CN118292863A - 一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法，该装置中设置超声发射接收装置均包括声电转换压电层、透声匹配层、背衬吸声块和保护外壳；声电转换压电层由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；透声匹配层覆盖在声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；背衬吸声块设置在声电转换压电层的背面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。采用该装置能够克服现有超声换能器工作频带窄、振动模式不纯净以及液固界面声阻抗失配的问题，有效降低超声换能器的声阻抗，与钻井液介质很好地实现声阻抗匹配，有利于提高测井测量信噪比和成像精度。

Description

一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及石油工程声学测井及优化技术领域，尤其涉及一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法，提供一种超声发射器、接收器装置及制备方法。

背景技术

随着非常规油气藏勘探开发的持续深入，储层的非均质性和各向异性评价已成为非常规油气有效开发必须面对的挑战。由于非常规油气储层具备岩性复杂、薄互层多、非均质性和各向异性强的特性，常规油气测井技术难以满足非常规油气藏勘探开发的要求，发展非常规储层测井技术是必然趋势。地层岩性、非均质性和岩石脆裂性与地层声速密切相关，常规声速测井技术存在测量分辨率低、成像精度差、分层能力弱等缺点，发展高分辨率、高精度的近井壁探测的超声地层声速成像测井是非常规储层测井技术发展的新方向。超声地层声速成像测井技术以超声波为载体，采用脉冲透射法在井眼中采集沿井壁地层传播的地层滑行波，通过滑行波的波速和衰减等声学信息测量来评价井壁介质的非均质性。

超声地层声速成像测井的声系结构一般由超声发射器、超声接收器及承载它们且刻有凹槽的柱状金属骨架等部件构成。在超声成像测井中，目前常用的超声发射器和接收器通常采用具有厚度振动模式的薄圆片状压电换能器，中心频率为250kHz。薄圆片状压电换能器一般采用高温PZT压电陶瓷作为声电转换材料，具有较高的声电转换效率。但是，由于PZT压电陶瓷的机械品质因素较高会导致发射超声信号的频带较窄，很难适应各种复杂的非常规储层，导致薄圆片状压电换能器在超声成像测井的应用也存在明显的局限性；另一方面，由于PZT压电陶瓷的平面机电耦合系数较大、厚度机电耦合系数较小而难以激励纯净的厚度振动模式，导致接收超声信号质量较差；而且，PZT压电陶瓷的声阻抗(30Mayl)太大，与井下钻井液介质的声阻抗(1.5MRay1)严重失配，这也是造成超声成像测井的信噪比差、成像精度低的主要因素，无法满足超声地层声速成像测井技术的要求，因此，薄圆片状压电换能器无法适用于非常规储层中的超声地层声速成像测井。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种用于超声成像测井的超声发射接收装置，将压电复合材料、透射匹配层、保护外壳相结合，采用双层圆片状结构并联型极性连接，使得圆片状结构的径向振动模式被破坏、横向振动模式被抑制而高度振动模式变得更加纯净；解决超声成像测井换能器存在的工作频带窄、振动模式不纯净、液固界面声阻抗失配等一系列技术问题，具有发射效率高、接收灵敏度高、工作带宽更宽等优点，满足非常规储层中高分辨率、高精度超声地层声速成像测井的要求；一个优选的实施例中，所述装置包括采用压电复合材料的超声发射机构和超声接收机构；

所述超声发射机构包括：发射声电转换压电层、发射透声匹配层、发射背衬吸声块和对应的保护外壳；

所述超声接收机构包括：接收声电转换压电层、接收透声匹配层、接收背衬吸声块和对应的保护外壳；

发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；

发射透声匹配层和接收透声匹配层分别覆盖在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；

发射背衬吸声块和接收背衬吸声块分别设置在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的另一面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。

优选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片由不同压电材质的压电相和填充聚合物相构成；压电相采用PZT压电陶瓷柱，填充聚合物相采用环氧树脂填充物。

进一步地，一个实施例中，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中压电复合晶片的极化方向平行于压电相PZT压电陶瓷柱的高度方向。

一个实施例中，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片均按照极性连接方式并联连接；

发射声电转换压电层的压电复合晶片按相反极化方向连接设置；接收声电转换压电层的压电复合晶片按相同极化方向并联连接设置。

可选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由两个相同的压电复合晶片通过三个相同的金属薄片交替粘接构成。

进一步地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中的金属薄片均采用膨胀性能低至设定要求的合金材料，厚度满足设定条件。

