CN104254667A

CN104254667A - 井下超声换能器及其制造方法

Info

Publication number: CN104254667A
Application number: CN201280070617.XA
Authority: CN
Inventors: J·泰克塞拉; G·康坦; G·科雷亚
Original assignee: Prad Research and Development Ltd
Current assignee: Services Petroliers Schlumberger SA; Prad Research and Development Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-12-31
Also published as: WO2013101694A3; EP2610432B1; EP2610432B8; WO2013101694A2; MX2014007818A; BR112014015854A8; BR112014015854A2; EP2610432A1

Abstract

提供了一种超声换能器(101)，用于井下测量工具(58)中。所述超声换能器包括与背衬(102)联接的压电元件(100)，其被顺从性材料外壳(112)包围。所述顺从性材料外壳可以是柔性的，以便承受可能存在于井眼环境中的极端温度、压力和机械冲击。还提供了一种制造所述超声传感器的方法。

Description

井下超声换能器及其制造方法

背景技术

在油气工业中，可以使用测井仪器探测地下地层，以确定多种地层特性。在这些仪器中，超声波工具已经被用于提供关于地下超声波特性的信息，这些信息可以被用于产生地层图像或得到相关的地层特性以及用于评价套管或完井的其他方面。

超声波是由在介质中传播的超声能量引起的周期性振动干扰波。超声波可以以它们的频率、幅度和传播速度进行表征。感兴趣的超声波特性可包括压缩波速度、剪切波速度、井眼模式和地层慢度。此外，超声图像可以被用于描绘井眼壁情况、固井剂评价及其他。这些超声波测量可以应用于地震相关、岩石物理学、岩石力学和其他领域。

超声波工具可以包括一个或多个用于向地下地层中发射超声能量的超声源(即发射器)，以及一个或多个用于接收超声能量的超声传感器或接收器，或同时起发射器作用与接收器作用的换能器。所述工具可以被周期性地激活，以向井眼中发射超声能量脉冲，所述脉冲穿过井眼进入地层、套管或固井剂。至少一些超声能量到达所述工具，在此被探测到。所探测到的超声能量的多种特性可以被随后与地层、套管、井眼完井或感兴趣的工具属性关联。

发明内容

提供这个发明内容部分，用于选择性地介绍一系列概念，该概念在下文详细的说明书中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用于帮助限制所要求保护的主题的范围。

在一个实施例中，公开了一种超声换能器组件。所述超声换能器组件可以包括压电元件，其将电流转换成超声波，并且探测超声波及将探测到的超声波转换成电流。所述超声换能器组件可以包括与压电元件联接的背衬，其衰减超声波。所述超声换能器组件可以包括封装所述背衬的顺从性外壳材料。所述顺从性外壳适于在温度和压力下变形。

在一个实施例中，公开了一种制造超声换能器的方法。所述方法可以包括组装超声换能器的换能器部件。所述组装的换能器部件可以包括机械支撑件、电触头和适于将所述电触头联接至处理器的电连接器。所述方法可以包括将所述组装的部件布置于外壳模具中。所述方法可以包括在外壳模具中绕着所述换能器部件布置顺从性外壳材料。所述顺从性外壳材料可以在温度和压力下变形。所述方法可以还包括将衰减超声波的背衬定位于顺从性外壳材料中。所述方法可以还包括将压电元件附连到背衬，且使至少一个电触头与背衬和电连接器联接，所述压电元件探测超声波及将探测到的超声波转换成电流。

