Page 162 - 《应用声学》2023年第2期

350 2023 年 3 月

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0 引言
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偶极子声波测井除实现对常规地层纵横波波
速测量功能以外，还可以用于慢地层横波波速测量，
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并且正交的两组偶极源还可以实现对地层各向异
性的评价，自20世纪六七十年代提出以来就受到广 图 1 三叠片振子结构示意图
泛的关注而得到极大的发展 [1] ，成为当今声波测井 Fig. 1 Diagram of trilaminar bender
的研究前沿。目前该技术已成功应用于岩性力学参
三叠片振子在高温下粘接机理及脱粘问题的
数计算、岩性的识别、气层的识别、判断裂缝发育
探讨是解答如何提高工作温度的关键，本节分别从
井段、类型及区域有效性、地层各向异性分析、地
制作材料及制作工艺两个方面进行讨论。
应力参数计算、井眼稳定性分析、远距离地质异常
体探测等领域 [2] 。近年来，随着我国新疆盆地、四 1.1 制作材料选择
川盆地及南中国海等油田区块勘探开发的持续推 制作三叠片振子需要用到的主要材料有压电
进，钻井深度已经越来越深，如塔里木盆地顺托地 陶瓷、基片和胶黏剂等，本文重点探讨高温三叠片
区特深层勘探油藏埋深超过7300 m；四川盆地元坝 振子制作的材料选择思路。
气田埋深超过 7000 m；海上油气勘探垂直深度也 1.1.1 耐高温压电陶瓷
逐渐加深。随着目标区块钻探深度的增加，井下环
PZT 系列压电陶瓷具有机电转换效率高、不
境温度也越来越高。以南中国海莺琼盆地海相油气
需要直流偏置等优点，在声波测井中得到广泛的
田为例，井下温度已经达到 200 C，超过目前现场
◦
应用。目前测井中应用最广的压电陶瓷材料有
主流测井仪器的工作极限温度 175 C，导致许多作
◦
PZT-4和 PZT-5A 两类。其中 PZT-4材料压电常数
业区仪器损坏，甚至到整个区块没有仪器可用的地 −12
d 33 = 289 × 10 C/N，机械损耗因子为 0.4%，一
步，严重影响到我国的能源安全战略。研发耐温达
般用于发射，然而其居里温度只有328 C，工作温度
◦
到 200 C 的偶极子声波测井仪器成为我国的战略
◦
勉强能够达到170 C，不能用于200 C长时间工作。
◦
◦
亟需。 −12
PZT-5A 材料的压电常数 d 33 = 374 × 10 C/N，
偶极子换能器工作温度达不到 200 C 是当前
◦
且居里温度达到 365 C，工作温度可达 185 C，能
◦
◦
高温仪器的主要技术瓶颈之一。近年来，国内外科
短时间在 200 C 工作，但是 PZT-5A 材料的机械损
◦
研工作者在偶极换能器研发方面开展了大量的工
耗因子达到 2.3%，长时间连续工作会积累大量热
作 [3−5] ，但对提高偶极子换能器工作温度方面的研
量，导致粘接层温度过高而脱粘，选用 PZT-5A 时，
究几乎是一片空白。本文从工程实践的角度出发， 三叠片只能采用脉冲激励。近年一些陶瓷厂家以
讨论提高偶极子换能器工作温度的办法，并根据分 PZT-5A 材料为基体，通过掺杂改性，提高材料工作
析设计制作一款耐温达到 200 C 的正交偶极子发 温度的同时降低材料的机械损耗 [6−7] 。
◦
射换能器。
1.1.2 匹配的基片材料
1 高温三叠片研制 粘接问题本质是讨论不同条件下粘接面所承
受的切应力是否在胶黏剂粘接强度范围内。实际工
现用偶极子发射换能器由两组不同尺寸的三 作中，三叠片振子粘接面上的切应力通常由两个部
叠片振子通过螺钉固定在圆柱形安装骨架上，通过 分组成：第一部分是三叠片工作时压电陶瓷片伸缩
对激励电压的控制使相互平行的两对三叠片同向 振动在交界面上产生的切应力，应力带动基片产生
弯曲振动，实现偶极子声波辐射。三叠片振子是偶 弯曲振动，本文中称之为动切应力；第二部分是被粘
极子发射换能器的核心部件，其结构如图 1 所示，由 材料的热胀系数差产生的应变差形成的切应力，本
压电陶瓷 -金属基片 -压电陶瓷层合而成，相邻层之 文中称之为静切应力。为了更直观地描述三叠片粘
间采用胶黏剂粘接。 接问题，本文用示意图对其进行解释，如图2所示。