具体地，一个可选的实施例中，所述超声发射机构和超声接收机构的正负电极引线均由其声电转换压电层中的金属薄片引出，正电极由粘结在声电转换压电层上、下外表面的金属薄片引出，负电极由声电转换压电层压电复合晶片中间的金属薄片引出。

优选地，一个实施例中，所述发射透声匹配层和接收透声匹配层采用环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物，两者的配比根据声阻抗性能需求设置。

一个可选的实施例中，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块采用钨粉和环氧树脂混合物并掺杂多孔颗粒的加压浇注固化结构，各物料的配比根据声阻抗和平均声衰减的性能需求设置。

作为本发明的进一步改进，一个实施例中，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块背离声电转换压电层的一侧采用锯齿状结构，提升吸收衰减声电转换压电层背面传播超声波能量的性能。

优选地，一个实施例中，所述保护外壳分别设置在超声接收机构和超声发射机构的最外侧，采用高分子PEEK材料，为半开口柱状结构，包裹着声电转换压电层、背衬吸声块和透声匹配层，对内部结构进行保护并作为第二匹配层，用于支持透声匹配层与井下钻井液介质的声学匹配过渡。

基于上述任意一个或多个实施例中所述装置的制备应用方面，本发明还提供一种用于超声成像测井的超声发射接收装置的制备方法，该方法包括下述操作：

基于PZT压电陶瓷切割形成带有周期性凹槽的长方体陶瓷柱作为陶瓷压电相，对陶瓷压电相表面浇注环氧树脂聚合物，并沿高度方向切割成尺寸相同的两块，进行打磨后镀上电极，形成压电复合晶片；

选用低膨胀合金材料加工制作金属薄片；

依据压电常数和阻抗特性进行压电复合晶片的筛选和配对，选取压电常数和阻抗特性相同或相近的两个及以上压电复合晶片；

按照超声发射机构和超声接收机构需求的极性连接方式，将压电复合晶片和金属薄片交替粘接，分别形成发射声电转换压电层和接收声电转换压电层，并焊接正电极引线和负电极引线；

按设定配比混合环氧树脂聚合物与金刚砂形成透射匹配层物料，然后将透射匹配层物料粘接在声电转换压电层的前辐射面上，作为透射匹配层；

按设定的配比混合钨粉和环氧树脂并掺杂多孔颗粒，加压浇注在声电转换压电层的背面形成背衬吸声块；

将声电转换压电层、透射匹配层和背衬吸声块装入保护外壳中后，在保护外壳中灌注高温绝缘胶并将正负电极引线连接到电缆线接头中，分别得到超声发射机构和超声接收机构。

与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：

本发明提供的一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法，该装置包括采用压电复合材料的超声发射机构和超声接收机构；超声发射接收装置均包括声电转换压电层、透声匹配层、背衬吸声块和保护外壳；其声电转换压电层由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；透声匹配层覆盖在声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；背衬吸声块设置在声电转换压电层的背面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。采用该装置将压电复合材料、透射匹配层、保护外壳相结合，可以有效地降低超声发射器和接收器的声阻抗，与井下钻井液介质可以很好地实现声阻抗匹配，具有发射效率高、接收灵敏度高、工作带宽更宽等优点，有利于增大地层中超声波发射能量和接收信号幅度，提高超声地层声速成像测井测量信噪比和成像精度，适用于在非常规储层中进行高分辨率、高精度超声地层声速成像测井；

进一步地，设置保护外壳覆盖最外侧，对声电转换压电层、透声匹配层、背衬吸声块进行保护，避免在井下工作环境中受到磨损或破坏，还可作为第二匹配层，易于实现透声匹配层与井下钻井液介质声学匹配过渡。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例所提供的用于超声成像测井的超声发射接收装置的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的用于超声成像测井的超声发射接收装置的制造方法的结构示意图；

图3是利用本发明实施例所提供的制造方法制造超声发射接收装置的不同阶段状态示意图。

附图中：发射声电转换压电层T1；发射透声匹配层T3；发射背衬吸声块T2；发射保护外壳T4；发射压电复合晶片T11；发射金属薄片T12；接收声电转换压电层R1；接收透声匹配层R3；接收背衬吸声块R2；接收保护外壳R4；接收压电复合晶片R11；接收金属薄片R12；PZT压电陶瓷1；的陶瓷压电相2；1-3型压电复合晶片单体3；加工金属薄片单体4；正电极引线61；负电极引线62。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

