集成声换能器组件 【相关申请的交叉引用】
根据35U.S.C§119，本发明要求2004年1月8日申请的申请号为60/535,062的美国临时专利申请和2004年1月8日申请的申请号为60/534,900的美国临时专利申请的优先权。
【技术领域】
本发明通常涉及声换能器。尤其是，本发明涉及适于地下应用的声源和传感器。
背景技术
在油气工业，通常使用测井仪器对地下岩层进行探测，以便确定地层特征。在这些仪器中，声测井仪器已经被用于提供关于地下声学性能的有用信息，其可用于产生图象或者推导出相关的地层特征。
声波为周期性的振动干扰，其由穿过介质如地下岩层传播的声能产生。声波以其频率、振幅、以及传播速度为其典型特征。目的地层的声学性能可包括压缩波速度、剪切波速度、井眼模式和地层慢速。此外，声成像可用于描述井壁状况和其它远离井眼的地质特征。这些声测量已经应用在地震校正、岩石学、岩石力学和其它领域。
作为深度函数的声学性能的记录被称为声测井。由声测井所获得的信息在许多应用中都是有用处的，包括井间对比、孔隙度的确定、机械或者弹性岩石参数的确定，以显示岩性、探测过压力岩层区，并根据所测地层内的声速将地震时间迹线转换成深度迹线。
地层声测井包括将声测井装置或仪器下入横穿地层的井眼内。所述的测井仪器一般包括一个或多个向地层发射声能的声源(即，发射器)以及一个或多个接收声能的声传感器或接收器。发射器被周期性地激励以向井眼内发生声能脉冲，该脉冲穿过井眼并进入地层。在通过井眼和地层传播之后，一些声能传播到接收器，该声能在此处被探测到。随后所探测声能地各种性质与所关心的地下或者所用仪器的性质有关。
图1示出了一种常规的井下声测井仪器。测井仪器10被设置在穿过地层20的井眼12内。井眼12通常充满钻井期间所使用的钻井液14(“泥浆”)。测井仪器10通常具有管体13的支撑，如果为钻挺的情况下，其包括用于使钻井液14到达泥浆马达和/或钻柱(未示出)底部钻头的本领域所公知的内部通道13A。测井仪器10包括一个或多个声发射器16和一组设置在管体13上的声接收器18。接收器18相互间隔开，并沿着测井仪器10的纵向轴线以所选择的距离h进行设置。其中一个靠近发射器16的接收器18同发射器轴线间隔开选定距离a。测井仪器10还容纳一个或多个常规的计算机模块21，该计算机模块具有微处理器、存储器和软件以处理波形信号数据，这是本领域所公知的。本领域还公知的是，计算机模块21可设置在仪器内、设置在地面或者组合在图1所示的两者之间。示出声能波22在井眼内传播。常规的井下声测井仪器在专利US5,852,587、US4,543,648、US5,510,582、US4594691、US4,594,706、US6,082,484、US6,631,327、US6,474,439、US6,494,288、US5,796,677、US 5,309,404、US5,521,882、US5,753,812、RE34,975和US6,466,513中进行了描述。
常规的声测井仪器装配有声换能器元件，如压电元件。一般来说，声换能器在电与声之间转换能量，并可作为一个声源或传感器。声换能器通常安装在测井仪器体内，如图1所示。常规的使用在井下测井仪器内的声源和传感器在美国专利US6,466,513、US5,852,587、US5,886,303、US5,796,677、US5,469,736和US6,084,826中进行了描述。由于各种原因，包括间距限制，这些换能器通常具有多个压缩成插件的部件，所述插件安装在所述具有前端电子仪器和远离换能器元件设置的电路的测井仪器上。
声换能器装置还被包含在使用印刷电路板(PCBs)的结构内。美国专利US6,501,211描述了一种使用在PCB内的超声换能器以连接螺栓头。所述的换能器连接到远处的计算机上以利用换能器确认螺栓。美国专利US4,525,644描述了使用压电装置的机构，该压电装置紧邻PCB连接垫以增加连接垫与连接器之间的结合力。专利EP1467060A1描述了一种与井下测井仪器一起使用以遥测穿过该仪器的声信号的柔性压电换能器。这些常规的声换能器系统具有差的灵敏度和需要设置在别处的笨重电子器件插件(如较大的前置放大级)的缺陷。