附图说明

参考下面附图描述顺从性换能器外壳的方法和装置的实施例。相同的附图标记贯穿所有附图以指代相同的特征或部件。

图1-1是示意图，示出了示例性井场的视图，其中，可以使用根据本公开的一个实施例的换能器，其通过缆绳传送。

图1-2是在图1-1的井场中使用的根据本公开的一个实施例的测井工具的示意图。

图1-3是示意图，示出了另一个示例性井场的视图，其中，可以使用根据本公开的一个实施例的换能器，其在随钻操作中通过钻柱传送。

图1-4是示意图，示出了示例性的井场的视图，其中，可以使用根据本公开的一个实施例的换能器，其通过已完成的井中的油管或套管传送。

图2-1、2-2和2-3示出了根据本公开的一个实施例的超声换能器的不同视图。

图3示出了根据本公开的方法实施例制造的超声换能器的剖视图。

图4示出了根据本公开的方法实施例制造的超声换能器的剖视图。

图5示出了根据本公开的又一方法实施例制造的超声换能器的剖视图。

图6示出了根据图3的实施例的制造方法的流程图。

图7示出了根据图4的实施例的制造方法的流程图。

图8示出了根据图5的实施例的制造方法的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐明了许多细节，以便理解本公开。然而，本领域技术人员应该理解的是，本公开的实现可以不包括这些细节，并且可能基于所描述的实施例产生许多变化或改型。

本公开涉及超声换能器，其具有由柔性材料(例如，塑料或橡胶材料)制成的顺从性外壳，从而井眼作用(例如，压力、温度、冲击及其他井下条件)可以通过所述外壳的变形被补偿。本公开的所述顺从性外壳可被配置成压于压电元件上。在至少一个实施例中，换能器的额定值可达到约20kpsi(1379.3巴)和约175℃。还公开了制造所述超声换能器的方法。

如本文所称，“PEEK”是指低腐蚀、可变形塑性材料，其包括在高温(例如，在超过约200℃)下保持其机械性能的聚醚醚酮。

如本文所称，“VITON^TM”是指DUPONT^TM注册的含氟弹性体，其包括偏氟乙烯六氟异丙烯共聚体，且同样可变形且在高温(例如，在超过约200℃)下保持机械性能。如本文所称，“CHEMRAZ^TM”是指GREENE-TWEED^TM注册的全氟弹性体，它同样可变形且在高温(例如，在超过约200℃)下保持机械性能。

图1-1示意性地示出了井场50，其在钻井作业被执行后，在地下地层54上方具有地面设备52，套管柱56已被放入且被固定到位。测井工具58布置于井眼60中。测井工具包括至少一个传感器(例如，电阻率探头，机械探头，伽马射线中子探头，加速计，压力传感器，温度传感器，流量计等)，以测量至少一个井下参数。测井工具58可以包括多个相同或不同的传感器来测量参数。

测井工具通过缆绳62在井眼中上下移动，以收集有关多个参数的数据。缆绳62可以是建立测井工具58与地面设备52之间的通信的链路。关于地层54或井眼60的数据可以通过测井工具58被收集。地面设备52可以设有合适的数据收集和分析计算机或处理器53。如图1-2所示，处理器55还可以被定位于测井工具58中。

图1-2是放大视图，示意性地示出了定位于加装了套管的井眼60的一部分中的测井工具58。测井工具58包括超声换能器64。测井工具58还可以包括其他传感器66。

图1-3示意性地示出了与图1-1中的井场相似的井场，不同的是，其在随钻环境下。代替缆绳，例如图1-1中的缆绳62，测井工具58可以被布置于悬于井眼11内的钻柱12上。钻柱12可以具有底部钻具组合100，其包括位于底端的钻头105和位于其中的超声换能器64。图1-3中的井场***的地面***可以包括置于井眼11上方的平台和井塔组件10，所述平台和井塔组件10包括诸如转盘16、方钻杆17、挂钩18和转环19的部件，其中每一个都是本领域技术人员易于理解的。

在图1-3的井场***中，地面***还可包括存储于井场处的池27中的钻井流体或泥浆26。泵29可以将钻井流体26通过转环19中的端口传送至钻柱12的内部，使钻井流体如方向箭头8所示向下流经钻柱12。钻井流体26可以通过钻头105中的端口排出钻柱12，然后通过钻柱12外部与井眼11的壁间的环形区域向上循环，如方向箭头9所示。以此方式，钻井流体16润滑钻头105，在钻井流体16回到池27用于再循环的同时，将地层岩屑向上带至地面。

