本发明属于石油工程服务测井装备领域，涉及石油测井中随钻多极子声波成像测井仪，具体为随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器及其工作方法。
背景技术：
随钻声波测井的主要任务是在钻井过程中通过仪器实时、有效获得各种地层纵、横波信息，并通过这些信息进行岩石力学参数计算、地层空隙压力预测、地层模型修正、钻井计划优化等工作。在现有随钻声波测井仪发射换能器仅仅具有单极子发射功能，使仪器只适用于快速地层中纵波时差测量，不利于在各种地层中有效获取纵、横波时差及全波列信息。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器及其工作方法，有效激发地层纵、横波，达到随钻多极子声波测井的目的。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，包括四个发射换能器，发射换能器包括发射换能器外盖板(1)、压电陶瓷换能器(5)和发射换能器内盖板(6)；
发射换能器外盖板(1)、压电陶瓷换能器(5)和发射换能器内盖板(6)的横截面形状均为圆弧形，且发射换能器外盖板(1)、压电陶瓷换能器(5)和发射换能器内盖板(6)同轴设置；
发射换能器外盖板(1)内侧设置有换能器安装槽，压电陶瓷换能器(5)安装在换能器安装槽内，发射换能器内盖板(6)设置在发射换能器外盖板(1)的内侧且与发射换能器外盖板(1)固定连接；发射换能器外盖板(1)在压电陶瓷换能器(5)的安装位置处开设有多个通孔；
四个发射换能器沿周向排列连接在一起，形成呈筒状结构的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器。
优选的，发射换能器外盖板(1)上设置有导线槽，压电陶瓷换能器(5)的引线从导线槽内引出。
优选的，压电陶瓷换能器(5)为压电陶瓷换能器晶体采用环氧树脂密封包裹得到。
优选的，压电陶瓷换能器(5)的一端安装有第一保护套(8)，另一端安装有第二保护套(4)。
进一步的，换能器安装槽的一端侧壁与第二保护套(4)之间安装有第二垫片(2)和弹性垫片(3)，第二垫片(2)与换能器安装槽的侧壁接触，弹性垫片(3)与第二保护套(4)接触；换能器安装槽的另一端侧壁与第一保护套(8)之间安装第一垫片(9)和调整垫片(10)，调整垫片(10)与换能器安装槽的侧壁接触，第一垫片(9)与第一保护套(8)接触。
进一步的，弹性垫片(3)沿径向的横截面为回字形，且整体呈圆弧形，弹性垫片(3)沿轴向的纵截面呈波浪形。
优选的，通孔的面积之和大于压电陶瓷换能器(5)中压电陶瓷换能器晶体外圆表面面积的一半。
优选的，发射换能器内盖板(6)内侧设置有衬板安装槽，衬板安装槽内设置有铅质衬板(7)，铅质衬板(7)的横截面形状为圆弧形，且铅质衬板(7)与发射换能器内盖板(6)同轴设置，质衬板(7)与压电陶瓷换能器(5)的位置对应。
优选的，发射换能器外盖板(1)和发射换能器内盖板(6)的弧度相同。
所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器的工作方法，采用单极子工作模式：在同一时刻四个发射换能器同相位工作；
或者，采用四极子工作模式：在同一时刻四个发射换能器中相邻的两个发射换能器反相位工作，相对的两个发射换能器同相位工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过将4个相同的发射换能器来构成随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，在随钻声波测井施工中，通过控制相邻两个发射换能器的工作相位可以实现单极子辐射功能和四极子辐射功能，当相邻的两个发射换能器工作在相同相位的情况时，实现单极子辐射功能；当相邻两个发射换能器工作在相反相位情况时，实现四极子辐射功能。在仪器实际工作中，单极子辐射与四极子辐射交替进行，可以有效激发地层纵、横波，达到随钻多极子声波测井的目的。
进一步的，在压电陶瓷换能器有引线一端与上盖板上端头之间设置第一垫片，在第一垫片与压电陶瓷换能器之间设置弹性垫片；在非引线一端与上盖板下端头之间设置第二垫片，在第二垫片与压电陶瓷换能器之间设置调整垫片，一直使压电陶瓷换能器在上盖板内处于居中的位置。一方面可以起到固定压电陶瓷换能器的作用，另一方面，又不会将压电陶瓷换能器钳定，使其在一定范围内处于自由运动状态。
进一步的，弹性垫片沿径向的横截面为回字形，且整体呈圆弧形，弹性垫片沿轴向的纵截面呈波浪形，这种结构能够最大限度的保证弹性垫片的一致性，且尽量减小与压电陶瓷换能器的接触面积，保证压电陶瓷换能器不处于钳定状态。
进一步的，铅声阻抗较大，为强声衰减物质，铅质衬板能够有效衰减换能器发射时贴近钻铤一侧的声能量，从而减少声波信号沿钻铤的传播。
附图说明
图1：是本发明所述的组合后单极子工作模式示意图；
图2：是本发明所述的组合后四极子工作模式示意图；
图中箭头表示振动相位状态，箭头方向相同表示振动相位方向相同、箭头方向相反表示振动相位相反。
