1804中的相应的压电元件和背衬被安置在图18的橡胶模制件1808中和/或耦合到橡胶模制件1808。在一些示例中，图18的橡胶模制件1808围绕压电元件1802和背衬1804的一部分形成，以部分地容纳、包围和/或包封压电元件1802和背衬1804。
在图18的所示示例中，窗口1806具有示例性外表面1814、与外表面1814相对定位的示例性内表面1816以及在外部表面1814和内表面1816之间的示例性厚度1818。在一些示例中，在大约五十在一些示例中，在大约五十千赫兹(50kHz)和1兆赫兹(1MHz)之间的发射信号频率下，窗口1806的厚度1818大约等于或小于窗口1006材料中的波长的四分之一。图18的窗口1806形成在图18的橡胶模制件1808和压电元件1802上和/或耦合到橡胶模制件1808和压电元件1802，使得窗口1806的内表面1816接触、邻接和/或邻近压电元件1802的前表面1810。在一些示例中，结合测量与地层相关联的地层速度，可将窗口1806的外表面1814安置和/或取向为面向地层的钻孔壁。在图18的所示示例中，窗口1806的外表面1814是基本上平面的并且基本上平行于超声换能器1800的压电元件1802的前表面1810。在其他示例中，窗口1806的外表面1814可具有不同于图18中所示的平面形状和平行取向的形状和/或取向。在一些示例中，图18的窗口1806可由聚醚醚酮(PEEK)形成。
在一些示例中，压电元件1802中的第一压电元件的第一电极可邻近压电元件1802中的第一压电元件的前表面1810定位，并且压电元件1802中的第一压电元件的第二电极可邻近压电元件1802中的第一压电元件的背表面1812定位。在一些此类示例中，耦合到压电元件1802中的第一压电元件的第一电极的第一导线可从第一电极延伸穿过橡胶模制件1808的一部分，并且延伸到嵌入和/或包封在超声换能器1800的橡胶模制件1808内的示例性电子模块1820。耦合到压电元件1802中的第一压电元件的第二电极的第二导线可从第二电极延伸穿过橡胶模制件1808的一部分，并且延伸到电子模块1820。第一导线和第二导线可将压电元件1802中的第一压电元件操作地耦合到电子模块1820。在一些示例中，电子模块1820可包括控制器(例如，处理器)。在一些示例中，该电子模块还可包括信号调节电路(例如，放大器)和/或电源(例如，电池)。图18的压电元件1802中的其他压电元件可类似地包括第一电极和第二电极中的相应电极以及第一导线和第二导线中的相应导线，以将压电元件1802中的其他压电元件中的每一个操作地耦合到电子模块1820。
在一些示例中，图18的窗口1806和橡胶模制件1808共同提供了液密密封，该液密密封防止流体(例如，井产流体、钻井泥浆等)接触超声换能器1800的压电元件1802和/或电子模块1820。当超声换能器1800被放置到使用环境(例如，随钻测井环境、钢丝绳环境等)中和/或在使用环境中实施时，窗口1806、橡胶模制件1808和/或更一般来讲图18的超声换能器1800可能会遭遇这种流体。
上述示例性超声换能器可被安装在钻井工具上。例如，任何上述超声换能器可被安装在如结合2017年11月2日公布的美国专利申请公开号2017/0314385A1的图9、图14和图15所描述和所示出的钻井工具上，该美国申请的全部内容以引用方式并入本文。
图19是可根据本公开的教导内容实施的示例性井底钻具组合(BHA)1900的侧视图。图19的BHA 1900可用于对连续油管钻井(CTD)进行地质导向。在图19的所示示例中，BHA1900以随钻测井(LWD)声/超声BHA的形式实施，该随钻测井(LWD)声/超声BHA使得能够对连续油管钻井(CTD)工具1902的地质导向。在该示例中，CTD工具1902的BHA 1900被示出为在浮标接头和示例性取向器1906之间，该浮标接头可容纳示例性重力和磁工具面测量(MWD)系统1904。取向器1906和MWD系统1904可配合用于从MWD系统1904所提供的取向测量中提供导向数据。CTD工具1902还可包括耦合在示例性弯接头1910和示例性钻头1912之间的示例性泥浆马达1908。示例性连续油管1914可用于将CTD工具1902在井下部署到钻孔中。在一些示例中，图19的BHA 1900包括以上描述的图1至图18的示例性超声环能器中的一个或多个。