计算机设备包括用户设备与网络设备。其中，用户设备或客户端包括但不限于电脑、智能手机、PDA等；网络设备包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算的由大量计算机或网络服务器构成的云。计算机设备可单独运行来实现本发明，也可接入网络并通过与网络中的其他计算机设备的交互操作来实现本发明。计算机设备所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、VPN网络等。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”“和/或”“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

由于非常规油气储层具备岩性复杂、薄互层多、非均质性和各向异性强的特性，常规油气测井技术难以满足非常规油气藏勘探开发的要求，发展非常规储层测井技术是必然趋势。地层岩性、非均质性和岩石脆裂性与地层声速密切相关，常规声速测井技术存在测量分辨率低、成像精度差、分层能力弱等缺点，发展高分辨率、高精度的近井壁探测的超声地层声速成像测井是非常规储层测井技术发展的新方向。

超声地层声速成像测井技术以超声波为载体，采用脉冲透射法在井眼中采集沿井壁地层传播的地层滑行波，通过滑行波的波速和衰减等声学信息测量来评价井壁介质的非均质性。超声地层声速成像测井的声系结构一般由超声发射器、超声接收器及承载它们且刻有凹槽的柱状金属骨架等部件构成。在超声成像测井中，目前常用的超声发射器和接收器通常采用具有厚度振动模式的薄圆片状压电换能器，中心频率为250kHz。

薄圆片状压电换能器一般采用高温PZT压电陶瓷作为声电转换材料，具有较高的声电转换效率。但是，由于PZT压电陶瓷的机械品质因素较高会导致发射超声信号的频带较窄，很难适应各种复杂的非常规储层，导致薄圆片状压电换能器在超声成像测井的应用也存在明显的局限性；另一方面，由于PZT压电陶瓷的平面机电耦合系数较大、厚度机电耦合系数较小而难以激励纯净的厚度振动模式，导致接收超声信号质量较差；而且，PZT压电陶瓷的声阻抗(30Mayl)太大，与井下钻井液介质的声阻抗(1.5MRay1)严重失配，这也是造成超声成像测井的信噪比差、成像精度低的主要因素，无法满足超声地层声速成像测井技术的要求，因此，薄圆片状压电换能器无法适用于非常规储层中的超声地层声速成像测井。

本发明研究人员考虑到投入超声地层声速成像测井应用时，需要保持超声发射器的工作频率在100kHz～300kHz范围内，以及超声接收器能够实现宽频带阵列式组合接收井眼中各种模式波信号。为了达到上述要求，超声发射器和超声接收器的声电转换材料必须选用机械品质因素较低、厚度机电耦合系数较高而特性声阻抗较小的高温压电复合材料。基于此，相比于PZT压电陶瓷材料，压电复合材料具有更低的声阻抗率，能够应用于设计声学阻抗匹配层，且有利于实现与井下钻井液介质的匹配，从而可以增大地层中超声波发射能量和接收信号幅度，提高测量信噪比和成像精度，经过特别设计后能够满足非常规储层超声成像测井技术所需超声波换能器的要求。

因此，本发明提供一种用于超声成像测井的超声发射接收装置及其制造方法，所述装置包括基于压电复合材料的超声发射器、接收器；超声发射器和接收器的声电转换材料均为1-3型压电复合晶片，并采用双层圆片状结构并联型极性连接，使得圆片状结构的径向振动模式被破坏、横向振动模式被抑制而高度振动模式变得更加纯净，声电转换效率更高，抗干扰能力更强，可以更好地拓展工作带宽。能够有效解决传统超声成像测井换能器存在的工作频带窄、振动模式不纯净、液固界面声阻抗失配等一系列技术问题，具有发射效率高、接收灵敏度高、工作带宽更宽等优点，能够很好地满足非常规储层中高分辨率、高精度超声地层声速成像测井的要求。

本发明将压电复合材料、透射匹配层、保护外壳相结合，可以有效地降低超声发射器和接收器的声阻抗，与井下钻井液介质可以很好地实现声阻抗匹配，有利于增大地层中超声波发射能量和接收信号幅度，提高超声地层声速成像测井测量信噪比和成像精度。

接下来基于附图详细描述本发明实施例装置的结构组件、连接方式和功能原理。虽然在描述装置结构运行原理的过程中示出了各操作的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的操作。

实施例一

图1示出了本发明实施例一提供的用于超声成像测井的超声发射接收装置的结构示意图，参照图1可知，该装置包括：采用压电复合材料的超声发射机构和超声接收机构，即超声发射器和超声接收器；

