本发明涉及油井勘探技术领域，具体涉及一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器及其制作方法。
背景技术：
当今世界，石油已成为重要的经济命脉和能源基础，各国都非常注重对石油资源的勘探和开发。在勘探和开发过程中能够及时、准确获得井下重要信息，对于石油开采、探明油层的地质结构、掌握测试油井的状态及保持对资源的可持续利用都有着非常重大的意义。
随着经济的迅猛发展，人们对能源的需求越来越高，石油己成为现代工业的血液和最为重要的战略资源，其勘探和开采自然得到了极大的重视。油田的开发需要大规模的钻井，风险大成本高，且通常井深达几千米。在钻井过程中，需要将所需的井下信息传输到地面的收发设备，进而指导钻井过程的进行。因此，开发高效可靠的信息通讯传输的测井技术，对于钻井工业至关重要，也是长久以来人们特别关注的问题。此外，油田开发进入中后期以后，生产测井技术在检查增产措施和作业效果方面，显示出了特殊的功用。由于受井况地层条件等多种因素的影响，常规的生产测试方法在现场应用中受到一定的限制，加之难以测试的井居多，无法为油藏工程和采油工程提供多方面的资料，造成油井动态生产资料严重缺乏，不能满足油藏综合治理的需要。
目前，在井下采用专门敷设电缆的有线传输方法在油田中得到了广泛应用。这种有缆传输方法要求将电缆和采集井下参数的测井仪器通过油管与套管之间的间隙送入井下进行测量，井下测井仪器将获得的信号经过编码等处理后再通过该敷设电缆传送到地面的接收装置。然而这种有缆传输方法往往需停产后将电缆放到井底，操作复杂、费时费力、耗资巨大，很难满足现代动态监测的要求。而与有线传输相比，声波传输以其成本低、操作方法简单、灵活等优点一直受到石油行业的关注。声波可以用于水下探测、识别、通讯及其环境监测，而且由于受到自然环境条件的限制，与磁、电、光信号相比，声波是目前在水下远距离探测、通讯的最有效物理手段。近年来，随着石油勘探和开采技术的发展，需要在水下通过声波可靠地传输指令、高速地传输数据和图像等等，因此，研制开发油井中的声通讯系统是油田开 发工程中一个重要课题。
众所周知，传输距离与声波的频率成反比，因此，声波的频率越低，传播的距离越远。对于远距离的声波通讯来说，首先需要产生的是低频声波的换能器。在海洋技术领域中，低频换能器的应用已经较为广泛。然而，在石油领域的勘探生产开发中，如何有效地利用声传输进行实时地通讯，目前仍然是人们所面临的一个巨大挑战。原因在于，油田油井中进行声波通讯的低频换能器只能布放在内径为φ6cm～φ8cm的油管内部。这样一来就面临着空间狭小、温度高、压力大等特殊环境的限制，使得常规的低频换能器无法满足其苛刻的要求。例如，弯张型、圆环型和叠片型低频换能器往往会由于尺寸过大、不耐温或耐压过低等限制而无法胜任油井开采时的声波通讯任务。即便是耐压结构的纵向振动换能器，采用常规设计的低频换能器时，依然是无法满足油井中特殊环境的要求，这是因为由金属-压电元件-金属组成的三层结构纵向振动换能器，在放置于狭窄的油管内部时，纵向振动换能器的整体长度会特别长，这就给作为施加预应力的长螺杆带来了加工的困难，而且可靠性大大降低，在大功率工作时还存在着应力拉伸下的断裂性隐患故障；其次是在纵向振动换能器工作状态中，大电压大功率情况下，纵向振动换能器中的压电元件，往往会因为自身的电损耗发热，而常规的三层结构的纵向振动换能器中，压电元件是叠堆在一起的，因此散热就很困难，进而造成发热严重至纵向振动换能器的失效而无法工作；另外一点是油田的油井内往往面临着高温环境，使得常规设计换能器的可靠性大大降低。
技术实现要素：
本发明的目的在于，为了解决油井环境下使用的低频换能器可靠性差的技术问题，提出了一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器及其制作方法，该低频纵向振动换能器实现了在油井狭小内管中的布放，在油井声波通讯中使用的可靠性高。
