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1、CBMT换能器的防震设计及提高幅值方法摘要:根据扇区水泥胶结成像测井仪(CBMT)的测井原理以及对其探头核心部件(换能器)的技术指标，并通过试验测井结果对比，最终给出比较好的换能器防震保护设计和提高极板幅值的方法。关键词:换能器防震幅值试验Abstract:OnthebasisofthelogginginstituteofCementBondMapingTool(CBMT),andthetechnicaldescriptionofmeasuringheadshardcore(transducer),andrefertoexperimentationresultsinterpretation,f
2、inallyproposeabetterantiknockdesignandenhanceamplitudevaluemethod.KeyWords:Transducer;Antiknock;Amplitudevalue;Experimentation扇区水泥胶结成像测井仪器(CBMT)是采用声波衰减原理来测量套管和水泥环及地层之间的胶结程度，从而确定水泥固井的质量，以及与地层之间的分隔程度。仪器在设计上采用六极板推靠式结构，每个极板内安装有两个发射换能器与一个接收换能器。两个发射换能器按照经过计算的固定间距先后向套管发射声波，接收换能器采集套管回波并对回波进行叠加。六个极板均匀覆盖井周，相互
3、间隔60,分别对六个扇区进行套管井壁的回波信号补偿测量，以达到精确测量水泥固井质量的目的。1CBMT换能器简介压电换能器是扇区水泥胶结成像测井仪的核心部件，该仪器选用的换能器是国内自主研制的。它是由四叠片压电陶瓷制作而成，所用的压电陶瓷的组成成分是技术的关键，其工作原理是在高压脉冲电信号的作用下，发射出固定频率的声波信号。发射信号由单稳态触发器以及相关的一些MOS管电路控制实现，作为水泥胶结成像测井仪的声波发射信号。同时，压电换能器还可以接收这一频率的声波信号，并产生一个与该频率相关的电信号，作为水泥胶结成像测井仪的测量信号。经过对接收信号的首波幅度进行采集并放大处理，作为仪器的测量结果，提供
4、给测井系统进行成像处理。2CBMT换能器防震设计扇区水泥胶结成像测井仪的换能器是由特殊的压电陶瓷制成。当给换能器一个特定频率的激励信号（CBMT中使用的是70KHZ左右的脉冲信号）,换能器晶体随之发生谐振。如果不给晶体加装防震装置，当换能器工作时有可能与周围零件发生碰撞而致使晶体发生损坏。即使在仪器未工作的情况下，换能器也需要处于一个减震保护状态，避免极板受外力磕碰造成的晶体损坏。2.1防震材料的选择由于CBMT极板的材料为17-4PH型不锈钢根据23,要想达到好的防震效果，材料的密度相差应该比较大，考虑首选材料为工程塑料。因为工程塑料具有力学性能、耐高低温性能、电性能等的综合性能好1。加上工
5、作环境是200C和140MPa的恶劣井况，选用的工程塑料应该具有良好的热膨胀性、耐腐蚀性和加工工艺性，这就要求选用的工程塑料具有良好的热固性1。综合以上问题，最终选择的防震主体材料为聚四氟乙烯。2.2防震零件外形设计鉴于CBMT的换能器外形如图1所示，以及在极板密封腔内绝缘导线的走向和其余零件的安装方式，设计的防震零件外形如图2所示。2.3防震设计原理阐述对于整个CBMT极板里面的换能器安装来说，光有主体减震零件还是不够的。因为主体减震零件只是限制了其x轴和y轴方向的位移,z轴方向的位移还没有得到限制。这样还需要设计其余的零件来施加z轴的约束由于CBMT换能器受脉冲激励信号的作用，会产生厚度振