所述超声发射机构包括：发射声电转换压电层T1、发射透声匹配层T3、发射背衬吸声块T2和对应的发射保护外壳T4；

所述超声接收机构包括：接收声电转换压电层R1、接收透声匹配层R3、接收背衬吸声块R2和对应的接收保护外壳R4；

发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；

发射透声匹配层和接收透声匹配层分别覆盖在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；

发射背衬吸声块和接收背衬吸声块分别设置在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的另一面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。

其中，发射声电转换压电层由发射压电复合晶片T11和发射金属薄片T22交替粘接构成；接收声电转换压电层由接收压电复合晶片R11和接收金属薄片R12交替粘接构成。

本发明提供了一种用于超声成像测井的超声首发装置及其制造方法，适用于在非常规储层中进行高分辨率、高精度超声地层声速成像测井。本发明提供的超声发射器和接收器是基于1-3型压电复合晶片并采用并联型极性连接方式来实现的，使得它们的高度振动模式更加纯净、声电转换效率更高、抗干扰能力更强及工作带宽更宽。

本发明实施例中，超声发射器和超声接收器都是压电复合材料超声换能器，分别包括声电转换压电层、背衬吸声块、透声匹配层和保护外壳。

优选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片由不同压电材质的压电相和填充聚合物相构成；压电相采用PZT压电陶瓷柱，填充聚合物相采用环氧树脂填充物。

实际应用时，声电转换压电层采用1-3型压电复合晶片，包括作为压电相的PZT压电陶瓷柱和作为聚合物相的环氧树脂填充物。

进一步地，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中压电复合晶片的极化方向平行于压电相PZT压电陶瓷柱的高度方向。

优选地，一个实施例中发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片均按照极性连接方式并联连接；

发射声电转换压电层的压电复合晶片按相反极化方向连接设置；接收声电转换压电层的压电复合晶片按相同极化方向并联连接设置。

可选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由两个相同的压电复合晶片通过三个相同的金属薄片交替粘接构成。

实际应用时，可设置超声发射器、接收器的声电转换压电层均采用双层圆片状结构，基本结构是由两个相同的1-3型压电复合晶片通过三个相同的金属薄片交替粘接而成。1-3型压电复合晶片的极化方向平行于PZT压电陶瓷柱的高度方向。按照压电复合晶片极性连接方式，超声发射器、接收器均采用并联型连接方式。其中，超声发射器的声电转换压电层是由两个压电复合晶片按相反极化方向粘合在一起，超声接收器的声电转换压电层是由两个压电复合晶片按相同极化方向粘合在一起。

其中，一个优选的实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中的金属薄片均采用膨胀性能低至设定要求的合金材料，厚度满足设定条件，例如可设置厚度不超过0.5mm。

一个实施例中，设置超声发射机构和超声接收机构的正负电极引线均由其声电转换压电层中的金属薄片引出，正电极由粘结在声电转换压电层上、下外表面的金属薄片引出，负电极由声电转换压电层压电复合晶片中间的金属薄片引出。

本发明实施例使用的1-3型压电复合晶片采用对PZT压电陶瓷材料切割后填充环氧树脂的方式实现，径向振动模式被破坏，横向振动模式被抑制，高度振动模式更纯净，可以更好地拓展工作带宽。

因此，超声发射器和接收器不仅具有压电复合材料的低阻抗、低机械品质因素、较高机电耦合系数等优点，而且并联型极性连接方式还具有较大电容量、抗干扰能力强等优点。

进一步地，一个实施例中，所述发射透声匹配层和接收透声匹配层采用环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物，两者的配比根据声阻抗性能需求设置；透声匹配层覆盖在声电转换压电层的前面，由环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物制作而成，实现1-3型压电复合晶片与井下钻井液介质之间的声阻抗匹配，增强超声波的透射能量。

另一方面，一个实施例中，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块采用钨粉和环氧树脂混合物并掺杂多孔颗粒的加压浇注固化结构，各物料的配比根据声阻抗和平均声衰减的性能需求设置；背衬吸声块位于声电转换压电层的背面，由钨粉和环氧树脂混合物掺杂多孔颗粒加压浇注固化而成，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。

优选地，一个实施例中，设置所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块背离声电转换压电层的一侧采用锯齿状结构，提升吸收衰减声电转换压电层背面传播超声波能量的性能。

所述保护外壳分别设置在超声接收机构和超声发射机构的最外侧，采用高分子PEEK材料，为半开口柱状结构，包裹着声电转换压电层、背衬吸声块和透声匹配层，对内部结构进行保护并作为第二匹配层，用于支持透声匹配层与井下钻井液介质的声学匹配过渡。

