稀土超磁致伸缩声波测井换能器可行性研究

周文强　谢观福　邓卫平

【摘  要】目前油井液面深度的测量主要是通过回声法进行的，当油井套管气压力较低或无压力时，需采用压缩气体进行充气击发，存在声波能量不足、需要定期维护和可靠性差等问题，无法满足长期自动监测的要求。通过对稀土超磁致伸缩材料特性和应用情况的分析，该材料具有应变大、能量转换密度高、声速低等优点，适用于制作低频宽带换能器，用于油井环空液面深度监测是具有可行性的。

【关键词】稀土超磁致伸缩;换能器;油井环空液面

1 引言

目前油井液面自动监测产品对于高压油井，采用套管气向外释放的方式发声。对于低压或无压井，需要采用高压氮气瓶或电动打气泵压缩气体向井内瞬间注入高压气体从而产生次声波的方法。由于氮气瓶容量有限无法满足长期自动监测;采用电动打气泵压缩空气进行充气击发，存在安全隐患，并且电动打气泵长期工作可靠性不高。本文从稀土超磁致伸缩材料的特性和与传统声波换能器的对比，对稀土超磁致伸缩声波测井换能器进行可行性分析与研究。

2 稀土超磁致伸缩材料的特性及应用

目前，稀土超磁致伸缩材料已被广泛应用于各种尖端技术和军事技术中，对高新技术产业及传统产业的现代化产生了重要的作用。近年来，国外发达国家在这方面的工艺研究已基本完成，开始向商品化的阶段过渡，现已开发出上千种应用器件。我国在稀土超磁致伸缩材料上的研究始于二十世纪90年代初，至今已取得一定成果，理论研究已达到或接近国外先进水平，但在规模化生产、产品应用与开发等方面与国外仍有明显差距。

2.1 稀土超磁致伸缩材料的特性

稀土超磁致伸缩材料也称为Terfenol-D，由高纯稀土金属铽、镝以及高纯铁经过冶炼成为合金，经过定向结晶后制成晶粒取向的棒状材料。

稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D、一般磁致伸缩材料 Ni 和压电材料PZT的物理性能[1，2]。从磁弹性性能上看，稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D相对于一般磁致伸缩材料Ni和压电材料PZT具有巨大优势。巨大的磁致伸缩应变系数、能量转换密度非常之高，是传统镍材料的四百至五百倍，比压电材料提高了十至二十五倍，意味着同样条件下，能够实现更大功率的发射;从声学力学性能上看，低声速、低杨氏模量意味着同样体积下，

Terfeno l-D有着更低的谐振频率，有助于实现换能器的低频工作。

2.2 稀土超磁致伸缩材料的应用

由于磁致伸缩磁材料的长度可随外磁场的交变而反复伸长和缩短，产生机械波，因而能够实现电磁能与机械能、声能之间的转换，稀土超磁致伸缩材料被广泛应用于功率电—声换能器。

功率电—声换能器主要用于军事技术、海洋探测与开发、海洋工程的水声声纳。以前声纳的水声发射换能器主要用压电陶瓷材料（PZT）来制造，这种材料制造的水声换能器的频率较高（20kHz以上）、衰减快、传播距离短，同时发射功率小、体积大、笨重。随着舰艇隐身技术的发展，现代舰艇可吸收频率在3kHz以上的声波，起到隐身的作用。而用稀土超磁致伸缩材料制造的换能器其能量密度为压电换能器的10倍，工作距离超过104km，是压电换能器的几十倍，所以各发达国家都正在大力开发用稀土超磁致伸缩材料制造的低频（频率为几十至2kHz），大功率（声源级约220dB）的水声换能器，低频可打破敌方舰艇的隐身技术，大功率可探测更远距离的目标;同时由于体积小，重量轻，可提高舰艇的作战能力[3]。

此外，稀土超磁致伸缩材料还被用于地质科学与工程的陆地声纳，其功率达数千瓦，是压电换能器最大功率的十倍。稀土超磁致伸缩材料电声换能器用于波动采油，可提高油井的产油量达20%～100%[4]。

3.声波测井换能器可行性分析

用于探测地质结构的陆地声呐可以提供瞬间大功率（超过2000瓦）输出，其工作方式是瞬间放电，产生脉冲信号。与目前测试油井环空液面用的气动式发声装置工作方式类似。陆地声呐用于工程地质勘探，工作频率为中频段（几百赫兹到几千赫兹），由于油井液面测试声波的有效频段为50Hz以下，因此陆地声呐不能直接应用于油井液面测试。但这些换能器的成功开发和应用为声波测井换能器的开发提供了很好的研发思路。如果将换能器的工作频率降低，再结合瞬间放电的千瓦级以上大功率，将可能达到测井的次声波大声强要求。

3.1 电声源油井液面测试

电声源液面测试系统利用电能产生声波机械能，不依赖于井内是否有套压，且井内气体不外泄、不需外接气源，是实现油井液面长期自动监测最好的解決方案。为此，选用普通电动30W喇叭，在模拟井无压状态下进行测试，测试波形如图1所示。模拟井井底深度为89.6米，从曲线中可以清晰的分辨出第8次井底反射波，在无压状态下测深可以达700米。但是由于普通喇叭声波频率高、声波能量低，导致测深能力不足，且纸盆喇叭易损坏，抗干扰能力低等问题无法解决，无法实现工程应用。

3.2 声波测井换能器所需能量分析

针对30瓦喇叭有效传输700米来对所需要在真实油井深度测试中需要的声功率进行一些初步计算，声波衰减公式为：

………………（1）

其中，W—声功率;

J——传播r距离后的声强;

Ω——扬声器发声板形状因子;

r——传播距离;

δ——吸收系数。

设30瓦喇叭发声后有效传播1400米的初始值为W1，r1，J1，Ω1，1;稀土超磁致伸缩换能器发声后有效传播6000米的值为W2，r2，J2，Ω2，2。同样的介质中衰减系数相同，发声板形状因子Ω相同，传播有效距离后声强J相同，则有：

其中根据数据和计算得到的=6.25E-06，最终得到W2/W1≈73。假设扬声器换能效率相同，已知产生W1声功率的喇叭功率为30瓦，则产生W2声功率的换能器功率为：30×73=2190瓦。从上述分析可以看出：普通喇叭远远不足以达到3000米深低压或无压井的测井要求，设计和制作大功率的声波换能器成为解决该问题的可能。

4 结论

本文从稀土超磁致伸缩材料的特性，稀土超磁致伸缩换能器的应用现状，结合普通喇叭在气体介质中测深试验的结果分析，稀土超磁致伸缩声波测井换能器是具有可行性的。在保证输出能量的前提下，特别适合于低压和无压井，而这正是全自动油井井深测量全自动化和无人值守工作需要重点解决的问题，因而意义重大，具有重大的技术进步和经济效益。

参考文献：

[1]谷东光. 超磁致伸缩换能器的磁场和温度场分析及结构设计[D]. 河北工业大学，2012.

[2]李素珍. 稀土超磁致伸缩材料与器件发展现状[J]. 稀土信息，2005，（04）：28-29.

[3]李扩社，徐静，杨红川，袁永强，徐建林，于敦波，张深根，稀土超磁致伸缩材料发展概况[J]，稀土，2004，04：51-56