声测井压电接收换能器研究进展

杜 霄，周 静，杨雨舟，高 静

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

声波测井技术占据着越来越重要的地位，是石油与天然气勘探的重要手段之一。从声波测井资料中可以提取很多有用的地层信息，例如测量地层岩石中纵横波以及井筒中波导的声速和幅度，声波在地层岩石中传播的能量和幅度衰减规律等声学性质[1]，来推导得到渗透率、岩性、孔隙压力、裂缝及走向、流体类型、矿物成分和套管-水泥胶结质量等[2-7]。

随着科技的进步，石油的需求量越来越大，并且油气藏开发越来越困难，且石油具有不可再生性，故对测井资料处理和解释的精度要求越高。对于测井仪器，接收换能器是其重要的组成部分，接收换能器性能的好坏对于地层信息的有效提取至关重要，如果接收换能器性能不好，可能会导致接收到的地层的信息存在较大的误差进而影响后续测井资料的处理。

由此可见，声波测井在油气勘探开发中占据重要地位，接收换能器是声波测井仪器的重要组成部分。本文对声波测井接收换能器进行全面的综述，为后人设计接收换能器提供参考依据。

1 典型压电接收换能器

压电换能器的发展和应用是以压电效应的发现和压电材料的发展为前提的[8]。19 世纪法国物理学家对石英晶体度施加一定的力后晶体发生形变，晶体的相对面会产生等量的正电荷和负电荷，施加的力的大小会影响晶体两个相对面的电荷密度，这就是压电效应。压电接收换能器就是利用压电材料的正压电效应来接收声波，当声波传至接收换能器的表面，会给压电材料施加一定的力，压电换能器发生形变，在压电材料两个相对面上产生相异电荷，完成机械能到电能的转换。压电陶瓷是压电接收换能器常用的压电材料[9]，其优点包括：

（1）机电转换效率高，可以达到80%左右；

（2）容易加工成各种形状，如矩形、圆形、柱状、球形、圆环等；

（3）造价低廉且性能稳定，易于大规模推广。

但是压电陶瓷材料也有很多不足之处，其脆性较大、大面积元器件及超薄换能器不易加工等。

在设计声测井接收换能器时，由于接收换能器在谐振频率点处的灵敏度会发生跳变，所以要使得接收换能器有平稳的灵敏度，接收换能器的工作频段应该远低于谐振频率点。接收换能器存在多种振动模式[10]，对于三叠片型矩形换能器来说，存在弯曲振动和伸缩振动两种振动模式，弯曲振动的谐振频率点较低，而声波测井仪器的工作频段一般在20 kHz 以下[11-13]，弯曲振动模式会在测井频段存在谐振点，所以此时应该改变换能器的结构等影响因素使得接收换能器只能激发出伸缩振动。在设计其他结构的换能器时，测井频段也要远离谐振点[14]。

目前，国外可能由于技术保密原因，声测井接收换能器的研究报道很少，而国内学者研究的声测井压电接收换能器结构多样、内容丰富，目的都是使接收换能器具有最佳的接收性能。下面将详细介绍不同结构的压电接收换能器。

1.1 矩形叠片接收换能器

矩形接收换能器是声测井接收换能器中最为常见的一种结构，由于其结构简单，易于加工且接收灵敏度平稳，所以常应用于接收换能器。矩形接收换能器的物理模型（见图1），它由尺寸相同的2 个压电陶瓷片和3个金属基片交替排列组成，每一层之间通过导电的胶层连接。

图1 矩形接收换能器物理模型

评价接收换能器的主要性能指标就是灵敏度和带宽。影响矩形接收换能器的灵敏度和带宽的因素很多，如压电片的厚度、金属基片的厚度、矩形换能器的长度和宽度、压电片的电路连接方式[15]（两个压电片通过串联和并联的方式连接）、矩形换能器的固定方式[16]（自由边界、一端自由，一端钳定、两端钳定）、压电材料的变化（PZT-5A、PZT-5H、PbTiO3）都会影响灵敏度和带宽发生改变。如何使得换能器在所需频段内具有较高且平稳的灵敏度，需要综合考虑以上影响因素，使得换能器的接收性能达到最佳效果。

2012 年李世平等[17]利用有限元软件研究了工作频段在0～40 kHz 的矩形换能器接收灵敏度的影响因素，换能器工作模态纯净，只存在长度方向的伸缩振动，谐振频率点在27.6 kHz，通过改变矩形换能器的压电片厚度（2 mm、3 mm、4 mm、5 mm），换能器长度（41 mm、46 mm、51 mm、56 mm）和宽度（21 mm、25 mm、29 mm，33 mm）来研究其对矩形换能器灵敏度的影响，并得出结论：接收灵敏度对压电片厚度的改变最敏感，对换能器长度的改变次之，对换能器宽度的改变最不敏感。2014 年吴金平等[18]利用有限元阮软件，通过改变矩形板状的结构对接收器进行优化，陶瓷片长度和厚度对接收性能有较大的影响，宽度没有明显影响；减少陶瓷片长度，可拓宽工作频带，增加陶瓷片厚度，可提高接收灵敏度。优化后：接收器的工作频率为1～30 kHz，频带内具有较高灵敏度，接收灵敏度平均值为-204.85 dB，灵敏度起伏量小于2.3 dB，在工作频段内灵敏度平稳。实验测试了加工制作的接收器，测试结果与计算结果基本吻合。