为实现上述目的，本发明提供的一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器，包括：辐射头和至少两个晶堆模块；所有相邻的两个晶堆模块之间首尾相接，并通过接通电源正、负极后产生纵向振动的低频声波；所述的辐射头固定于纵向振动换能器的前端，用于输出晶堆模块产生的低频声波。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的晶堆模块包括：若干压电陶瓷圆环片、若干金属钢环、连接端块、压紧端块、预应力螺杆和绝缘套管；所述的压电陶瓷圆环片与金属钢环交错叠放在一起后，套设于绝缘套管上，并使得任意相邻的两个压电陶瓷圆环片之间同极相对，使得每个金属钢环接通与其相邻的两个压电陶瓷圆环 片极性相同的电压，每个金属钢环均通过引线与其极性相同且相邻的金属钢环串联在一起，所述的预应力螺杆穿设于绝缘套管内，所述的连接端块和压紧端块分别固定于晶堆模块的两端。
作为上述技术方案的进一步改进，所有相邻的两个晶堆模块之间均通过连接螺母固定，所述的连接螺母通过螺纹禁锢于其中一个晶堆模块的连接端块和另一个晶堆模块的压紧端块之间。
作为上述技术方案的进一步改进，还包括后负载；所述的后负载固定于纵向振动换能器的后端，用于调节晶堆模块的振动频率，并降低超声波向纵向振动换能器的后端输出。
作为上述技术方案的进一步改进，所述的后负载的末端设有插座，所述的插座与后负载呈一体结构，用于将晶堆模块与电源接通。
本发明还提供了一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器的制作方法，包括：
步骤1)清洗纵向振动换能器中的各元器件，以去除油污；
步骤2)检测压电陶瓷圆环片径向谐振频率、电容和压电常数，并标明正、负极；
步骤3)在晶堆模块叠堆时，将压电陶瓷圆环片与金属钢环交错叠放在一起后，套设于绝缘套管上，并使得任意相邻的两个压电陶瓷圆环片之间同极相对，使得每个金属钢环接通与其相邻的两个压电陶瓷圆环片极性相同的电压，每个金属钢环均通过引线与其极性相同且相邻的金属钢环串联在一起后，引出正极的导线和负极的导线；
步骤4)将预应力螺杆穿设于绝缘套管内，在预加力装置中施加应力压紧晶堆模块后，用预应力螺栓拧紧后，将连接端块和压紧端块分别固定于晶堆模块的两端；
步骤5)将所有相邻的两个晶堆模块之间均通过连接螺母固定，所述的连接螺母通过螺纹紧固于其中一个晶堆模块的连接端块和另一个晶堆模块的压紧端块之间；
步骤6)将辐射头和后负载分别固定于纵向振动换能器的前端和后端，并将步骤3)中引出的两根导线与插座相连后，再将插座用螺母固定在后负载的末端。
本发明的上述低频纵向振动换能器是把金属-压电元件堆-金属的常规三层结构，修改成压电元件与金属结构部件交替叠堆的多层结构形式。由于传统的压电元件堆是由多个相同的压电晶片并联组合而成的，这种级联方式可以形成由多片压电晶片振动的合力，从而达到输出大的声功率的目的。因此，压电元件堆在叠放的过程中，每相邻的两片压电晶片之间的极化方向应该相反，对此，本发明中的晶堆模块在叠堆的过程中，当确定第一片压电陶瓷圆环片的极化方向正极朝上负极朝下时，此时 负极直接与辐射头在电学上相通，并且最后一片的负极与后负载在电学上也相通。
本发明中的晶堆模块利用多层结构形式，采用在压电元件之间的金属作为电极，并利用引线采用硬连接方式直接固定实现电连接，采用模块化的形式来组成整体阵元，先进行各分晶堆模块的组装，然后再串联组装成整体阵元。
本发明的一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器及其制作方法的优点在于：