需要改进的具有集成电子仪器和处理装置而不丧失性能和灵敏度的声换能器。
【发明内容】
本发明的一方面提供一种适于地下使用的声换能器组件。所述的组件包括框架；设置在框架上的声换能器元件；以及设置在框架上并连接到声换能器元件上的电子模块；其中所述的电子模块适于处理与换能器元件相关的信号。
本发明的一方面提供一种适于地下使用的声换能器组件。所述的组件包括具有与第二表面相对的第一表面的盘形声换能器元件；连接到换能器元件的第二表面并适于处理与所述声换能器元件相关的信号的电子模块；所述的电子模块具有至少一根连接到其上的信号线；设置在电子模块和声换能器元件周围的声减振部件；其中所述的声换能器元件、电子模块和减振部件被封装在留下至少一根信号线暴露的密封部件内。
本发明的一方面提供一种用于组装声换能器的方法，所述的方法包括将声换能器元件设置在框架装置上；将电子模块设置在框架装置上；将声换能器元件连接到电子模块上，电子模块适于数字化与换能器元件相关的信号；利用不包括液体的密封部件覆盖换能器元件和电子模块。
【附图说明】
图1为常规的井下声测井仪器的示意图。
图2为根据本发明的换能器的示意图。
图3为根据本发明的密封的换能器的视图。
图4根据本发明的多元件换能器的示意图。
图5为根据本发明的减振换能器的侧视图。
图6示出了根据本发明的分段换能器。
图7为根据本发明的加固的换能器的侧视图。
图8为根据本发明的换能器电子模块和多路转换器模块的示意图。
图9示出了配置有本发明的声换能器的井下管体。
图10为根据本发明的“杯”型换能器的示意图。
图11A为根据本发明的具有方位设置的换能器的井下管体的示意图。
图11B为根据本发明的具有轴向设置的换能器的井下管体的示意图。
图11C为根据本发明的具有杯型换能器的井下管体的示意图。
图12A为根据本发明的方位设置的换能器的示意图。
图12B为图12A中的方位设置的换能器的俯视图。
图12C为环绕管体圆周方位设置的本发明的换能器的俯视图。
图13为根据本发明设置在管体内的轴向的换能器的示意图。
图14为根据本发明设置在管体内的连接的换能器的侧视图。
图15为根据本发明设置在管体内的换能器的剖面图。
图16为根据本发明的嵌入的换能器的立体图。
图17为可容纳图16所示的换能器的管体的立体图。
图18为设置在图17所示的管体内的图16所示的换能器的剖面图。
图19A为根据本发明的换能器防护装置的立体图。
图19B为根据本发明的另一种换能器防护装置的立体图。
图20为根据本发明的另一种换能器防护装置的立体图。
图21为具有根据本发明的换能器和防护装置的管体的立体图。
图22为具有根据本发明的换能器实施例的井下测井仪器的示意图。
【具体实施方式】
本发明的声换能器具有组装好的电子工艺以便它们适于暴露于恶劣的环境，如地下井内。与常规的设计相比，本发明的换能器配置有较少数量的元件和相关的电子仪器。电路被减到最少并且信号数据优选靠近换能器进行数字化。
在井眼内用作测量声波的声接收器阵列的换能器应该是小的并优选是单独的，以便测量在井眼内传播的声波模式，如单极、双极、四极以及高极模式。类似的这些声换能器应该在不同的模式下操作以抑制不需要的模式。例如，在单极或者四极模式测量中，较好质量的测量应该通过抑制单极模式而获得。本发明的实施例包括主动传感器，其具有集成的电子仪器，并且是独立的和适于暴露在地下环境中。
图2示出了本发明的实施例的换能器30。换能器30具有前端电子模块32，该模块包括与声换能器元件36集成在一起并设置在框架38内的模拟和数字电路34。电子模块32与换能器元件36之间的连接将在下面进行描述。换能器元件36可包括压电装置、钛酸铅(PT)装置、锆钛酸铅(PZT)装置，1-3压电复合型装置，或者其他本领域所公知的适宜的装置。本发明的换能器元件36可与常规的换能器一起设置在框架38内以增加可靠性和性能。