图20是可根据本公开的教导内容实施的示例性连续油管钻井(CTD)设备2000的透视图。在图20的所示示例中，CTD设备2000为非旋转式CTD工具。在一些示例中，图20的CTD设备2000包括以上描述的图1至图18的示例性超声环能器中的一个或多个。
图21是可根据本公开的教导内容实施的示例性随钻测井(LWD)设备2100的透视图。在图21的所示示例中，LWD设备2100为旋转式LWD工具。在一些示例中，图21的LWD设备2100包括以上描述的图1至图18的示例性超声环能器中的一个或多个。
以上描述的超声换能器、组件和/或装置可用于实现自动化和/或交互式导向输入，以用于导向各种井柱，诸如具有图19的示例性CTD工具1902、图20的示例性CTD工具2000或图21的示例性LWD工具2100的井柱。取决于给定应用的参数，所公开的超声换能器可以具有不同数量的超声换能器的各种配置来布置。另外，所公开的超声换能器可包括发射器和/或接收器的各种布置。数据处理可在井下和/或在地面进行，以提供用于根据所获得的关于地层特性和/或钻井特性的知识对井柱进行导向的地质导向输入。导向输入可用于控制取向器(例如，图19的取向器1906)或其他类型的工具导向组件。
图22是用于制造图10至图18的示例性换能器1000、1400、1500、1600、1700、1800的示例性方法2200的流程图。示例性方法2200一开始将接收元件的第一表面耦合到背衬(框2202)。接收元件可包括压电元件，诸如图10的压电元件1002。在一些示例中，接收元件包括接收器，诸如图1的示例性接收器100。接收元件100、1002的背表面1012可耦合到图10的背衬1004，这提供了用于减弱与声接收元件相关联的共振和混响的装置。
图22的示例性方法2200包括将接收元件的至少一部分设置在壳体中(框2204)。例如，接收元件100、1002的至少一部分可设置在由橡胶模制件1008限定的壳体中，使得接收元件的至少一部分被壳体1008包封或嵌入在壳体1008内。
如果要将第二接收元件设置在壳体中(框2206)，则图22的示例性方法2200包括将壳体中的第二接收元件相对于第一接收元件间隔开(框2208)。例如，第一接收元件100、1002和第二接收元件100、1002之间的距离可基于接收元件100、1002的前表面102、1016上的相应参考点112。参考点112可对应于表面102、1002的几何中心。在一些示例中，参考点112对应于对声波的检测具有增加的灵敏度的前表面102、1016的区域的灵敏度中心。在一些示例中，第一接收元件100和第二接收元件1002相对于它们相应的参考点112对准，以使得延伸穿过参考点112的阵列线402能够用作用于对接收器进行取向的引导件，使得当示例性换能器设置在地层中时，阵列线402平行于钻孔表面。这种对准可提高基于由接收器所收集的数据而确定的地层波传播速度的精度。
图22的示例性方法2200继续将导线从接收元件经由壳体导引到电源(框2210)。例如，导线1020、1022可从接收元件100、1002(例如，接收元件的电极)导引穿过壳体以将接收元件100、1022操作地耦合到例如壳体外部的控制器、电子模块1820等。在一些示例中，图6的连接器618设置在壳体中以便于导引导线1020、1022并且将接收元件相对井产流体密封。在一些示例中，电子模块1820至少部分地设置在壳体中。
示例性方法2200包括确定壳体的一部分的厚度以使接收元件的第二表面与壳体接触(框2212)。例如，可基于窗口的材料、将由接收元件100、1002检测到的信号的期望波长等来选择诸如窗口1000、1402、1502、1602的壳体的一部分的厚度。
示例性方法2200包括使接收元件的第二表面的至少一部分与壳体的一部分接合。例如，接收元件100、1002的前表面102、1016的至少一部分与窗口1000、1402、1502、1602接触。