下面结合实施案例进一步描述本发明。本发明的范围不受实施例的限制，本发明的范围在权利要求书中提出。

设置超声发射器具体包括：声电转换压电层T1、背衬吸声块T2、透声匹配层T3和保护外壳T4。声电转换压电层T1为双层圆片状结构，由两个1-3型压电复合晶片T11按相反极化方向并联粘合在一起而形成的。同时，在两个1-3型压电复合晶片T11的上、下外表面和中间粘合面均粘接有金属薄片T12，其中，上、下表面粘接的金属薄片T12作为声电转换压电层T1的正电极，中间粘合面粘接的金属薄片T12作为声电转换压电层T1的负电极。在声电转换压电层T1的正负电极上加载脉冲电压信号，通过负压电效应可使超声发射器产生高度振动模式发射超声波信号，实现电能与声能的相互转换。背衬吸声块T2位于声电转换压电层T1的背面，由钨粉和环氧树脂混合物掺杂多孔颗粒加压浇注固化而成，且背衬吸声块T2的末端加工成锯齿状，能够很好地吸收衰减声电转换压电层T1背面传播的超声波能量。透声匹配层T3覆盖在声电转换压电层T1的前面，由环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物制作而成，实现1-3型压电复合晶片T11与井下钻井液介质之间的声阻抗匹配，增强超声波的透射能量。保护外壳T4则覆盖在超声发射器的最外侧，由高分子PEEK材料加工制作而成的半开口柱状结构，包裹着声电转换压电层T1、背衬吸声块T2和透声匹配层T3，并对它们进行保护，避免在井下工作环境中受到磨损或破坏，而且高分子PEEK材料声阻抗低，还作为第二匹配层，易于实现透声匹配层与井下钻井液介质声学匹配过渡。

设置超声接收器具体包括：声电转换压电层R1、背衬吸声块R2、透声匹配层R3和保护外壳R4。声电转换压电层R1为双层圆片状结构，由两个1-3型压电复合晶片R11按相同极化方向并联粘合在一起而形成的。同时，在两个1-3型压电复合晶片R11的上、下外表面和中间粘合面均粘接有金属薄片R12，其中，上、下外表面粘接的金属薄片R12作为声电转换压电层R1的正电极，中间粘合面粘接的金属薄片R12作为声电转换压电层R1的负电极。超声波信号作用于声电转换压电层R1，通过正压电效应接收超声波信号，实现声能与电能的相互转换。背衬吸声块R2位于声电转换压电层R1的背面，由钨粉和环氧树脂混合物掺杂多孔颗粒加压浇注固化而成，且背衬吸声块R2的末端加工成锯齿状，能够很好地吸收衰减声电转换压电层R1背面传播的超声波能量。透声匹配层R3覆盖在声电转换压电层R1的前面，由环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物制作而成，实现1-3型压电复合晶片R11与井下钻井液介质之间的声阻抗匹配，增强超声波的透射能量。保护外壳R4覆盖在超声接收器的最外侧，由高分子PEEK材料加工制作而成的半开口柱状结构，包裹着声电转换压电层R1、背衬吸声块R2和透声匹配层R3，并对它们进行保护，避免在井下工作环境中受到磨损或破坏，而且高分子PEEK材料声阻抗低，还作为第二匹配层，易于实现透声匹配层与井下钻井液介质声学匹配过渡。

具体地，实际应用时，超声发射器的声电转换材料为1-3型压电复合晶片T11，包括作为压电相的PZT-4压电陶瓷柱和作为聚合物相的环氧树脂填充物，极化方向平行于PZT-4压电陶瓷柱的高度方向。

经优化设计，为了获得超声发射器的最佳发射性能，超声发射器的结构参数选取如下：压电相PZT-4压电陶瓷的体积占比选取为60％～65％，所切割的PZT-4压电陶瓷柱宽高比选取为0.2；背衬吸声块的厚度选取为15mm～20mm；透射匹配层的厚度按1/4声波波长设计，选取为3mm～4mm；保护外壳外形尺寸选取为Φ40mm×36mm、壁厚选取为3mm～4mm。

超声接收器的声电转换材料为1-3型压电复合晶片R11，包括作为压电相的PZT-5A压电陶瓷柱和作为聚合物相的环氧树脂填充物，极化方向平行于PZT-5A压电陶瓷柱的高度方向。经优化设计，为了获取超声接收器的最佳接收性能，超声接收器的结构参数选取如下：压电相PZT-5A压电陶瓷的体积占比选取为20％～25％，所切割的PZT-5A压电陶瓷柱宽高比选取为0.1；背衬吸声块的厚度选取为10mm～15mm；透射匹配层的厚度选取为2mm～2.5mm；保护外壳外形尺寸选取为Φ36mm×30mm、壁厚选取为3mm～4mm。