图1-3的井场***的底部钻具组合100可以包括具有超声换能器64的测井工具58和/或随钻测量(MWD)模块130、随钻测井模块130A、旋转导向***和马达150以及钻头105。同样应该理解的是，可以配置多于一个测井工具，其总体上以附图标记58A表示。测井工具58和MWD模块130可以被分别容纳于特定类型的钻铤中，如本领域所公知的那样。

图1-4示意性地示出了与图1-1的井场类似的在完井作业中的井场。如本文所述的超声换能器64的一个或多个单元可以被沿油管80和/或套管85配置，且与井流体90相接触。油管80与地面设备92联接，用于从油井中采油。所述地面设备还与电源和通讯装置95联接。根据本发明的超声换能器64可以被用于例如但不限于：完井作业(如固井剂评价)以及沿油管80、套管85和/或井流体90的声音通讯传输。这些应用易于被本领域技术人员理解。

现在参考图2-1，示出了根据本公开的一个实施例的超声换能器101的剖视图，其可用作图1-2中的超声换能器64。所述超声换能器101包括压电元件100、背衬102和顺从性外壳112。压电元件100可与背衬102联接，其中，膜104通过限制件105固定于与压电元件相邻的合适位置。压电元件100可以是陶瓷材料，形成例如碟形。压电元件100的组分、形状和频率性能可以随特定的应用而改变。可以用于压电元件100的不同压电材料可包括例如偏铌酸铅、锆钛酸铅(PZT)、活性物质列的陶瓷和压电复合材料(例如环氧树脂惰性基体中的PZT)。

背衬102可以用于例如减少压电元件100与背衬102间的介面的反射，和/或衰减压电元件100的振动。背衬102可以被形成为与压电元件100相匹配的形状，例如，当压电元件100是碟形时，其形成为圆柱状。依换能器的类型，背衬102可以由任何合适的材料(例如橡胶化合物、合成树脂或混合物)形成。背衬102可选择地由导电材料形成。背衬102可以由悬浮有金属颗粒(例如钨颗粒)的橡胶化合物形成。

压电元件100可以在一侧经受来自井眼流体和井眼环境的压缩波，背衬102在另一侧。背衬102由压力和温度效应引起的膨胀和收缩可以通过顺从性外壳112的变形被补偿，以减少施加至压电元件100上的弯曲。

膜104与压电元件100的前面相接触，并罩盖超声换能器的暴露于井眼环境下的端部。当以发射器模式工作时，膜104向周围的井眼环境中的液体发射波。当以接收器模式工作时，膜104将来自流体的波传送至压电元件100。在一些实施例中，膜104可以是由诸如PEEK、金属、橡胶、塑料或环氧树脂制成的膜。

膜104可以在外侧形成为凹入状，使得由超声换能器101产生的超声脉冲可以集中于探测的特定位置，并且由所述超声换能器探测到的超声脉冲可以被集中于压电元件100。当使用橡胶膜时，膜104可以被夹持于机械支撑件106和限制件105之间，以便压力密封。当使用金属膜时，膜104可以被焊接于机械支撑件106上。

机械支撑件106支撑顺从性外壳112。机械支撑件106能使换能器连接至测井工具58的主体上，并且能使限制件105被连接，以将膜104固定到位。机械支撑件106可由金属材料或如PEEK的材料形成。

电触头108联接至背衬102或其周围。在压电元件100是碟形而背衬102是圆柱形的实施例中，电触头108可以形成为环绕背衬102的环。电连接器110可以被模制为将电触头108刚性连接至处理器(例如，图1-1和1-2中的53、55)。在一些情况下，电连接可以在不使用钎焊焊接的情况下提供。

还可以有与压电元件100的任一侧联接的附加电触头。所述附加电触头可以是沉积于压电元件100上的金属片或金属膜。附加电触头114的背面接触通过与导电背衬102的接触而形成。正面连接通过与前支撑件相接触的金属接片116(其用作与其余工具TL的第二电连接部)来形成。