尽管参考22中示出的流程图描述了示例性方法2200，但可替代地使用许多其他组装超声换能器的方法。例如，可更改框的执行顺序，和/或可更改、删除或合并所描述的框中的一些。
根据前述内容，应当理解，本文已公开了示例性的设备、制品和方法，它们提供了改进的声波检测精度。在本文所公开的示例中，接收器设置在例如由橡胶制成的壳体中，该橡胶保护接收器免受井产流体的影响。在本文所公开的示例中，接收器的至少一部分与壳体接触，以在接收器与壳体之间提供改善的声耦合。在本文所公开的一些示例中，基于接收器预期检测到的波长的性质来选择与接收器接触的壳体的一部分的厚度以改善接收性。
在本文使用“包括”和“包含”(及其所有形式和时态)作为开放式术语。因此，每当权利要求将任何形式的“包括”和“包含”(例如，包括、包含、含有、涵盖、具有等)用作前言或用在任何种类的权利要求陈述内时，应当理解，在不超出对应权利要求或陈述的范围的情况下，可能存在其他要素、术语等。如本文中所使用的，当短语“至少”在例如权利要求的前言中用作过渡术语时，其为开放式的，与术语“包括”和“包含”是开放式的一样。术语“和/或”例如在以诸如A、B和/或C的形式使用时，指代A、B、C的任何组合或子集，诸如：(1)仅A；(2)仅B；(3)仅C；(4)A与B；(5)A与C；(6)B与C；以及(7)A与B和C。如本文在描述结构、部件、物品、物体和/或事物的上下文中所使用的，短语“A和B中的至少一个”旨在指代包括以下任一项的实施方式：(1)至少一个A；(2)至少一个B；以及(3)至少一个A和至少一个B。类似地，如本文在描述结构、部件、物品、物体和/或事物的上下文中所使用的，短语“A或B中的至少一个”旨在指代包括以下任一项的实施方式：(1)至少一个A；(2)至少一个B；以及(3)至少一个A和至少一个B。如本文在描述过程、指令、动作、活动和/或步骤的实施或执行的上下文中所使用的，短语“A和B中的至少一个”旨在指代包括以下任一项的实施方式：(1)至少一个A；(2)至少一个B；以及(3)至少一个A和至少一个B。类似地，如本文在描述过程、指令、动作、活动和/或步骤的实施或执行的上下文中所使用的，短语“A或B中的至少一个”旨在指代包括以下任一项的实施方式：(1)至少一个A；(2)至少一个B；以及(3)至少一个A和至少一个B。
一种示例性设备包括壳体和声换能器，所述声换能器具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面。所述声换能器至少部分地设置在所述壳体中。所述示例性声换能器包括由所述壳体支撑的窗口。所述声换能器的所述第一表面的至少一部分与所述窗口接触。所述壳体和所述窗口用于为所述声换能器形成流体密封。
在一些示例中，所述设备还包括设置在所述壳体中的背衬。压电构件的第二表面耦合到所述背衬。
在一些此类示例中，所述壳体包括橡胶材料以在所述背衬的膨胀和收缩期间选择性地变形。
在一些示例中，所述声换能器包括第一电极和第二电极，并且所述设备还包括耦合到所述第一电极的第一导线和耦合到所述第二电极的第二导线。所述第一导线和所述第二导线中的每一者用于延伸穿过所述壳体以将所述声换能器操作地耦合到控制器。
在一些示例中，所述窗口的与所述声换能器相对的表面远离所述声换能器的所述第一表面弯曲。
在一些示例中，所述窗口的与所述声换能器相对的表面朝向所述声换能器的所述第一表面弯曲。
在一些示例中，所述声换能器为第一声换能器，并且所述设备还包括设置在所述壳体中的第二声换能器。所述第二声换能器的至少一部分用于接触所述窗口。
在一些此类示例中，所述设备还包括设置在所述壳体中的连接器和耦合到所述第一声换能器的导线。所述导线用于经由所述连接器延伸到所述壳体的外部。所述连接器用于为所述第一声换能器和所述第二声换能器提供密封。
在一些此类示例中，所述第一声换能器与所述第二声换能器间隔开第一距离。在所述第一声换能器的所述第一表面的第一区域与所述第二声换能器的所述第一表面的第一区域之间限定所述第一距离。相应的第一表面的所述第一区域对应于相对于相应的第一表面的剩余部分灵敏度增加的区域。