背衬吸声块由钨粉和环氧树脂混合物掺杂多孔颗粒加压浇注固化而成，且背衬吸声块的末端加工成锯齿状，能够很好地吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。透声匹配层覆盖在声电转换压电层的前面，由环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物制作而成，实现压电复合晶片与井下钻井液介质之间的声阻抗匹配，增强超声波的透射能量。实际应用时，可设置环氧树脂聚合物与金刚砂的配比控制在7:3，使得透射匹配层的声阻抗达到10MRayl；钨粉和环氧树脂的配比控制在4:1，以及掺杂的多孔颗粒控制在10％，使得背衬吸声块的声阻抗达到30MRayl和平均声衰减达到1.2dB/cm。

本发明提供的超声发射器和接收器均为压电复合材料超声换能器，选择不同的压电相材料和体积占比以及不同的极性连接方式来制备超声发射器和接收器，实现超声发射器的工作频率远低于超声接收器的谐振频率。本发明提供的超声发射器的工作频率可控制在160kHz～250kHz、发射效率可达到85％，超声接收器的谐振频率可控制在450kHz，且在频段100kHz～300kHz内的接收灵敏度可到达-195dB，接收响应起伏小于3dB，可实现宽频带接收声波信号。

本发明实施例提供的用于超声成像测井的超声发射接收装置中，各个模块或单元结构可以根据实际超声换能器的性能需求或设置需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。

实施例二

上述本发明公开的实施例中详细描述了装置，基于上述任意一个或多个实施例中所述装置的其他方面，本发明还提供一种用于超声成像测井的超声发射接收装置的制造方法，该方法应用于上述任意一个或多个实施例中所述的用于超声成像测井的超声发射接收装置。下面给出具体的实施例进行详细说明。

具体地，图2中示出了本发明实施例中提供的用于超声成像测井的超声发射接收装置的制造方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括：

基于长方体PZT压电陶瓷切割形成带有周期性凹槽的长方体陶瓷柱作为陶瓷压电相，对陶瓷压电相表面浇注环氧树脂聚合物，并沿高度方向切割成尺寸相同的两块，进行打磨后镀上电极，形成压电复合晶片；

选用低膨胀合金材料加工制作金属薄片；

依据压电常数和阻抗特性进行压电复合晶片的筛选和配对，选取压电常数和阻抗特性相同或相近的两个及以上压电复合晶片；

按照超声发射机构和超声接收机构需求的极性连接方式，将压电复合晶片和金属薄片交替粘接，分别形成发射声电转换压电层和接收声电转换压电层，并焊接正电极引线和负电极引线；

按设定配比混合环氧树脂聚合物与金刚砂形成透射匹配层物料，然后将透射匹配层物料粘接在声电转换压电层的前辐射面上，作为透射匹配层；

按设定的配比混合钨粉和环氧树脂并掺杂多孔颗粒，加压浇注在声电转换压电层的背面形成背衬吸声块；

将声电转换压电层、透射匹配层和背衬吸声块装入保护外壳中后，在保护外壳中灌注高温绝缘胶并将正负电极引线连接到电缆线接头中，分别得到超声发射机构和超声接收机构。

实际应用时，图3示出了利用本发明实施例的制造方法制造超声发射接收装置的不同阶段状态示意图，结合图3中的信息，本发明实施例可通过下述流程制造超声发射机构和超声接收机构：

S01：沿长宽方向切割长方体PZT压电陶瓷1，形成带有周期性凹槽的陶瓷压电相2，对陶瓷压电相2表面浇注环氧树脂聚合物并沿高度方向切割成尺寸相同的两块，再打磨后镀上电极，形成1-3型压电复合晶片单体3；选用低膨胀合金材料加工制作金属薄片单体4，厚度控制在0.5mm。

S02：进行1-3型压电复合晶片的筛选和配对，优选压电常数和阻抗特性相同或相近的两个及以上的1-3型压电复合晶片3。按照超声换能器的极性连接方式，采用两个1-3型压电复合晶片单体3和三个金属薄片单体1交替粘接在一起，分别形成用于超声发射器和接收器的声电转换压电层单体5，同时焊接正电极引线61和负电极引线62。