本发明的低频纵向振动换能器采用模块化设计，使得操作的简便性和装配的可靠性大大提高，有效地解决了单一细长预应力螺杆带来的加工困难、装配困难和应用中容易断裂的难题；避免了发热的压电元件全部叠堆在一起，而采用压电元件和金属交替叠堆的形式，由于高传导的金属紧贴于发热的压电元件，可以非常有效地将热量散出；作为电极的金属钢环通过螺钉与引线采用拧压的硬性连接方式进行串联，这样在温度变化时相互之间整体一起实现收缩或膨胀，避免分离脱落的情况出现，大大提高了高温下结构的可靠性；一体化的插座设计，便于现场的连接使用。
附图说明
图1是本发明实施例中的低频纵向振动换能器的结构示意图。
图2是本发明实施例中的低频纵向振动换能器内电极间连线的示意图。
图3是本发明实施例中的引线结构示意图。
图4是本发明实施例中的1khz的纵向振动换能器的阻抗频谱图。
附图标记
1、辐射头2、连接螺杆3、连接端块
4、压电陶瓷圆环片5、金属钢环6、绝缘套管
7、预应力螺杆8、压紧端块9、连接螺母
10、后负载11、插座12、引线
13、引线端头14、晶堆模块
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器及其制作方法进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种用于油井声波通讯的低频纵向振动换能器，包括：辐射头1和至少两个晶堆模块14；所有相邻的两个晶堆模块14之间首尾相接，并通 过接通电源正、负极后产生纵向振动的低频声波；所述的辐射头1固定于纵向振动换能器的前端，用于输出晶堆模块14产生的低频声波。
基于上述结构的低频纵向振动换能器，如图1所示，在本实施例中，所述的晶堆模块14包括：若干压电陶瓷圆环片4、若干金属钢环5、连接端块3、压紧端块8、预应力螺杆7和绝缘套管6；所述的压电陶瓷圆环片4与金属钢环5交错叠放在一起后，套设于绝缘套管6上，并使得任意相邻的两个压电陶瓷圆环片4之间同极相对，使得每个金属钢环5接通与其相邻的两个压电陶瓷圆环片4极性相同的电压，每个金属钢环5均通过引线12(图2所示)与其极性相同且相邻的金属钢环5串联在一起，所述的预应力螺杆7穿设于绝缘套管6内，所述的连接端块3和压紧端块8分别固定于晶堆模块14的两端。所有相邻的两个晶堆模块14之间均通过连接螺母9固定，所述的连接螺母9通过螺纹禁锢于其中一个晶堆模块14的连接端块3和另一个晶堆模块14的压紧端块8之间。
另外，所述的低频纵向振动换能器还包括后负载10；所述的后负载10固定于纵向振动换能器的后端，用于调节晶堆模块14的振动频率，并降低低频声波向纵向振动换能器的后端输出。所述的后负载10的末端可设有插座11，所述的插座11与后负载10呈一体结构，用于将晶堆模块14与电源接通。
参考图1、2、3所示的低频纵向振动换能器，本发明还提供了该低频纵向振动换能器的制作方法，具体包括如下步骤：
步骤1)清洗纵向振动换能器中的各元器件，以去除油污；
步骤2)检测压电陶瓷圆环片4径向谐振频率、电容和压电常数，并标明正、负极；
步骤3)在晶堆模块14叠堆时，将压电陶瓷圆环片4与金属钢环5交错叠放在一起后，套设于绝缘套管6上，并使得任意相邻的两个压电陶瓷圆环片4之间同极相对，使得每个金属钢环5接通与其相邻的两个压电陶瓷圆环片4极性相同的电压，每个金属钢环5均通过引线12与其极性相同且相邻的金属钢环5串联在一起后，引出正极的导线和负极的导线；
步骤4)将预应力螺杆7穿设于绝缘套管6内，在预加力装置中施加应力压紧晶堆模块14后，用预应力螺栓7拧紧后，将连接端块3和压紧端块8分别固定于晶堆模块14的两端；
步骤5)将所有相邻的两个晶堆模块14之间均通过连接螺母9固定，所述的连接螺母9通过螺纹紧固于其中一个晶堆模块14的连接端块3和另一个晶堆模块(14)的压紧端块8之间；
步骤6)将辐射头1和后负载10分别固定于纵向振动换能器的前端和后端，并将步骤3)中引出的两根导线与插座11相连后，再将插座11用螺母固定在后负载10的末端。