图3：是本发明所述的单个发射换能器沿轴向的剖视图；
图4：是本发明所述的单个发射换能器沿径向的剖视图，即图3中p-p方向剖视图；
图5：是本发明所述的单个发射换能器沿径向的剖视图，即图3中q-q方向剖视图；
图6：是本发明第一保护套示意图；(a)为主视图，(b)为俯视图；
图7：是本发明第二保护套示意图；(a)为主视图，(b)为俯视图；
图8：是本发明调整垫片示意图；(a)为主视图，(b)为俯视图；
图9：是本发明弹性垫片示意图；(a)为沿轴向的剖面图，(b)为沿径向的剖面图；
图10：是本发明发射换能器外盖板示意图；
图11：是本发明发射换能器内盖板示意图；
图12：是本发明铅质衬板示意图；
图中：发射换能器外盖板1、第二垫片2、弹性垫片3、第二保护套4、压电陶瓷换能器5、发射换能器内盖板6、铅质衬板7、第一保护套8、第一垫片9、调整垫片10、铅质填充套11、m4×12内六角圆柱头螺钉12。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图3所示，本发明所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，由四个完全相同的发射换能器组合而成，单个发射换能器包括发射换能器外盖板1、第二垫片2、弹性垫片3、第二保护套4、压电陶瓷换能器5、发射换能器内盖板6、铅质衬板7、第一保护套8、第一垫片9、调整垫片10、m4×12内六角圆柱头螺钉12。
如图5、图10和图11所示，发射换能器外盖板1和发射换能器内盖板6的横截面均呈圆弧形，两者同轴设置且弧度相同。所述的压电陶瓷换能器5是采用环氧树脂密封包裹的压电陶瓷换能器晶体，其形状为圆弧形，其弧度与发射换能器外盖板1、发射换能器内盖板6的弧度相同，且压电陶瓷换能器5与发射换能器外盖板1和发射换能器内盖板6同轴设置。如图3所示，发射换能器外盖板1内侧设置有换能器安装槽，压电陶瓷换能器5安装在换能器安装槽内，且压电陶瓷换能器5的一端安装第一保护套8，另一端安装第二保护套4。第一保护套8和第二保护套4的材质为氢化丁腈。第一保护套8和第二保护套4的结构分别如图6和图7所示，均为圆弧形结构。
如图3所示，换能器安装槽的一端侧壁与第二保护套4之间安装第二垫片2和弹性垫片3，第二垫片2与换能器安装槽的侧壁接触，弹性垫片3与第二保护套4接触。换能器安装槽的另一端侧壁与第一保护套8之间安装第一垫片9和调整垫片10，调整垫片10与换能器安装槽的侧壁接触，第一垫片9与第一保护套8接触。调整垫片10的结构示意图如图8所示，为圆弧形结构。
如图9所示，弹性垫片3弹性垫片沿径向的横截面为回字形，且整体呈圆弧形，弹性垫片沿轴向的纵截面呈波浪形，这种结构能够最大限度的保证弹性垫片的一致性，且尽量减小与压电陶瓷换能器的接触面积，保证压电陶瓷换能器不处于钳定状态。
发射换能器外盖板1上设置有导线槽，压电陶瓷换能器5的引线从导线槽内引出。
所述发射换能器外盖板1在压电陶瓷换能器5的安装位置处即换能器安装槽的底部加工有多个通孔，通孔的面积之和大于压电陶瓷换能器晶体外圆表面面积的一半，使压电陶瓷换能器5的声波能向外发送出去。
所述第一垫片9、第二垫片2、调整垫片10与弹性垫片3配合使用，使压电陶瓷换能器5在发射换能器外盖板1的换能器安装槽内处于居中位置，弹性垫片3安装在有导线槽的一端，安装后保证压电陶瓷换能器5在发射换能器外盖板1内不会发生纵向移动。第一垫片9、第二垫片2和调整垫片10的材料为ocr17ni4cu4nb，弹性垫片3的材料为ocr17ni7a1。
如图12所示，所述铅质衬板7沿径向的横截面形状为圆弧形，其弧度与发射换能器内盖板6的弧度相同，且与发射换能器内盖板6同轴设置。发射换能器内盖板6内侧设置有衬板安装槽，铅质衬板7的尺寸与衬板安装槽的尺寸配合，铅质衬板7安装在衬板安装槽内，铅质衬板7安装好后和发射换能器内盖板6形成一个整体。铅质衬板7与压电陶瓷换能器5的位置对应，铅声阻抗较大，为强声衰减物质，铅质衬板能够有效衰减换能器发射时贴近钻铤一侧的声能量，从而减少声波信号沿钻铤的传播。
发射换能器内盖板6用m4×12内六角圆柱头螺钉12与发射换能器外盖板1连接成一个整体，发射换能器内盖板6位于发射换能器外盖板1的内侧，形成一个发射换能器。
多片相同的发射换能器沿周向排列组合形成筒状结构，即一个完整的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器。
本发明所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器的安装方式包括如下步骤：
1.将第一保护套8和第二保护套4安装在用环氧树脂密封好的压电陶瓷换能器5两端；
2.将安装好保护套的用环氧树脂密封的压电陶瓷换能器5安装到发射换能器外盖板1的换能器安装槽内，将压电陶瓷换能器5的引线从导线槽内引出；
3.将第一垫片9、第二垫片2和调整垫片10安装至安装好保护套的用环氧树脂密封的压电陶瓷换能器5两端，保证用环氧树脂密封的压电陶瓷换能器5在发射换能器外盖板1内居中，同时安装弹性垫片3从而保证发射换能器在发射换能器外盖板1槽内不会产生纵向移动。