S03：按一定的配比混合环氧树脂聚合物与金刚砂来制备透射匹配层，然后将透射匹配层粘接在声电转换压电层的前辐射面上。同样，按一定的配比混合钨粉和环氧树脂并掺杂多孔颗粒，然后加压浇注在粘有透射匹配层的声电转换压电层的背面形成背衬吸声块。环氧树脂聚合物与金刚砂的配比控制在7:3，使得透射匹配层的声阻抗达到10MRayl；钨粉和环氧树脂的配比控制在4:1，以及掺杂的多孔颗粒控制在10％，使得背衬吸声块的声阻抗达到30MRayl和平均声衰减达到1.2dB/cm。

S04：将粘接浇注的声电转换压电层、透射匹配层和背衬吸声块整体装入保护外壳中，在保护外壳中灌注高温绝缘胶并将正负电极引线连接到电缆线接头中，最终可分别得到超声发射器和超声接收器。

本发明提供的超声发射器和接收器均为压电复合材料超声换能器，选择不同的压电相材料和体积占比以及不同的极性连接方式来制备超声发射器和接收器，实现超声发射器的工作频率远低于超声接收器的谐振频率。本发明提供的超声发射器的工作频率可控制在160kHz～250kHz、发射效率可达到85％，超声接收器的谐振频率可控制在450kHz，且在频段100kHz～300kHz内的接收灵敏度可到达-195dB，接收响应起伏小于3dB，可实现宽频带接收声波信号。

采用本发明实施例所提供制造方法制造的超声发射器、接收器，采用压电复合材料超声换能器，包括声电转换压电层、背衬吸声块、透声匹配层和保护外壳。所述声电转换压电层为双层圆片状结构，由两个1-3型压电复合晶片按相同或相反极化方向并联粘合形成。所述背衬吸声块浇注固化在声电转换压电层的背面，所述透声匹配层覆盖在声电转换压电层的前面，所述保护外壳包裹在换能器的最外侧。本发明通过压电复合材料、透射匹配层、保护外壳相结合，降低了超声发射器和接收器的声阻抗，易于与井下钻井液介质实现声阻抗匹配，具有发射效率高、接收灵敏度高、工作带宽更宽等优点，有利于增大地层中超声波发射能量和接收信号幅度，提高超声地层声速成像测井测量信噪比和成像精度。

其中，所述超声发射机构即超声发射器包括：发射声电转换压电层、发射透声匹配层、发射背衬吸声块和对应的保护外壳；

所述超声接收机构即超声接收器包括：接收声电转换压电层、接收透声匹配层、接收背衬吸声块和对应的保护外壳；

发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；

发射透声匹配层和接收透声匹配层分别覆盖在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；

发射背衬吸声块和接收背衬吸声块分别设置在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的另一面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量；

优选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片由不同压电材质的压电相和填充聚合物相构成；压电相采用PZT压电陶瓷柱，填充聚合物相采用环氧树脂填充物。

进一步地，一个实施例中，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中压电复合晶片的极化方向平行于压电相PZT压电陶瓷柱的高度方向。

一个实施例中，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片均按照极性连接方式并联连接；

发射声电转换压电层的压电复合晶片按相反极化方向连接设置；接收声电转换压电层的压电复合晶片按相同极化方向并联连接设置。

可选地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由两个相同的压电复合晶片通过三个相同的金属薄片交替粘接构成。

进一步地，一个实施例中，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中的金属薄片均采用膨胀性能低至设定要求的合金材料，厚度满足设定条件，例如不超过0.5mm。

具体地，一个可选的实施例中，所述超声发射机构和超声接收机构的正负电极引线均由其声电转换压电层中的金属薄片引出，正电极由粘结在声电转换压电层上外表面和下外表面的金属薄片引出，负电极由声电转换压电层压电复合晶片中间的金属薄片引出。

优选地，一个实施例中，所述发射透声匹配层和接收透声匹配层采用环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物，两者的配比根据声阻抗性能需求设置。

一个可选的实施例中，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块采用钨粉和环氧树脂混合物并掺杂多孔颗粒的加压浇注固化结构，各物料的配比根据声阻抗和平均声衰减的性能需求设置。

作为本发明的进一步改进，一个实施例中，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块背离声电转换压电层的一侧采用锯齿状结构，提升吸收衰减声电转换压电层背面传播超声波能量的性能。

优选地，一个实施例中，所述保护外壳分别设置在超声接收机构和超声发射机构的最外侧，采用高分子PEEK材料，为半开口柱状结构，包裹着声电转换压电层、背衬吸声块和透声匹配层，对内部结构进行保护并作为第二匹配层，用于支持透声匹配层与井下钻井液介质的声学匹配过渡。