在一些此类示例中，所述阵列包括第三声换能器。所述第三声换能器与所述第二声换能器间隔开第二距离。所述第一距离基本上等于所述第二距离。
在一些示例中，所述窗口包含聚醚醚酮(PEEK)。
在一些示例中，所述声换能器包括压电构件。
另一示例性设备包括：壳体；阵列，所述阵列包括第一接收器和与所述第一接收器间隔开的第二接收器；以及框架，所述框架被设置在所述壳体中。所述框架用于支撑所述第一接收器和所述第二接收器。所述第一接收器的第一表面和所述第二接收器的第一表面的至少一部分与所述壳体接触。
在一些示例中，所述壳体包含聚醚醚酮(PEEK)。
在一些示例中，所述框架包含纤维增强塑料。
在一些示例中，所述设备还包括背衬，所述背衬耦合到所述第一接收器的与所述第一表面相对的第二表面。
一种要设置在钻孔中的示例性随钻测井工具包括第一壳体和设置在所述第一壳体中的第二壳体。在所述第一壳体和所述第二壳体之间限定有间隙。所述示例性随钻测井工具包括设置在第二壳体中的用于检测超声声波的装置。所述用于检测的装置的至少一部分用于接合所述壳体的表面。所述示例性随钻测井工具包括用于将所述用于检测的装置相对设置在所述间隙中的流体密封的装置。
在一些示例中，所述随钻测井工具还包括发射器。所述发射器相对于所述用于检测的装置以一定角度设置。
在一些示例中，所述壳体包括窗口，所述用于检测的装置的所述至少一部分用于接合所述窗口。
在一些示例中，所述随钻测井工具还包括用于减弱的装置，所述用于减弱的装置耦合到所述用于检测的装置。
尽管本文已经公开了某些示例方法、设备和制品，但本专利的覆盖范围不限于此。相反，本专利涵盖完全落入本专利的权利要求范围内的所有方法、设备和制品。

Claims (12)

1.一种随钻测井工具，其包括：
外壳，所述外壳具有在其外表面中的凹槽；
在所述凹槽中的橡胶壳体，所述橡胶壳体接触所述凹槽的内表面；
布置在所述橡胶壳体顶部的窗口，所述窗口和所述橡胶壳体限定密封内空腔，所述窗口的内表面包括凹槽；
压电元件，所述压电元件布置在所述密封内空腔中并且至少部分地在所述窗口的内表面中的所述凹槽中，所述压电元件的外表面的至少一部分接触所述窗口；以及
背衬层，所述背衬层插入在所述橡胶壳体和所述压电元件的内表面之间。
2.根据权利要求1所述的工具，其中，所述橡胶壳体围绕所述背衬层和所述压电元件的一部分形成，使得所述窗口和所述橡胶壳体包围所述压电元件和所述背衬层。
3.根据权利要求1所述的工具，还包括在所述橡胶壳体的侧壁和所述外壳中的所述凹槽的侧壁之间的流体填充间隙。
4.根据权利要求3所述的工具，还包括围绕所述窗口布置并且设置成密封所述流体填充间隙的密封构件。
5.根据权利要求1所述的工具，其中，所述压电元件中的每一个的外表面和内表面包括电极。
6.根据权利要求1所述的工具，其中，所述压电元件配置成超声发射器。
7.根据权利要求6所述的工具，其中，所述窗口的在与所述压电元件相对的区域中的厚度小于在50kHz和1MHz之间的频率发射的超声能量的一个波长的四分之一。
8.一种随钻测井工具，其包括：
外壳；
超声接收器阵列，所述超声接收器阵列布置在所述外壳中的凹槽中；
所述超声接收器阵列包括多个压电元件，所述多个压电元件均至少部分地布置在框架中对应的多个间隔开的凹槽中，所述多个压电元件中的每一个的外表面相互平行并且平行于钻孔壁的钻孔轴线；
背衬层，所述背衬层插入在所述多个压电元件中的每一个和所述框架之间；以及
壳体，所述壳体包围所述框架和所述多个压电元件。
9.根据权利要求8所述的工具，其中，所述压电元件中的每一个的外表面和内表面包括电极。
10.根据权利要求9所述的工具，还包括与所述框架耦合的连接器，所述连接器配置成提供在电极中的每一个与在所述壳体外部的控制器之间的电连接。
11.根据权利要求8所述的工具，其中，所述壳体的在与所述多个压电元件中的每一个相对的区域中的厚度小于在50kHz和1MHz之间的频率接收的超声能量的一个波长的四分之一。
12.根据权利要求8所述的工具，其中，所述多个压电元件中的每一个的外表面接触所述壳体的内表面。
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