为了清晰的显示，框架38被投影为两维或者平面。在一些实施例中，框架38可为条带形式，还可为弯曲的电路(在美国专利US6,351,127、US6,690,170、US6,667,620、US6,380,744中进行了描述)。弯曲电路框架的实施例可由任何合适的电绝缘材料或者绝缘的薄膜基质构成，如具有可选择的厚度以能够弯曲或挠曲的聚酰亚胺膜或者聚酯膜(例如，为了环绕管件或者装配在管件内的空间内)。用于生产条带以形成柔性框架38的技术在美国专利US6,208,031中进行了描述。除了柔性框架38之外，其它实施例可以与单层或多层的PCB框架一起应用。框架38上的导线可由铜的细带或者其它设置在其上的本领域所公知的合适的材料构成。本发明的换能器实施例可通过利用合适的树脂或者化合物40(如橡胶层)来覆盖或者密封所述的模块和换能器组件来使其防水，如图3所示。一根或多根连接到电子模块32的导线42暴露在左边以进行信号/电能传输。
本发明的实施例还可具有设置在单框架38上的多个换能器元件36。图4示出了一组互相分隔开的单独的声换能器元件(如间距为几厘米)。换能器阵列可具有“n”个安装在框架38上的换能器元件36。当用作接收器时，多元件换能器30可用于测量任意井眼声波模式。多元件36的换能器的实施例优选配置有电子仪器多路转换器模块44以向/从换能器元件36进行流线信号通讯。如前所述，导线或者电路元件(如图3中的标记46)为两个部件之间提供了信号通道。为了清晰起见，导线或者电路元件未在所有附图中示出。关于这些实施例，由于它们可进行数字多路转换，每个换能器的声道的数量可增加。
换能器30还可设有声减振部件以消除不需要的振动。图5示出了具有设置在换能器元件36一侧的减振部件48的换能器实施例的侧视图。减振部件48可由重质材料(如Tungsten)或本领域所公知的其它适合的材料制成。当换能器元件36作为声源而受到激励时，减振部件48有助于降低换能器元件的一侧B上的振动，同时提高来自侧面A的声的方向性。虽然减振部件48在图5中被示为位于换能器元件36的一侧，但是其它实施例可具有以不同方式设置的减振部件(如完全围绕在换能器元件的周围，使侧面A无障碍)。声换能器/减振部件组件可设置在框架38的表面，设置在框架内的孔隙或者切口内，或者完全嵌入构成框架的橡胶胶料内(参见图3中的标记40)。
图6示出了本发明的另一换能器组件30的实施例。多个框架38由导线42连接从而形成一延伸的换能器阵列。每一框架38可具有一组换能器元件36和电子模块32以产生“n”个数字通道的声阵列。所述的阵列可具有一个或多个设置在一个或多个框架38上的数字多路转换模块44，以有效传送与换能器元件/电子模块相关的信号。图6中所示的实施例具有连接到组件上的连接器50(也被称作“堵头”)以提供单个信号/电源连接。常规的连接器50可用于实现本发明，这是本领域所公知的。
通过支护框架38，可获得本发明换能器组件的结构上的加固。图7示出了设有支承件52的换能器30实施例的侧视图，支承件52构成了用于换能器元件/电子模块的刚性基部。支承件52由任意材料制成，如金属。可利用粘合剂、紧固装置或者本领域所公知的任何合适的方式将支承件52接合在框架38上。类似于图3所示实施例，图7所示的实施例由和橡胶胶料一起过压成型的换能器元件36的组件、电子模块32、以及多路转换器44构成。支承件52被固定到矩形换能器组件的底侧。如果需要，支承件52还可被嵌在橡胶胶料内。一些实施例可设有多个结合在换能器组件的其它表面上(如顶部和底部)的支承件52或者为了特定的应用而按照需要设有分段的支承件52(未示出)。重质支承件52还能够减振并有助于类似于结合图5的实施例的声的方向性。
