聲測(cè)井壓電接收換能器研究進(jìn)展

杜 霄，周 靜，楊雨舟，高 靜

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065）

聲波測(cè)井技術(shù)占據(jù)著越來(lái)越重要的地位，是石油與天然氣勘探的重要手段之一。從聲波測(cè)井資料中可以提取很多有用的地層信息，例如測(cè)量地層巖石中縱橫波以及井筒中波導(dǎo)的聲速和幅度，聲波在地層巖石中傳播的能量和幅度衰減規(guī)律等聲學(xué)性質(zhì)[1]，來(lái)推導(dǎo)得到滲透率、巖性、孔隙壓力、裂縫及走向、流體類型、礦物成分和套管-水泥膠結(jié)質(zhì)量等[2-7]。

隨著科技的進(jìn)步，石油的需求量越來(lái)越大，并且油氣藏開(kāi)發(fā)越來(lái)越困難，且石油具有不可再生性，故對(duì)測(cè)井資料處理和解釋的精度要求越高。對(duì)于測(cè)井儀器，接收換能器是其重要的組成部分，接收換能器性能的好壞對(duì)于地層信息的有效提取至關(guān)重要，如果接收換能器性能不好，可能會(huì)導(dǎo)致接收到的地層的信息存在較大的誤差進(jìn)而影響后續(xù)測(cè)井資料的處理。

由此可見(jiàn)，聲波測(cè)井在油氣勘探開(kāi)發(fā)中占據(jù)重要地位，接收換能器是聲波測(cè)井儀器的重要組成部分。本文對(duì)聲波測(cè)井接收換能器進(jìn)行全面的綜述，為后人設(shè)計(jì)接收換能器提供參考依據(jù)。

1 典型壓電接收換能器

壓電換能器的發(fā)展和應(yīng)用是以壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和壓電材料的發(fā)展為前提的[8]。19 世紀(jì)法國(guó)物理學(xué)家對(duì)石英晶體度施加一定的力后晶體發(fā)生形變，晶體的相對(duì)面會(huì)產(chǎn)生等量的正電荷和負(fù)電荷，施加的力的大小會(huì)影響晶體兩個(gè)相對(duì)面的電荷密度，這就是壓電效應(yīng)。壓電接收換能器就是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)來(lái)接收聲波，當(dāng)聲波傳至接收換能器的表面，會(huì)給壓電材料施加一定的力，壓電換能器發(fā)生形變，在壓電材料兩個(gè)相對(duì)面上產(chǎn)生相異電荷，完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。壓電陶瓷是壓電接收換能器常用的壓電材料[9]，其優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，可以達(dá)到80%左右；

（2）容易加工成各種形狀，如矩形、圓形、柱狀、球形、圓環(huán)等；

（3）造價(jià)低廉且性能穩(wěn)定，易于大規(guī)模推廣。

但是壓電陶瓷材料也有很多不足之處，其脆性較大、大面積元器件及超薄換能器不易加工等。

在設(shè)計(jì)聲測(cè)井接收換能器時(shí)，由于接收換能器在諧振頻率點(diǎn)處的靈敏度會(huì)發(fā)生跳變，所以要使得接收換能器有平穩(wěn)的靈敏度，接收換能器的工作頻段應(yīng)該遠(yuǎn)低于諧振頻率點(diǎn)。接收換能器存在多種振動(dòng)模式[10]，對(duì)于三疊片型矩形換能器來(lái)說(shuō)，存在彎曲振動(dòng)和伸縮振動(dòng)兩種振動(dòng)模式，彎曲振動(dòng)的諧振頻率點(diǎn)較低，而聲波測(cè)井儀器的工作頻段一般在20 kHz 以下[11-13]，彎曲振動(dòng)模式會(huì)在測(cè)井頻段存在諧振點(diǎn)，所以此時(shí)應(yīng)該改變換能器的結(jié)構(gòu)等影響因素使得接收換能器只能激發(fā)出伸縮振動(dòng)。在設(shè)計(jì)其他結(jié)構(gòu)的換能器時(shí)，測(cè)井頻段也要遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)[14]。

目前，國(guó)外可能由于技術(shù)保密原因，聲測(cè)井接收換能器的研究報(bào)道很少，而國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的聲測(cè)井壓電接收換能器結(jié)構(gòu)多樣、內(nèi)容豐富，目的都是使接收換能器具有最佳的接收性能。下面將詳細(xì)介紹不同結(jié)構(gòu)的壓電接收換能器。

1.1 矩形疊片接收換能器

矩形接收換能器是聲測(cè)井接收換能器中最為常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工且接收靈敏度平穩(wěn)，所以常應(yīng)用于接收換能器。矩形接收換能器的物理模型（見(jiàn)圖1），它由尺寸相同的2 個(gè)壓電陶瓷片和3個(gè)金屬基片交替排列組成，每一層之間通過(guò)導(dǎo)電的膠層連接。