顺从性外壳112配置于超声换能器101的部件周围，从而封装和密封所述部件使其隔离于井下流体(例如钻井流体和井眼环境)，以便超声换能器101能够暴露于井下流体中。在一个实施例中，顺从性外壳112由PEEK形成，其在高温下注射成型，然后冷却。在另一个实施例中，顺从性外壳112由VITON^TM形成。在另一个实施例中，顺从性外壳由CHEMRAZ^TM形成。在顺从性外壳112由诸如VITON^TM或CHEMRAZ^TM的橡胶材料形成的实施例中，橡胶是硫化定型的。在一个实施例中，顺从性外壳112可以与处于合适位置的电触头108和机械支撑件106一起模制成型。在一些情况下，外壳材料中的一个或多个凹槽可在没有O形圈的情况下提供密封。顺从性外壳112可以在与压电元件100相反的一端具有收缩末端。

井眼环境中的压力和温度效应可通过顺从性外壳112的变形补偿。所述顺从性外壳112可以随压力和/或温度变形，以提供不需要衬背102和/或压电元件100周围的压力补偿流体的整体式换能器设计。此外，所述顺从性外壳112能够实现如此的设计：可以不需要其他的压力/温度补偿手段，例如活塞或波纹管。

图2-2示出了图2-1的超声换能器101的外部视图。顺从性外壳112被示为模制到上面讨论过的内部部件(即，压电元件100、背衬102、电触头108)且联接于机械支撑件106。膜104被概略地表示为换能器的非正面端，并且模制成型的连接器110被示出从顺从性外壳112伸出，在顺从性外壳中，模制成型的连接器110联接至电触头108。

图2-3示出了图2-1中示出的换能器的一部分的放大剖视图，其示出了机械支撑件106中的凹槽200的细节。机械支撑件106可选择地包括多个凹槽。当顺从性外壳112被模制到机械支撑件106上时(下面进一步详细说明)，凹槽200用于提供流体密封。也就是说，在使用中，(顺从性外壳112的)材料的不同的温度膨胀连同所述凹槽形状提供了压力密封，包括流体和气体的密封。凹槽200可以被成型为正方形、L形或梯形。凹槽200可以被制造到机械支撑件106中，以便能够密封超声换能器，以在此提供压力密封(具有或不具有O形圈)。在图2-1和2-3中，凹槽200是四个L形凹槽，但是本公开应该涵盖不同形状的任何数量的凹槽，其中，顺从性外壳112的材料可以随压力和/或温度膨胀。

图3示出了根据本公开的一个实施例的类似于图2-1中的超声换能器301及相关部件在根据本公开的一个实施例的方法制造的过程中的剖视图。如图3所示，预先已经制造的背衬302被放置于预先已经制造的机械支撑件306中。背衬302与机械支撑件306的组合被放置于模具315中。

顺从性外壳材料312(在此实施例中是PEEK)通过PEEK注射点317被注入模具315中。在此实施例中，顺从性外壳材料312进入机械支撑件306的凹槽200中，当所述超声换能器处于井眼环境中时在压力和/或温度变化时均形成密封。整个模具315连同其内的部件可以定型，例如在烤箱中固化，或者是在PEEK时冷却凝固(在一个实施例中，这可以花费大约30秒凝固)。

图4示出了根据本公开的一个实施例的类似于图2-1中的超声换能器401及相关部件在根据本公开的另一个实施例的方法制造的过程中的剖视图。图4图示的实施例可以被描述为模制顺从性外壳412，然后在模制的顺从性外壳412内的压力和温度下硫化橡胶基背衬402。如图4所示，模具415可以被用于支撑顺从性外壳412。