6、动模式和径向振动模式两种方式的声波。但是为了在测井过程中,CBMT产生较强的向井壁发射沿套管井壁的径向传播的声波，达到提高灵敏度的效果，结合换能器腔体的形状和换能器的特殊形态，决定在换能器与减震零件（支架）上下表面增加橡胶垫圈等材料。这样不仅可以在z轴方向保护换能器，而且可以比较好的抑换能器的厚度振动模式，提高换能器的灵敏度。考虑到极板密封腔内的各种情况，经过对橡胶材料和工程塑料的反复筛选，最终确定垫片的材质为聚酰亚胺，橡胶垫圈的材料为硬度为90的AS标准的0型橡胶密封圈。聚酰亚胺薄膜片如图3所示,换能器装配体如图4所示。这样的装配机构可以保证换能器晶体在x、y、z方向都有约束限制,3个方向且
7、都有具有弹性的原件来保证晶体不直接与金属原件接触，达到了防震效果；同时工程塑料与橡胶密封圈的材质想对柔软，即使受到外力作用时对晶体产生的压力也会很小，不会使换能器晶体内部产生内应力，继而不会影响换能器的正常工作，也起到了保护和防震的作用。3提高CBMT极板幅值的方法在装配CBMT极板总成的时候，首先将极板密封腔彻底清洗干净。然后在密封腔底部放置1片聚酰亚胺薄膜垫片，然后将减震支架放置在垫片之上，再依次安装换能器晶体、聚酰亚胺薄膜垫片。0型橡胶密封圈首先安装在极板密封腔盖板的特殊位置上，然后将盖板反扣着安装在密封腔上。最后对极板总成进行抽真空注油，直到真空泵抽不出气泡为止，这样就完成极板总成的装
8、配。将CBMT仪器下井测试，在ELIS测井系统得到的极板幅值信号如图5所示。使用这样的方法得到信号幅值的不是很高，即图5所示蓝色竖线对应的首波波峰不是很大。要想CBMT达到比较好的测井效果，必须要提高极板的幅值，即提高换能器的工作灵敏度，这就要求CBMT极板密封腔内不能存在气体。但是要想达到密封腔内绝对真空是不可能的只能通过间接方法减少空气的存在。而且换能器晶体的表面越贴近极板，其径向振动越强，则幅值越高。CBMT的换能器晶体是采用是PZT（锆钛酸铅）压电陶瓷烧制而成,这种压电陶瓷具有较强而稳定的压电转换性能。虽然烧制的晶体质地坚硬致密，但是在高倍数电子显微镜下还是存在间隙，形成众多的微小气室
9、，即陶瓷晶体内部存在气体。这样的微小气室里面的空气在抽真空注油的时候不容易抽出，而残存于晶体内，使得声波信号受损极板幅值自然不高。通过反复实验和验证，最终提出下列方法，可使极板幅值明显提高。(1) 在装配前用洁净的液压油(101#二甲基硅油)浸泡换能器晶体。时间越长越好，且浸泡的时候要经常翻动换能器，使油液最大程度深入晶体内部组织。(2) 彻底清洁极板密封腔，及安装于密封腔内的各个元件，确保墙内液压油的清洁。(3) 严格控制极板机加工件的精度，确保其密封腔底部平面的平整性。(4) 将垫于换能器晶体上下表面的聚酰亚胺薄膜垫片各增加一片使换能器更加紧贴极板。(5) 用阻抗分析仪选择谐振频率趋于一致的换能器安装于同一个极板内，提高统一性。适当更脉冲激励信号的发射频率和发射激励电压强度，增强换能器的回波信号4。(6) 设计专用的抽真空注p参考文献1 成大先.机械设计手册M.化学工业出版社，2007,11.鲍忠利，等.阵列声波接收换能器的隔声及防震设计M.科学技术工程,2009,6.2 刘鸿文材料力学M.高等教育出版社,2004,1.3 张海澜.声波测井原理M.科学出版社,2004.4 栾桂冬，张金铎,王仁乾.压电换能器和换能器阵（上册）M.北京大学出版社,1991.