2019 年孙志峰等[19]研究了工作频段在0～35 kHz下3 种不同机械边界条件下的振动模态及接收灵敏度，矩形接收换能器有3 种方式固定在测井仪器上（见图2），分别是自由边界条件、一端自由，一端钳定的边界条件和两端都钳定的边界条件，以及接收换能器金属基片厚度及外壳封装材质对其接收灵敏度的影响。研究得出结论，两端钳定边界条件的一阶伸缩振动的谐振频率最高；增加中间金属基片厚度可以提高换能器的接收灵敏度，应尽量采用较薄的金属基片，这样能减小整个换能器的厚度，从而减小接收声系开槽深度，增加钻铤的机械强度；采用充满硅油的长方体金属铝外壳的灵敏度曲线起伏较小，较为理想。

图2 矩形接收换能器的固定方式

通过以上学者的研究可以看出，矩形结构简单，易于加工制作，且接收换能器的工作频段较宽，足以满足声波测井需求。另外，在设计接收换能器时，矩形接收换能器的结构、电路连接方式、换能器固定方式、金属基片厚度以及外壳封装材料等都将影响矩形换能器接收性能，所以应该综合考虑设计，使换能器达到最佳的接收效果。

1.2 圆形叠片接收换能器

圆形压电接收换能器也是较为常见的一种结构。接收压电振子是由两个压电陶瓷中间粘结一个金属基片构成（见图3）。压电片的极化方向是厚度方向[20]。

图3 圆形叠片接收换能器

2012 年李世平等[17]除了研究矩形接收换能器外，还研究了圆形接收换能器，并将圆形接收换能器与矩形接收换能器的灵敏度进行对比，保持矩形和圆形的接收面积大致相同（矩形接收换能器的长宽之积；圆形接收换能器圆面的面积），压电片的厚度及材料，金属基片厚度等保持一样。得出结论，在接收面积相同的情况下，接收频带在0～40 kHz 时，矩形接收换能器的灵敏度整体高于圆形接收换能器。

2014 年李剑等[21]对工作频段在1～35 kHz 圆形接收换能器的串、并联情况下压电陶瓷片厚度为0.2 mm，1.0 mm，2.0 mm，3.0 mm 接收灵敏度进行了分析，换能器串、并联的连接方式（见图4）。

图4 圆形接收换能器连接方式（侧视图）

换能器串联连接时，接收平稳；增加压电陶瓷片厚度可以提高换能器的接收灵敏度，厚度增加到一定程度由于振动模式的改变使接收响应更不平坦。换能器并联连接时，接收不平稳，起伏过大，会导致信号失真，并给匹配电路的设计和信号处理过程造成困难。

2016 年刘欢[22]对圆形接收压电振子进行谐响应分析，发现圆形一阶谐振频率处的振动模式为凹凸振动。研究频带在2～60 kHz 换能器半径、压电片厚度对灵敏度的影响。得出结论：压电片厚度的增加会导致谐振频率后移，而随着半径的减小导致谐振频率前移。

通过以上学者的研究可以看出，圆形接收换能器也是较为常用的一种结构，在设计圆形接收换能器时，改变结构、接线方式等也可以调整灵敏度，但是圆形接收换能器的灵敏度相对矩形换能器较低。

1.3 圆柱形压电接收换能器

圆柱形压电接收换能器沿着半径方向有均匀的指向性和较高的灵敏度，并且结构简单，在实际的测井中，也常常用圆柱形压电换能器作为接收换能器[23]。

市面上的圆柱形换能器种类繁多，但是结构大致相似，可以简化结构（见图5）。其中圆柱形接收换能器的内部（灰色部分）为环氧树脂，换能器的中间部分（黄色部分）为压电材料，换能器的外层，上下层（蓝色部分）为金属及基片部分。

图5 圆柱形换能器结构简化图

2016 年刘欢[22]研究了预应力对圆柱形接收器接收性能的影响，对圆管换能器施加预紧力后消除了轴向振动模式，增强了径向振动模式，当只增加轴向预应力时，换能器在低频段和高频段均具有较高的灵敏度。

2019 年陈辉[24]研究了接收灵敏度在1～40 kHz 的圆柱形接收换能器。经过研究发现，圆柱形换能器在1～12 kHz 接收灵敏度较为平稳，适用于传感器应用。当频率范围大于12 kHz 以后，圆柱形换能器的灵敏度变化剧烈，这样容易导致信号失真，给后续信号的处理以及分析带来极大的困难。

圆柱形接收换能器的研究较少，但是在声测井压电接收换能器领域有应用，有待学者继续探究考察。

2 结论

本文主要综述了近年来国内学者对声测井接收换能器的研究，主要从接收换能器的研究背景、不同结构的接收换能器的结构、各种接收换能器的研究内容以及各种结构的接收换能器性能进行对比。总结得出以下结论：

（1）矩形接收换能器结构简单，性能稳定，是声测井领域常常采用的结构。设计矩形结构时，厚度对矩形灵敏度的影响最大，应选择较厚的压电片，长度对灵敏度影响次之，减少陶瓷片长度，可拓宽频带，宽度对灵敏度几乎没有影响。换能器应该以两端钳定的方式固定，此时换能器的谐振频率最高，能保证换能器在测井频段内接收灵敏度平稳。用充满硅油的长方体金属铝外壳封装换能器较为理想。

（2）圆形结构也是较为常见的结构，但是圆形结构的灵敏度低于矩形结构。设计圆形结构时，增加压电片厚度和半径，都会使谐振频率后移，有利于换能器在测井频段内保持接收灵敏度平稳。换能器串联时，接收平稳。

（3）其他结构的换能器，例如圆柱形换能器，有待学者继续研究。