机械支撑件406可以被联接至电连接部到位的背衬402，且可以被放置入模具415中的顺从性外壳412中。当背衬402处于预先模制的顺从性外壳412内时，硫化器417可以用于硫化背衬402。与图3的实施例相同，当弹性体被配置于模具415中时(例如通过注射或浇铸)，机械支撑件406中的凹槽200可以被弹性体填充，以在此特殊位置不需要单独的O形圈的情况下形成密封。在形式上与硫化器417类似的加压器可以被用于压力处理之前硫化过的背衬，这在本文将进一步描述。

图5示出了类似于图2-1中的超声换能器501及相关部件在根据本公开的另一个实施例的方法制造的过程中的剖视图。在此方式中，超声换能器倒置。在图5示出的实施例中，背衬502可以预先准备好，并与机械支撑件和电连接部组装。组装好的部件可以被置于模具525中，弹性体外壳512材料由弹性体注射点517被注射。在一个实施例中，所述弹性体可以选为VITON^TM，其与PEEK相比可具有更高的透气性。与图3的实施例相同，机械支撑件中的凹槽200可以被弹性体填充以形成密封。

图6示出了根据本公开的又一实施例的用于制造超声换能器的方法600的流程图(例如参见图3)。在步骤602，所述方法可以包括组装准备好的背衬以及电连接部和机械支撑件。在步骤604，所述方法可以包括将所述组装好的部件置于外壳模具中。在步骤606，所述方法可以包括将所述顺从性外壳材料(例如弹性体)注入所述外壳模具中，从而填充机械支撑件中的凹槽。在步骤608，所述方法可以包括固化所述弹性体。在步骤610，所述方法可以包括连接所述压电元件至所述背衬，连接电触头至所述电连接部和所述背衬或压电元件，并且连接膜(及可选择的，限制件)至所述压电元件。

图7示出了根据本公开的另一实施例的用于制造超声换能器的方法700的流程图(例如参见图4)。在步骤702，所述方法可以包括在外壳模具中组装所述机械支撑件以及电连接部。在步骤704，所述方法可以包括将所述顺从性外壳材料注入所述外壳模具。在步骤706，所述方法可以包括背衬原材料放置于所述外壳模具中的顺从性外壳材料中。在步骤708，所述方法可以包括使用压力以硫化处于所述外壳模具内的所述顺从性外壳内的所述背衬原材料。在步骤710，所述方法可以包括连接所述压电元件至所述背衬，连接所述电触头至所述电连接部及所述背衬或压电元件，并且连接膜(及可选择的，限制件)至所述压电元件。

图8示出了根据本公开的一实施例的用于制造超声换能器的方法800的流程图(例如参见图5)。在步骤802，所述方法可以包括在外壳模具中组装换能器部件(或者如果在嵌入所述模具中之前已经组装好，则是组装好的部件)，例如所述机械支撑件和电连接器。在步骤804，所述方法可以包括将顺从性外壳材料注入所述外壳模具。在步骤806，所述方法可以包括定型(例如，固化或冷却)所述注入的顺从性外壳材料。例如，一些材料通过在一定温度下烧烤来定型，而另一些材料通过冷却来定型。在一实施例中，PEEK材料可以通过冷却约30秒来定型。

依靠所述模具，所述顺从性外壳可以在所述背衬的形状及尺寸方面具有空腔，以便所述背衬可以***。所述方法可以包括将预先准备好的背衬放入808所述模具中的所述顺从性外壳材料中。与未经硫化的背衬原材料相比，预先准备好的背衬是指已经被硫化的背衬材料。在步骤810，所述方法可选择性地包括：当所述背衬处于所述顺从性外壳材料中时，硫化所述背衬。在步骤812，所述方法可选择性地包括：在压力和温度下，对顺从性外壳材料内的背衬(预先硫化的)施压。在步骤814，所述方法可以包括连接所述压电元件至所述背衬，连接所述电触头至所述电连接部以及背衬或压电元件，并且连接膜(及可选的，限制件)至所述压电元件。

尽管已经参照有限数量的实施例公开了本发明，但享有本公开内容的所属领域技术人员将会理解由这些实施例进行的许多修改和变更。尽管本公开已经从井下工具应用角度进行了描述，但本公开的装置也可以被用于很多应用场合。