圖1 矩形接收換能器物理模型

評(píng)價(jià)接收換能器的主要性能指標(biāo)就是靈敏度和帶寬。影響矩形接收換能器的靈敏度和帶寬的因素很多，如壓電片的厚度、金屬基片的厚度、矩形換能器的長(zhǎng)度和寬度、壓電片的電路連接方式[15]（兩個(gè)壓電片通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接）、矩形換能器的固定方式[16]（自由邊界、一端自由，一端鉗定、兩端鉗定）、壓電材料的變化（PZT-5A、PZT-5H、PbTiO3）都會(huì)影響靈敏度和帶寬發(fā)生改變。如何使得換能器在所需頻段內(nèi)具有較高且平穩(wěn)的靈敏度，需要綜合考慮以上影響因素，使得換能器的接收性能達(dá)到最佳效果。

2012 年李世平等[17]利用有限元軟件研究了工作頻段在0～40 kHz 的矩形換能器接收靈敏度的影響因素，換能器工作模態(tài)純凈，只存在長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng)，諧振頻率點(diǎn)在27.6 kHz，通過(guò)改變矩形換能器的壓電片厚度（2 mm、3 mm、4 mm、5 mm），換能器長(zhǎng)度（41 mm、46 mm、51 mm、56 mm）和寬度（21 mm、25 mm、29 mm，33 mm）來(lái)研究其對(duì)矩形換能器靈敏度的影響，并得出結(jié)論：接收靈敏度對(duì)壓電片厚度的改變最敏感，對(duì)換能器長(zhǎng)度的改變次之，對(duì)換能器寬度的改變最不敏感。2014 年吳金平等[18]利用有限元阮軟件，通過(guò)改變矩形板狀的結(jié)構(gòu)對(duì)接收器進(jìn)行優(yōu)化，陶瓷片長(zhǎng)度和厚度對(duì)接收性能有較大的影響，寬度沒(méi)有明顯影響；減少陶瓷片長(zhǎng)度，可拓寬工作頻帶，增加陶瓷片厚度，可提高接收靈敏度。優(yōu)化后：接收器的工作頻率為1～30 kHz，頻帶內(nèi)具有較高靈敏度，接收靈敏度平均值為-204.85 dB，靈敏度起伏量小于2.3 dB，在工作頻段內(nèi)靈敏度平穩(wěn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了加工制作的接收器，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本吻合。

2019 年孫志峰等[19]研究了工作頻段在0～35 kHz下3 種不同機(jī)械邊界條件下的振動(dòng)模態(tài)及接收靈敏度，矩形接收換能器有3 種方式固定在測(cè)井儀器上（見(jiàn)圖2），分別是自由邊界條件、一端自由，一端鉗定的邊界條件和兩端都鉗定的邊界條件，以及接收換能器金屬基片厚度及外殼封裝材質(zhì)對(duì)其接收靈敏度的影響。研究得出結(jié)論，兩端鉗定邊界條件的一階伸縮振動(dòng)的諧振頻率最高；增加中間金屬基片厚度可以提高換能器的接收靈敏度，應(yīng)盡量采用較薄的金屬基片，這樣能減小整個(gè)換能器的厚度，從而減小接收聲系開(kāi)槽深度，增加鉆鋌的機(jī)械強(qiáng)度；采用充滿硅油的長(zhǎng)方體金屬鋁外殼的靈敏度曲線起伏較小，較為理想。

圖2 矩形接收換能器的固定方式

通過(guò)以上學(xué)者的研究可以看出，矩形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制作，且接收換能器的工作頻段較寬，足以滿足聲波測(cè)井需求。另外，在設(shè)計(jì)接收換能器時(shí)，矩形接收換能器的結(jié)構(gòu)、電路連接方式、換能器固定方式、金屬基片厚度以及外殼封裝材料等都將影響矩形換能器接收性能，所以應(yīng)該綜合考慮設(shè)計(jì)，使換能器達(dá)到最佳的接收效果。

1.2 圓形疊片接收換能器

圓形壓電接收換能器也是較為常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)。接收壓電振子是由兩個(gè)壓電陶瓷中間粘結(jié)一個(gè)金屬基片構(gòu)成（見(jiàn)圖3）。壓電片的極化方向是厚度方向[20]。

圖3 圓形疊片接收換能器

2012 年李世平等[17]除了研究矩形接收換能器外，還研究了圓形接收換能器，并將圓形接收換能器與矩形接收換能器的靈敏度進(jìn)行對(duì)比，保持矩形和圓形的接收面積大致相同（矩形接收換能器的長(zhǎng)寬之積；圓形接收換能器圓面的面積），壓電片的厚度及材料，金屬基片厚度等保持一樣。得出結(jié)論，在接收面積相同的情況下，接收頻帶在0～40 kHz 時(shí)，矩形接收換能器的靈敏度整體高于圓形接收換能器。