图8示出了本发明的换能器组件内的电子模块32的基本示意性布置。模块32包括前置放大级100、过滤级102、模拟数字转换器(ADC)级104和功率放大级106。示出模块32连接到1至n个适于向一个通道传送“n”个信号的多路转换器装置44以通过导线42进行输出。连接到换能器元件36的转换器108在位置1和位置2之间来回切换。在位置1时，换能器元件36被功率放大级106所激励，该换能器元件被用作发射器。随着转换器108处于位置2时，前置放大级100接收由换能器元件36所探测到的模拟声能信号并且通过模块32对其进行处理从而换能器元件用作接收器。与换能器元件36集成在一起的小的插件和低功率电子模块32使功率消耗最小并且改善了降噪效果，这是因为与模拟信号相比数字信号更加清晰的缘故。数字信号数据还能够传送很远的距离以在需要时对不需要的噪声进行另外的处理。
本发明的双重目的的换能器(如信号源-传感器)可进行脉冲回波测量。本领域众所周知，从井眼12的井壁反射回的脉冲回波信号的双向传播时间的测量可用于确定井眼几何形状，如井眼半径。图9示出了以脉冲回波模式操作的本发明的实施例。井下管体13配置有多个轴向和方位分布的本发明的换能器30。利用电子模块32，换能器元件36可在两个模式之间进行切换从而获得井眼12内的脉冲回波测量。使用本领域所公知的常规技术就可对所测的声信号数据进行处理。
图10示出了另一本发明声换能器30的实施例。虽然示出了换能器30的侧视图，该组件为“杯”形并包括具有第一表面A和第二表面B的覆盖住的盘形换能器元件36。换能器元件36可包括压电装置、钛酸铅(PT)、锆钛酸铅(PZT)、1-3压电复合型部件、或者其他本领域所公知的部件。具有电荷放大级的电子模块58抵靠换能器元件表面B以将在换能器表面A探测到的声能转换成与所探测到的声压成比例的电压信号。
信号/电能沿着连接到电子模块58的一个或多个导线60被激励以在脉冲回波模式中操作换能器或者作为数字接收器。减振部件62环绕着电子模块/换能器组件以形成杯，使换能器表面A无障碍。本领域所公知的任何合适的减振部件都可被使用。整个杯组件都被嵌在或密封在合适的材料64内(如橡胶胶料)，以使传感器防水，形成具有裸露导线60的圆盘。与常规的杯型换能器相比，这一换能器的实施例提供了更小的插件。例如，本发明的杯型换能器30可在直径为2.54cm、高度为1.3cm的尺寸范围内进行组装。图10所示换能器30的实施例的电子模块58还可具有转换装置和处理电路59，如图8所示，以按照需要作为声源或传感器。
本发明的换能器所提供的小尺寸、高灵敏度和方向性、以及低的功率消耗使它们可应用于无限多的环境和应用中。图11(A)-11(C)示出了三种类似于图1所示管体的井下管体13，其配置有本发明实施例的声换能器30。图11(B)所示实施例示出了轴向的换能器阵列。这些结构中的换能器30可使用完全电路框架38、单独的PCB框架38、或者这里所述的连接的框架38。图11(C)中的实施例示出了一些使用图10所示杯型换能器30实施例的阵列。小尺寸的杯型换能器30结构表示了一种点声源。这些阵列中的任意一个都可用于多极声测量。其它实施例可具有所公开换能器的任意组合。例如，管体可配置有图11(B)和11(C)所示轴向的和杯型换能器(未示出)。除了能够用于多种测量之外，这一结构还可在失效的情况下提供备用源和传感器。
图12(A)示出了来源于图11(A)所示实施例的方位的换能器带。换能器30设置在管体内形成的浅槽66内。图12(B)示出了浅槽66内的换能器30的俯视图。由于它们是密封防水的并可暴露于井眼，换能器30可利用本领域所公知的任何合适的方式而被安装在管体上(如通过利用橡胶胶料将换能器30封装在其内)。防护装置68还可设置在管体13上以覆盖换能器30并防止其不会磨损。防护装置68可由金属、塑料化合物(如PEEKTM)、或者本领域所公知的任意合适的材料制成。美国专利US6,788,065描述了各种具有凹槽和也可用于实施本发明实施例的防护结构的管体结构。防护装置68优选具有空隙或孔(如洞或槽)，以为防护装置与换能器30表面之间的间距内的井眼流体提供通道。可利用固定装置或者本领域所公知的任意合适的方式将防护装置68安装在管体13上。
