声波测井温度性能研讨

传统声波测井仪器所用的单极子换能器类似于点声源，它既无明显的周向指向性，也无法对向井外辐射的声场进行人工控制。这种辐射无指向性的发射换能器不能用于评价井旁地层沿井周方向的变化特性，即没有方位分辨能力。新一代声波测井技术采用了相控圆弧阵作为声波辐射器，利用圆弧阵的周向扫描辐射特性，可实现井下具有方位分辨能力的声波测井［１］。相控圆弧阵是由多个压电振子（简称阵元）沿圆周均匀排列而成，通过控制各个阵元的激励时间即可实现声波的定向辐射［２－３］。人们在相控圆弧阵应用到声波测井方面已展开了大量的基础研究［１－５］，包括理论方法和井下电子线路技术研究，但对可应用于井下的相控圆弧阵声波辐射器的高温性能的实验研究却很少涉及。尽管在声波换能器温度性能测试方面有关学者已开展了一系列的研究工作［６－８］，但他们仅考察了换能器的谐振频率随温度的变化关系，对换能器的一致性随温度的变化却少有报道。声波测井仪器工作于高温高压的特殊环境中，在井下采用相控圆弧阵作为声波辐射器，除压电振子的耐温指标外，压电振子的耐高温性能一致性也是一项重要的技术指标。声波换能器的高温性能对声波测井仪器有很大的影响，开发基于相控圆弧阵的声波测井仪器必须针对这种特殊的工作环境，对构成圆弧阵的压电振子进行严格地高温测试。本文介绍了测试压电振子的温度性能一致性的实验方法，并考察了构成圆弧阵的多个压电振子的阻抗特性随温度的变化。

１声波测井压电振子压电振子由金属基片和压电陶瓷片组成。压电陶瓷片粘接在金属基片的两侧，极化方向为厚度方向；金属基片延伸到压电陶瓷片以外，以便电连接于电子线路中和支撑在仪器支架上。压电振子层间用高温导电胶粘结在一起，层间的任何滑动均会使得压电振子的性能明显降低，要求层间的胶合层非常薄、坚固且稳定。在外加电压信号的激励下，某一时刻一侧的陶瓷片伸长，另一侧的陶瓷片收缩，从而引起压电振子产生振动并向外辐射声波［９－１１］。压电振子的振动模式比较丰富，在设计、制作压电振子时可根据声波测井不同的应用需求选择合适的振动模式，以满足现场所需要的工作频率要求。压电振子具有结构简单、尺寸小、质量轻、低频谐振、易于与水及空气匹配等特点，可用于井下具有周向辐射指向性的圆弧阵声波辐射器。相控阵对阵元的一致性要求较高，实际制作圆弧阵时，常需在实验室内对大量的压电振子进行筛选，优选出一致性较好的压电振子组成圆弧阵。优选的原则是构成圆弧阵的压电振子的谐振频率和静态电容均尽可能相近或相等。图１所示的是自制的２４个压电振子常温下自由状态硅油中的谐振频率和静态电容测量结果分布曲线。依据分布曲线的平坦程度可以判断压电振子的阻抗特性一致性的好坏。总体而言，这２４个压电振子的测量结果分布曲线波动起伏较大，压电振子的一致性较差；但是在局部范围内仍可以初步优选出阻抗特性一致性较好的１０个压电振子用于组成圆弧阵声波辐射器。表１列出了初选的１０个压电振子常温下自由状态硅油中的谐振频率和静态电容测量结果，阵元编号为Ａ０～Ａ９。从表１可见，这１０个压电振子自由状态下的谐振频率均在１２．８ｋＨｚ附近，静态电容均分布在３４．０～３５．５ｎＦ之间，阻抗特性一致性较好。图１常温下２４个压电振子在自由状态硅油中的测量结果分布曲线１２压电振子的温度性能一致性测试以圆弧阵为声波辐射器的新一代声波测井技术不仅要求压电振子具有耐高温性能，而且也要求高温下压电振子的性能一致性较好。因此，实际制作圆弧阵时有必要对压电振子的温度性能一致性进行测试。测试时，将初选的１０个压电振子钳定于支架上组成圆弧阵，并浸没在硅油中，采用温控的方法对压电振子的温度性能一致性展开实验研究。

２．１实验测量系统及步骤实验测量系统主要由计算机、压电阻抗分析仪、自制多通道信号激励源、电热杯、热电偶式温度计、数字示波器和待测压电振子等组成（见图２）。压电阻抗分析仪用于测量压电材料、压电器件和压电换能器的导纳特性并进行分析和计算有关参数；自制多通道信号激励源输出高压脉冲信号，以精确地控制脉冲信号的幅度、宽度和延时，实现对多个压电振子的最佳激励；电热杯用于给硅油加热，并通过调压器适当地调节输入电压，使硅油缓慢升温且能在一定的时间内保持恒定；热电偶式温度计用于实时监控升温过程中硅油的温度变化以便进行精确地控制。在整个温控的过程中不断测量压电振子的导纳特性，以及用示波器记录压电振子的脉冲响应。图２压电振子温度性能测试装置示意图实际现场测井作业时，声波测井仪器往往在井下高温环境中连续工作数小时，这就要求声波换能器在一定的时间内能正常工作［１２］。为了使试验条件更接近于测井作业的实际情况，实验主要分以下５个步骤：①常温下测量压电振子钳定状态硅油中的导纳特性，以考察边界条件对压电振子性能参数以及一致性的影响；②常温下加载高压脉冲信号对压电振子进行连续激励测试，并记录压电振子的脉冲响应，经激励测试后，重新测量压电振子的导纳特性以判断压电振子能否耐受１ｋＶ的高电压；③控制温度使硅油缓慢升温至１５０℃，并保持温度恒定以便使硅油中的温度趋于均匀，然后加载高压脉冲信号对压电振子进行连续激励测试，以及测量压电振子的导纳特性；④保持１５０℃恒定不变，９０ｍｉｎ后再重复测试；⑤从１５０℃自然冷却至常温，再重复步骤②。