对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，该方法还可以通过将上述实施例中的某一个或某几个进行结合来得到新的超声发射接收装置的制造方法，以实现对超声成像测井领域超声发射接收装置的优化设计。

需要说明的是，基于本发明上述任意一个或多个实施例中的方法，本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可控制实现如述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码，该代码被操作装置执行时能够实现如上所述的用于超声成像测井的超声发射接收装置的制造方法。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。

说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (12)

1.一种用于超声成像测井的超声发射接收装置，其特征在于，所述装置包括采用压电复合材料的超声发射机构和超声接收机构；

所述超声发射机构包括：发射声电转换压电层、发射透声匹配层、发射背衬吸声块和对应的保护外壳；

所述超声接收机构包括：接收声电转换压电层、接收透声匹配层、接收背衬吸声块和对应的保护外壳；

发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由压电复合晶片和金属薄片交替粘接构成；

发射透声匹配层和接收透声匹配层分别覆盖在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的前辐射面，实现声电转换压电层中压电复合晶片与钻井液介质之间的声阻抗匹配；

发射背衬吸声块和接收背衬吸声块分别设置在发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的另一面，用于吸收衰减声电转换压电层背面传播的超声波能量。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片由不同压电材质的压电相和填充聚合物相构成；压电相采用PZT压电陶瓷柱，填充聚合物相采用环氧树脂填充物。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中压电复合晶片的极化方向平行于压电相PZT压电陶瓷柱的高度方向。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，发射声电转换压电层和接收声电转换压电层的压电复合晶片均按照极性连接方式并联连接；

发射声电转换压电层的压电复合晶片按相反极化方向连接设置；接收声电转换压电层的压电复合晶片按相同极化方向并联连接设置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层均由两个相同的压电复合晶片通过三个相同的金属薄片交替粘接构成。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射声电转换压电层和接收声电转换压电层中的金属薄片均采用膨胀性能低至设定要求的合金材料，厚度满足设定条件。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，超声发射机构和超声接收机构的正负电极引线均由其声电转换压电层中的金属薄片引出，正电极由粘结在声电转换压电层上、下外表面的金属薄片引出，负电极由声电转换压电层压电复合晶片中间的金属薄片引出。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射透声匹配层和接收透声匹配层采用环氧树脂聚合物与金刚砂的混合物，两者的配比根据声阻抗性能需求设置。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块采用钨粉和环氧树脂混合物并掺杂多孔颗粒的加压浇注固化结构，各物料的配比根据声阻抗和平均声衰减的性能需求设置。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射背衬吸声块和接收背衬吸声块背离声电转换压电层的一侧采用锯齿状结构，提升吸收衰减声电转换压电层背面传播超声波能量的性能。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护外壳分别设置在超声接收机构和超声发射机构的最外侧，采用高分子PEEK材料，为半开口柱状结构，包裹着声电转换压电层、背衬吸声块和透声匹配层，对内部结构进行保护并作为第二匹配层，用于支持透声匹配层与井下钻井液介质的声学匹配过渡。

12.一种用于超声成像测井的超声发射接收装置的制备方法，其特征在于，所述方法用于制造如权利要求1～11中任一项所述的超声发射接收装置，该方法包括下述操作：

基于PZT压电陶瓷切割形成带有周期性凹槽的长方体陶瓷柱作为陶瓷压电相，对陶瓷压电相表面浇注环氧树脂聚合物，并沿高度方向切割成尺寸相同的两块，进行打磨后镀上电极，形成压电复合晶片；

选用低膨胀合金材料加工制作金属薄片；

依据压电常数和阻抗特性进行压电复合晶片的筛选和配对，选取压电常数和阻抗特性相同或相近的两个及以上压电复合晶片；

按照超声发射机构和超声接收机构需求的极性连接方式，将压电复合晶片和金属薄片交替粘接，分别形成发射声电转换压电层和接收声电转换压电层，并焊接正电极引线和负电极引线；

按设定配比混合环氧树脂聚合物与金刚砂形成透射匹配层物料，然后将透射匹配层物料粘接在声电转换压电层的前辐射面上，作为透射匹配层；

按设定的配比混合钨粉和环氧树脂并掺杂多孔颗粒，加压浇注在声电转换压电层的背面形成背衬吸声块；

将声电转换压电层、透射匹配层和背衬吸声块装入保护外壳中后，在保护外壳中灌注高温绝缘胶并将正负电极引线连接到电缆线接头中，分别得到超声发射机构和超声接收机构。