虽然上文详细描述了几个示例性实施例，但所属领域技术人员应该容易理解，在实质上不脱离本公开的情况下，可以对示例性实施例进行多种变型。相应地，所有这样的变型应当被包含于权利要求所限定的本公开的范围内。在权利要求中，功能加装置的条款被预期覆盖在此描述的执行所述功能的结构，不仅限于在结构上的等价，还包括等价的结构。因此，尽管钉子和螺钉可能在结构上不等价，因为钉子具有圆柱形表面，以便紧固木质零件，而螺钉具有螺旋形表面，然而在坚固木质零件的环境下，钉子和螺钉可以是等价的结构。申请人的明确意图是不为本文的任何权利要求的任何限制援引35U.S.C.§112第6段，除了权利要求明确使用词语“用于…的装置”和相关联的功能。

Claims

1.一种用于井下工具(58)的超声换能器(101)，所述井下工具能够定位于穿透地下地层(54)的井眼(60)中，所述超声换能器包括：

压电元件(100)，其将电流转换成超声波，并且探测超声波并将探测到的超声波转换成电流；

背衬(102)，其与所述压电元件联接，并且衰减超声波；以及

顺从性外壳(112)，其绕着所述背衬配置，其中，所述顺从性外壳随温度或压力变形。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，进一步包括机械支撑件(106)，其与所述压电元件和背衬联接。

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其中，所述机械支撑件在其外表面上具有至少一个凹槽(200)，以与所述顺从性外壳形成密封。

4.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，其中，所述超声换能器能够暴露于钻井流体下。

5.根据权利要求4所述的超声换能器，进一步包括至少一个电触头(108)。

6.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，进一步包括：延伸穿过所述顺从性外壳的连接器(110)，以便操作性地连接于所述至少一个电触头及处理器(53)。

7.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，其中，所述顺从性外壳具有收缩末端。

8.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，其中，所述顺从性外壳包含聚醚醚酮、全氟弹性体或偏氟乙烯六氟异丙烯共聚体。

9.根据任一前述权利要求所述的超声换能器，进一步包：括膜(104)，其能够绕着所述压电元件的前面定位，以从井眼传递波。

10.根据权利要求9所述的超声换能器，进一步包括：用于将所述膜固定到位的限制件(105)。

11.一种制造用于井下工具(58)的超声换能器(101)的方法，所述井下工具能够定位于穿透地下地层(54)的井眼(60)中，所述方法包括：

将包括机械支撑件(106)、至少一个电触头(108)和电连接器(110)的换能器部件布置在外壳模具(315)中；

定位背衬(102)，所述背衬衰减进入所述外壳模具中的波；

将顺从性外壳(112)布置在所述外壳模具中，并使顺从性外壳在所述外壳模具中绕着所述换能器部件布置，所述顺从性外壳能够随井眼条件变形；以及

附连压电元件(100)至所述背衬，所述压电元件探测超声波，并将探测到的超声波转换成电流，而且使至少一个电触头联接至所述背衬及所述换能器部件。

12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括：在所述机械支撑件中形成至少一个凹槽。

13.根据权利要求11或12所述的方法，进一步包括：定型所述外壳模具中的顺从性外壳。

14.根据权利要求11-13中任一所述的方法，进一步包括：在布置换能器部件之前，组装所述换能器部件。

15.根据权利要求11-14中任一所述的方法，进一步包括：通过在压力和温度下施加真空、硫化或加压所述背衬来处理所述背衬。

16.根据权利要求11-15中任一所述的方法，进一步包括：将所述电连接器操作性地与处理器和所述至少一个电触头连接。

17.根据权利要求11-16中任一所述的方法，其中，布置所述顺从性外壳包括：将所述顺从性外壳注射成型到所述外壳模具中。

18.根据权利要求11-17中任一所述的方法，进一步包括：将膜绕着压电元件的前面附连。