图11(A)和12(A)所示的方位换能器30阵列可用于围绕管体13的整个圆周、用于围绕图12(B)所示的特定段，或者沿着管体的纵向轴线设置在交错方位段(未示出)。图12(C)示出了设置管体13的圆周上的换能器30阵列的俯视图。与常规的换能器设计相比，本发明的换能器30的实施例的微小尺寸使得它们可被放置在管体13内的小空隙内。这使得井下测井仪器具有提高了的机械强度和改善了的声响应。换能器30的小尺寸使得它们可放置在具有换能器元件36之间的最小空间的管体上。例如，如图13所示的具有仅间隔几个厘米(如5-16厘米)的换能器30轴向阵列的井下测井仪器可用于沿着井眼在所需长度内发射/接收严格密封的声波。这种测量可具有改善的成像和地层分析能力。
图13示出了类似于图11(B)所示实施例的轴向换能器阵列。一个换能器30或一系列换能器30(如图6)可设置在管体上形成的浅沟或者浅槽70内。如上所述，为了保护不受磨损，防护装置72可被放置在换能器(多个换能器)30之上。防护装置72可由任何合适的材料构成并优选具有一个或多个孔74。如图13所示，孔74可位于防护装置72上的不同位置上。在图13中从左向右，第一防护装置72具有两个位于防护装置边缘上的半月形的孔74。中间防护装置72具有形成于防护装置中心的孔74。最右端的防护装置72具有位于防护装置两端的孔74。为了清晰显示，虽然未在所有附图中示出，但是利用本领域所公知的任意合适的方式，提供信号/电能联系给本发明的换能器或从本发明的换能器提供信号/电能联系。
图14示出了类似于图13所示实施例的侧视图。在这一实施例中，凹槽70在一端具有斜面76，并且一系列连接的换能器30位于所述的凹槽内。一个防护装置72或多个单独的防护装置(如图13)可用于覆盖换能器30。如上所述，换能器30互相连接，信号/电能通过图6所示的连接器50进行传送。连接器50连接进入通道80，也被称作馈入装置，以通过本领域所公知的导线82在换能器30和其它部件(如电子仪器、遥测装置、存储器等)之间传送信号/电能。
图15示出了设置在管体13内的本发明的换能器的实施例的剖面图。在这一实施例中，声换能器元件36被嵌入或过压成型在形成矩形的橡胶胶料40内(参见图3)。胶料40具有阶梯式或升高的中心部分以便形成台肩84。矩形防护装置72覆盖着换能器。防护装置72以外伸部85与换能器胶料40配合，所述的外伸部85配合安装于台肩84的顶部，形成与管体13的外部齐平的表面。管体13内的凹槽70容纳换能器/防护装置结构并具有使防护装置73保持在其内的延伸部或凸缘86。如果需要，可将支承件52添加到胶料40中(参见图7)。尽管图15示出了一个换能器元件36，但是换能器可具有多个换能器元件或者具有分段的换能器(参见图6)阵列。返回到图14，可以想象换能器胶料40结构和图15中的防护装置72是怎样沿斜面76下滑进入凸缘86下面的凹槽70的。一旦进入凹槽70，可利用紧固装置(如螺栓)或者本领域所公知的任意合适的方式将防护装置72紧固到管体13上。
图16示出了本发明另一换能器30的实施例。如此处所述，配置有一个或多个换能器元件36、电子模块32、以及可任选的多路转换器44的框架38被嵌入并密封在橡胶胶料40内从而形成细长的基本为矩形的换能器组件(类似图3)。过压成型的胶料40具有多个位于矩形组件相对边缘上的伸出突舌41。按照需要，换能器30可在每面具有(未示出)支承件(参见图7中标记52)。为了清晰起见，信号/电源导线未被示出。
图17示出了具有凹槽70以容纳图16所示的换能器30的井下管体13。凹槽70形成为阶梯状并具有浅槽75以支承换能器30组件。一系列的凹口77形成在浅槽75的一个侧面上，用于与从换能器30的侧面伸出的突舌41配合。当将突舌41置在浅槽75内时，其固定住换能器组件以防止径向和轴向的移动。凹槽70还配置有设置在通道相反侧的延伸部或凸缘86。图18示出了具有图16所示换能器实施例的图17中所示管体的剖面。