本发明的上述低频纵向振动换能器主要是以压电陶瓷圆环片为基本压电元件构成的一种新型结构的换能器，其多层叠堆的结构是实现本发明的关键技术之一。下面对低频1khz的换能器的设计及其制作方法进行详细的阐述。
用有限元方法按照本发明的特殊结构设计1khz的低频纵向振动换能器，整个换能器总长为2.01m，它的结构参考图1、2和3所示。该换能器各部件相应的尺寸为：前端的辐射头1为钛合金材质制成，尺寸为φ50×350mm，连接螺杆2为不锈钢材质制成，尺寸为m10×15mm；压电陶瓷圆环片4为硬性p8材料制成，尺寸为φ40×φ15×5mm；两个晶堆模块14中金属钢环5和压电陶瓷圆环片4的数量均为26片；金属钢环5为镀镍的普通a3钢制成，尺寸为φ40×φ15×20mm；绝缘套管6为聚四氟材质制成，尺寸为外径φ15mm，内径12mm；预应力螺杆7为不锈钢材质制成，杆身尺寸为m12×660mm；压紧端块8为镀镍的普通a3材质制成，尺寸为φ40×35mm；连接螺母9为不锈钢材质制成，尺寸为m10×15mm；连接端块3为不锈钢材质制成，尺寸为φ40×25mm；后负载10为镀镍的普通a3钢材质制成，尺寸为φ40×250mm；插座11为耐150℃高温的航空标准插头。各加工部件的端面要求尺寸精密抛光处理，达到平整光滑的要求。
将准备好的各元器件按以下顺序进行装配：
步骤101)清洗各元器件，可以用丙酮溶液清洗压电陶瓷圆环片4和各金属钢环5，以去除油污。
步骤102)检测压电陶瓷圆环片4，要求其径向谐振频率fr为48±0.2khz，电容c0为2.0±0.2nf,压电常数d33大于280pc/n，并标明正、负极。
步骤103)在第一段晶堆模块14和第二段晶堆模块14叠堆时，压电陶瓷圆环片4的安放要注意极性，每相邻的两片压电陶瓷圆环片4的极化方向相反，即在连接端块3上放置第一片压电陶瓷圆环片4时，该压电陶瓷圆环片4朝上的表面为正极，接着叠堆上第一个金属钢环5；然后放置第二片压电陶瓷圆环片4，其朝上的表面为负极，之后叠堆上第二个金属钢环4，形成机械上的串联、电学上并联的结构；依此类推，将连接端块3和所有的26片压电陶瓷圆环片和26个金属钢环依次叠放好后，用套有绝缘套6的预应力螺杆7从压电陶瓷圆环片及金属钢环中间的圆环孔穿上装配好。同理，利用上述装配方法将第二段晶堆模块也装好。
步骤104)将装配好的两段晶堆模块14，在预加力装置中施加15mpa应力压紧 晶堆后，用预应力螺栓7拧紧，并将连接端块3和压紧端块8分别固定于晶堆模块14的两端。
步骤105)利用引线连接晶堆模块的金属钢环，所用引线12的结构如图2所示，其中两个引线端头13分别位于引线12的两侧，相互间距20mm；在第一段晶堆模块14中，其中一个引线端头13用m3螺丝固定在第一块金属钢环5上，另一个引线端头13用m3固定在第三块金属钢环5上，而在该晶堆模块14的另外一侧，则是将第二块金属钢环5和第四块金属钢环5也用引线12的两个引线端头13连接好，依此类推，逐一将所有26个金属钢环5连接好，形成电学上的并联，最终引出正、负两极的导线。
步骤106)将两段晶堆模块之间用连接螺母9相互连接，所述的连接螺母9通过螺纹禁锢于其中一个晶堆模块14的连接端块3和另一个晶堆模块14的压紧端块8之间；前端的辐射头1通过连接螺杆2与第一段晶堆模块14相互连接；后负载10也通过连接螺母9与第二段晶堆模块14相互连接后，最后组装成整体的低频纵向振动换能器。
步骤107)将引出的两根导线与插座11相连后，再将插座11用螺母固定在后负载10的末端即完成了换能器的装配。
如图4所示，利用阻抗分析仪4294对上述实施例中的低频纵向振动换能器进行测试的结果表明，其谐振频率fr为1.02khz,电导g为7.4ms，电容为115.2nf，与设计要求相吻合。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。