4.将安装好铅质衬板7的发射换能器内盖板6用m4×12内六角圆柱头螺钉固定在发射换能器外盖板1形成完整的随钻多极子声波成像测井仪发射换能器。
5.将多片相同的发射换能器沿周向排列组合形成完整的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，组合后的多极发射换能器呈圆筒状，组合后多极发射换能器外切圆的直径范围171～178mm。
将调试好的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器用安装了铅质填充套11的m8×24的螺栓固定在钻铤上随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器安装槽内，如图4所示。铅质填充套能降低声波沿螺栓向钻铤的传播。
对本发明的多极发射换能器进行测试，其工作频率峰值、带宽、发射能量均一致，满足实际使用要求。
本发明的多极发射换能器可采用两种工作模式：
1.单极子工作模式：在同一时刻4个发射换能器同相位工作，等效为一个圆管振动，工作带宽为1khz～20khz，工作频率峰值为13khz；如图1所示。
2.四极子工作模式：在同一时刻4个发射换能器中相邻的两个发射换能器反相位工作，相对的两个发射换能器同相位工作，工作带宽1.5khz～20khz，工作频率峰值为3.5khz，如图2所示。
1.一种随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，包括四个发射换能器，发射换能器包括发射换能器外盖板(1)、压电陶瓷换能器(5)和发射换能器内盖板(6)；
发射换能器外盖板(1)、压电陶瓷换能器(5)和发射换能器内盖板(6)的横截面形状均为圆弧形，且发射换能器外盖板(1)、压电陶瓷换能器(5)和发射换能器内盖板(6)同轴设置；
发射换能器外盖板(1)内侧设置有换能器安装槽，压电陶瓷换能器(5)安装在换能器安装槽内，发射换能器内盖板(6)设置在发射换能器外盖板(1)的内侧且与发射换能器外盖板(1)固定连接；发射换能器外盖板(1)在压电陶瓷换能器(5)的安装位置处开设有多个通孔；
四个发射换能器沿周向排列连接在一起，形成呈筒状结构的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器。
2.根据权利要求1所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，发射换能器外盖板(1)上设置有导线槽，压电陶瓷换能器(5)的引线从导线槽内引出。
3.根据权利要求1所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，压电陶瓷换能器(5)为压电陶瓷换能器晶体采用环氧树脂密封包裹得到。
4.根据权利要求1所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，压电陶瓷换能器(5)的一端安装有第一保护套(8)，另一端安装有第二保护套(4)。
5.根据权利要求4所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，换能器安装槽的一端侧壁与第二保护套(4)之间安装有第二垫片(2)和弹性垫片(3)，第二垫片(2)与换能器安装槽的侧壁接触，弹性垫片(3)与第二保护套(4)接触；换能器安装槽的另一端侧壁与第一保护套(8)之间安装第一垫片(9)和调整垫片(10)，调整垫片(10)与换能器安装槽的侧壁接触，第一垫片(9)与第一保护套(8)接触。
6.根据权利要求5所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，弹性垫片(3)沿径向的横截面为回字形，且整体呈圆弧形，弹性垫片(3)沿轴向的纵截面呈波浪形。
7.根据权利要求1所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，通孔的面积之和大于压电陶瓷换能器(5)中压电陶瓷换能器晶体外圆表面面积的一半。
8.根据权利要求1所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，发射换能器内盖板(6)内侧设置有衬板安装槽，衬板安装槽内设置有铅质衬板(7)，铅质衬板(7)的横截面形状为圆弧形，且铅质衬板(7)与发射换能器内盖板(6)同轴设置，质衬板(7)与压电陶瓷换能器(5)的位置对应。
9.根据权利要求1所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器，其特征在于，发射换能器外盖板(1)和发射换能器内盖板(6)的弧度相同。
10.权利要求1所述的随钻多极子声波成像测井仪多极发射换能器的工作方法，其特征在于，采用单极子工作模式：在同一时刻四个发射换能器同相位工作；
或者，采用四极子工作模式：在同一时刻四个发射换能器中相邻的两个发射换能器反相位工作，相对的两个发射换能器同相位工作。
技术总结