2014 年李劍等[21]對(duì)工作頻段在1～35 kHz 圓形接收換能器的串、并聯(lián)情況下壓電陶瓷片厚度為0.2 mm，1.0 mm，2.0 mm，3.0 mm 接收靈敏度進(jìn)行了分析，換能器串、并聯(lián)的連接方式（見(jiàn)圖4）。

圖4 圓形接收換能器連接方式（側(cè)視圖）

換能器串聯(lián)連接時(shí)，接收平穩(wěn)；增加壓電陶瓷片厚度可以提高換能器的接收靈敏度，厚度增加到一定程度由于振動(dòng)模式的改變使接收響應(yīng)更不平坦。換能器并聯(lián)連接時(shí)，接收不平穩(wěn)，起伏過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，并給匹配電路的設(shè)計(jì)和信號(hào)處理過(guò)程造成困難。

2016 年劉歡[22]對(duì)圓形接收壓電振子進(jìn)行諧響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)圓形一階諧振頻率處的振動(dòng)模式為凹凸振動(dòng)。研究頻帶在2～60 kHz 換能器半徑、壓電片厚度對(duì)靈敏度的影響。得出結(jié)論：壓電片厚度的增加會(huì)導(dǎo)致諧振頻率后移，而隨著半徑的減小導(dǎo)致諧振頻率前移。

通過(guò)以上學(xué)者的研究可以看出，圓形接收換能器也是較為常用的一種結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)圓形接收換能器時(shí)，改變結(jié)構(gòu)、接線方式等也可以調(diào)整靈敏度，但是圓形接收換能器的靈敏度相對(duì)矩形換能器較低。

1.3 圓柱形壓電接收換能器

圓柱形壓電接收換能器沿著半徑方向有均勻的指向性和較高的靈敏度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)際的測(cè)井中，也常常用圓柱形壓電換能器作為接收換能器[23]。

市面上的圓柱形換能器種類繁多，但是結(jié)構(gòu)大致相似，可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖5）。其中圓柱形接收換能器的內(nèi)部（灰色部分）為環(huán)氧樹(shù)脂，換能器的中間部分（黃色部分）為壓電材料，換能器的外層，上下層（藍(lán)色部分）為金屬及基片部分。

圖5 圓柱形換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

2016 年劉歡[22]研究了預(yù)應(yīng)力對(duì)圓柱形接收器接收性能的影響，對(duì)圓管換能器施加預(yù)緊力后消除了軸向振動(dòng)模式，增強(qiáng)了徑向振動(dòng)模式，當(dāng)只增加軸向預(yù)應(yīng)力時(shí)，換能器在低頻段和高頻段均具有較高的靈敏度。

2019 年陳輝[24]研究了接收靈敏度在1～40 kHz 的圓柱形接收換能器。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，圓柱形換能器在1～12 kHz 接收靈敏度較為平穩(wěn)，適用于傳感器應(yīng)用。當(dāng)頻率范圍大于12 kHz 以后，圓柱形換能器的靈敏度變化劇烈，這樣容易導(dǎo)致信號(hào)失真，給后續(xù)信號(hào)的處理以及分析帶來(lái)極大的困難。

圓柱形接收換能器的研究較少，但是在聲測(cè)井壓電接收換能器領(lǐng)域有應(yīng)用，有待學(xué)者繼續(xù)探究考察。

2 結(jié)論

本文主要綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)聲測(cè)井接收換能器的研究，主要從接收換能器的研究背景、不同結(jié)構(gòu)的接收換能器的結(jié)構(gòu)、各種接收換能器的研究?jī)?nèi)容以及各種結(jié)構(gòu)的接收換能器性能進(jìn)行對(duì)比。總結(jié)得出以下結(jié)論：

（1）矩形接收換能器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，是聲測(cè)井領(lǐng)域常常采用的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)矩形結(jié)構(gòu)時(shí)，厚度對(duì)矩形靈敏度的影響最大，應(yīng)選擇較厚的壓電片，長(zhǎng)度對(duì)靈敏度影響次之，減少陶瓷片長(zhǎng)度，可拓寬頻帶，寬度對(duì)靈敏度幾乎沒(méi)有影響。換能器應(yīng)該以兩端鉗定的方式固定，此時(shí)換能器的諧振頻率最高，能保證換能器在測(cè)井頻段內(nèi)接收靈敏度平穩(wěn)。用充滿硅油的長(zhǎng)方體金屬鋁外殼封裝換能器較為理想。

（2）圓形結(jié)構(gòu)也是較為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，但是圓形結(jié)構(gòu)的靈敏度低于矩形結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)圓形結(jié)構(gòu)時(shí)，增加壓電片厚度和半徑，都會(huì)使諧振頻率后移，有利于換能器在測(cè)井頻段內(nèi)保持接收靈敏度平穩(wěn)。換能器串聯(lián)時(shí)，接收平穩(wěn)。

（3）其他結(jié)構(gòu)的換能器，例如圓柱形換能器，有待學(xué)者繼續(xù)研究。