如图18所示，防护装置72设置在凹槽70内换能器30的顶部。防护装置72配置有外伸部85并与上述管体13的外部齐平的齐平面。防护装置72上的外伸部85挤压换能器30上的橡胶突舌41，确保换能器处于凹槽70内。突舌41上的挤压还提供了一反作用力并使防护装置72压靠在凸缘86上从而防止其移动。图19(A)示出了本发明防护装置的实施例。图19(B)示出了具有较小的外伸部85的本发明的另一防护装置72的实施例。这些防护装置72可具有一个或多个上述的孔74。
返回到图17，示出了一段凹槽70，与具有通道宽度D的另一段相比，其具有较为狭窄的通道C。较宽的凹槽70段具有位于通道相反侧的扩大的凹口78。在这一实施例中，将图16中的换能器30组件简单地落入凹槽70内，方便了维修和更换。一旦将换能器30置入凹槽70内并且形成本领域所公知的合适的信号/电源连接，防护装置72就会简单地落入较宽的凹槽70段并在凸缘86之下滑入换能器30上方的位置。根据换能器30的长度，可使用一个或多个防护装置72来覆盖换能器的整个长度。
图20示出了本发明的另一防护装置79的实施例。除了其不具有带凸缘的外伸部(图19(A)，19(B)中的标记85)之外，该防护装置79类似于图19(A)和图19(B)中所示的防护装置，其具有从其侧面伸出的接收器(receptacle)81。防护装置79具有合适的宽度以紧密配合在较宽的通道段D内，其还可具有一个或多个如上所述的孔74。防护装置79可由任何合适的材料制成。本发明的防护装置72，79可制成平滑的(即平的)结构或者按照需要制成成圆形的表面，并且可由本领域所公知的合适的材料(如金属、塑料、合成化合物、复合材料)制成。
图21示出了配置有一对本发明的轴向换能器30的实施例(参见图11(B))的管体13。该实施例具有换能器30、凹槽70、图16-20所述的防护装置72、79。一组专用的防护装置72滑入凹槽70以覆盖上述的换能器(多个换能器)30。通过图20所示的防护装置79避免了每套防护装置72滑出凹槽70。利用紧固件(如螺栓、铆钉)，防护装置79被紧固在管体13上，所述的紧固件穿过插座81而插入到管体上形成的合适的孔中(参见图17的标记87)。
不像常规的声换能器(如油补偿换能器)，所公开的换能器30的紧凑和集成的结构使得它们能够利用各种本领域所公知的方式被安装并保持在管体内。例如当应用在电缆测井仪器或者其它磨损不是重要的因素的应用中时，换能器30可简单地用合适的复合材料封入仪器的空腔中(未示出)。
组装本发明的换能器的实施例的方法包括将一声换能器元件设置在这里所述的框架装置上。然后，将适于数字化与换能器元件相关的信号的电子模块设置在框架装置上并连接到声换能器元件上。之后，利用密封部件覆盖换能器元件和电子模块以形成无液体组件。
图22示出了本发明的另一实施例。该实施例具有图10所示的杯型换能器30。换能器30被安装在设置在穿透地层的井眼12内的井下测井仪器90中。换能器30被设置在使换能器元件36暴露于井眼的位置。测井仪器90还包括一组适于地下测量的多轴电磁天线91和具有合适电路的电子仪器92，93。所示出的是通过电缆测井系统中的测井电缆95或者随钻系统中的钻柱95，测井仪器90被支承在井眼12内。在电缆测井应用中，通过绞车97而使测井仪器90在井眼12内进行提升或下放，所述的绞车由地面装置98控制。测井电缆或钻柱95具有将井下电子仪器92，93与地面装置98连接起来以进行信号和控制通讯的导线99。可选择地是，这些信号可被处理或者记录在仪器90内，所处理的数据被传送到地面装置98，这是本领域所公知的。可使用各种公知的技术将本发明的换能器安装在常规的井下测井仪器中。由于所述的电子模块/多路转换器可拖动长电缆，所以从本发明的换能器引出的电导线可按照需要进行布置。常规的电子仪器、连接部件(如光缆)、以及连接器可用于实施本领域所公知的测量和通讯装置内的所公开的换能器实施例。
本领域的普通技术人员可以理解，本发明可用于和实施在任何使用声换能器的领域；其不局限于地下应用。还应该明白，所公开的换能器不局限于任何特定频率或频率范围内的作业。