２．２实验测量结果分析根据上述测量步骤，首先在常温下对压电振子进行了导纳特性测量和高压激励测试，室内温度为２７℃且恒定。表２列出了１０个压电振子钳定状态硅油中的特性参数测量结果。从表２可见，由于受夹持工艺等因素的影响，压电振子测量值的离散性增大，但在局部范围内仍可以再优选出阻抗特性一致性较好的压电振子，如阵元Ａ１～Ａ８。图３所示是压电振子Ａ１～Ａ８钳定状态硅油中的导纳－频率特性曲线。图４所示是激励测试时，压电振子Ａ１～Ａ８的脉冲响应。从图３和图４可见，８个压电振子的导纳值随工作频率的变化趋势基本一致，且脉冲响应的幅度和脉宽也基本相当，进一步表明了这８个压电振子的阻抗特性一致性较好。本文后面的分析主要针对这８个压电振子的测试结果进行讨论。由于压电振子在高压脉冲信号激励下会产生扩张和收缩，当脉冲幅值超过陶瓷片的极限电压时，陶瓷片容易破裂，压电振子的性能急剧下降。为确保激励测试后８个压电振子均能正常工作，在高温测试前对压电振子的导纳特性进行了重新测量。图５所示的是常温下激励测试前、后压电振子Ａ１的导纳圆图和导纳———频率特性曲线。从图５可见，激励测试后压电振子Ａ１的导纳特性相对于激励测试前基本没有发生变化，表明了经高压激励后，压电振子Ａ１的性能完好。其他７个压电振子的导纳特性激励测试前、后也基本一致。测试结果表明，８个压电振子被激励工作时均能耐受幅度为１ｋＶ的高压在确认常温下８个压电振子的性能均完好后，又进行了高温测试。表３列出了刚升温至１５０℃和１５０℃恒定９０ｍｉｎ后２种情况下，压电振子的特性参数测量结果。可以看出，这２种情况下测量的压电振子的谐振频率、静态电容和最大电导都基本是一致。测试结果表明，８个压电振子在１５０℃下都能够正常工作。比较表３与表２中的测试结果可见，相对于常温测试结果，１５０℃下测量的压电振子的谐振频率和静态电容均增大了，而最大电导减小了，并且８个压电振子测量值的离散性略有增大，压电振子的阻抗特性一致性相对下降。但总体上来说，１５０℃下８个压电振子的谐振频率最大值与最小值之差小于５００Ｈｚ，静态电容最大值与最小值之差小于３ｎＦ，因此可以认为１５０℃下压电振子的阻抗特性一致性相对较好，能够满足实际应用的要求。因测试压电振子占用了部分时间，实际上压电振子在１５０℃下持续了近１２０ｍｉｎ后才开始自然冷却降温。以压电振子Ａ１为例，考察了整个温控过程中压电振子的特性参数随温度的变化。图６（ａ）所示的是不同温度压电振子Ａ１的电导－频率特性曲线，图６（ｂ）所示是不同温度压电振子Ａ１的脉冲响应。从图６可见，随着温度的升高，压电振子的谐振频率增大，而最大电导减小；随着温度的升高，脉冲响应的幅度降低，脉冲响应上半部分的宽度略有增加，而下半部分的宽度略有减小。１５０℃下压电振子的阻抗特性变化引起激励电路不匹配，降低了压电振子的发射声功率，但相对变化量可控制在４％以内。自然冷却至常温后，压电振子的阻抗特性相对于高温测试前没有明显的变化，基本一致，具有可恢复性。其他７个压电振子的变化特性与压电振子Ａ１的类似，在此不再赘述。通过上述测试可以看出，压电振子的耐温指标能够达到１５０℃左右，高温下８个压电振子的阻抗特性一致性相对较好，降温后压电振子的阻抗特性具有可恢复性且没有出现陶瓷片脱落和破裂的现象。以上测试结果表明，８个压电振子用于组成圆弧阵可以满足声波测井实际应用的要求。

３结论

（１）对声波测井压电振子的温度性能一致性展开了实验研究，考察了构成圆弧阵的多个压电振子的性能参数和一致性随温度的变化特性。

（２）压电振子的特性参数和阻抗特性一致性均随着温度的升高而发生变化，１５０℃下阻抗特性的相对变化量可控制在４％以内；自然冷却至常温后，压电振子的阻抗特性相对高温测试前没有明显的变化，具有可恢复性。

（３）经测试的压电振子的耐温指标能够达到１５０℃左右，压电振子的阻抗特性一致性较好，可用于组成井下的圆弧阵声波辐射器。

（４）本文工作对于研发基于相控技术的新一代声波测井仪器具有重要的参考意义。