稀土超磁致伸縮聲波測井換能器可行性研究

周文強　謝觀福　鄧衛平

【摘? 要】目前油井液面深度的測量主要是通過回聲法進行的，當油井套管氣壓力較低或無壓力時，需采用壓縮氣體進行充氣擊發，存在聲波能量不足、需要定期維護和可靠性差等問題，無法滿足長期自動監測的要求。通過對稀土超磁致伸縮材料特性和應用情況的分析，該材料具有應變大、能量轉換密度高、聲速低等優點，適用于制作低頻寬帶換能器，用于油井環空液面深度監測是具有可行性的。

【關鍵詞】稀土超磁致伸縮;換能器;油井環空液面

1 引言

目前油井液面自動監測產品對于高壓油井，采用套管氣向外釋放的方式發聲。對于低壓或無壓井，需要采用高壓氮氣瓶或電動打氣泵壓縮氣體向井內瞬間注入高壓氣體從而產生次聲波的方法。由于氮氣瓶容量有限無法滿足長期自動監測;采用電動打氣泵壓縮空氣進行充氣擊發，存在安全隱患，并且電動打氣泵長期工作可靠性不高。本文從稀土超磁致伸縮材料的特性和與傳統聲波換能器的對比，對稀土超磁致伸縮聲波測井換能器進行可行性分析與研究。

2 稀土超磁致伸縮材料的特性及應用

目前，稀土超磁致伸縮材料已被廣泛應用于各種尖端技術和軍事技術中，對高新技術產業及傳統產業的現代化產生了重要的作用。近年來，國外發達國家在這方面的工藝研究已基本完成，開始向商品化的階段過渡，現已開發出上千種應用器件。我國在稀土超磁致伸縮材料上的研究始于二十世紀90年代初，至今已取得一定成果，理論研究已達到或接近國外先進水平，但在規模化生產、產品應用與開發等方面與國外仍有明顯差距。

2.1 稀土超磁致伸縮材料的特性

稀土超磁致伸縮材料也稱為Terfenol-D，由高純稀土金屬鋱、鏑以及高純鐵經過冶煉成為合金，經過定向結晶后制成晶粒取向的棒狀材料。

稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D、一般磁致伸縮材料 Ni 和壓電材料PZT的物理性能[1，2]。從磁彈性性能上看，稀土超磁致伸縮材料Terfenol-D相對于一般磁致伸縮材料Ni和壓電材料PZT具有巨大優勢。巨大的磁致伸縮應變系數、能量轉換密度非常之高，是傳統鎳材料的四百至五百倍，比壓電材料提高了十至二十五倍，意味著同樣條件下，能夠實現更大功率的發射;從聲學力學性能上看，低聲速、低楊氏模量意味著同樣體積下，

Terfeno l-D有著更低的諧振頻率，有助于實現換能器的低頻工作。

2.2 稀土超磁致伸縮材料的應用

由于磁致伸縮磁材料的長度可隨外磁場的交變而反復伸長和縮短，產生機械波，因而能夠實現電磁能與機械能、聲能之間的轉換，稀土超磁致伸縮材料被廣泛應用于功率電—聲換能器。

功率電—聲換能器主要用于軍事技術、海洋探測與開發、海洋工程的水聲聲納。以前聲納的水聲發射換能器主要用壓電陶瓷材料（PZT）來制造，這種材料制造的水聲換能器的頻率較高（20kHz以上）、衰減快、傳播距離短，同時發射功率小、體積大、笨重。隨著艦艇隱身技術的發展，現代艦艇可吸收頻率在3kHz以上的聲波，起到隱身的作用。而用稀土超磁致伸縮材料制造的換能器其能量密度為壓電換能器的10倍，工作距離超過104km，是壓電換能器的幾十倍，所以各發達國家都正在大力開發用稀土超磁致伸縮材料制造的低頻（頻率為幾十至2kHz），大功率（聲源級約220dB）的水聲換能器，低頻可打破敵方艦艇的隱身技術，大功率可探測更遠距離的目標;同時由于體積小，重量輕，可提高艦艇的作戰能力[3]。

此外，稀土超磁致伸縮材料還被用于地質科學與工程的陸地聲納，其功率達數千瓦，是壓電換能器最大功率的十倍。稀土超磁致伸縮材料電聲換能器用于波動采油，可提高油井的產油量達20%～100%[4]。

3.聲波測井換能器可行性分析

用于探測地質結構的陸地聲吶可以提供瞬間大功率（超過2000瓦）輸出，其工作方式是瞬間放電，產生脈沖信號。與目前測試油井環空液面用的氣動式發聲裝置工作方式類似。陸地聲吶用于工程地質勘探，工作頻率為中頻段（幾百赫茲到幾千赫茲），由于油井液面測試聲波的有效頻段為50Hz以下，因此陸地聲吶不能直接應用于油井液面測試。但這些換能器的成功開發和應用為聲波測井換能器的開發提供了很好的研發思路。如果將換能器的工作頻率降低，再結合瞬間放電的千瓦級以上大功率，將可能達到測井的次聲波大聲強要求。

3.1 電聲源油井液面測試

電聲源液面測試系統利用電能產生聲波機械能，不依賴于井內是否有套壓，且井內氣體不外泄、不需外接氣源，是實現油井液面長期自動監測最好的解決方案。為此，選用普通電動30W喇叭，在模擬井無壓狀態下進行測試，測試波形如圖1所示。模擬井井底深度為89.6米，從曲線中可以清晰的分辨出第8次井底反射波，在無壓狀態下測深可以達700米。但是由于普通喇叭聲波頻率高、聲波能量低，導致測深能力不足，且紙盆喇叭易損壞，抗干擾能力低等問題無法解決，無法實現工程應用。

3.2 聲波測井換能器所需能量分析

針對30瓦喇叭有效傳輸700米來對所需要在真實油井深度測試中需要的聲功率進行一些初步計算，聲波衰減公式為：

………………（1）

其中，W—聲功率;

J——傳播r距離后的聲強;

Ω——揚聲器發聲板形狀因子;

r——傳播距離;

δ——吸收系數。

設30瓦喇叭發聲后有效傳播1400米的初始值為W1，r1，J1，Ω1，1;稀土超磁致伸縮換能器發聲后有效傳播6000米的值為W2，r2，J2，Ω2，2。同樣的介質中衰減系數相同，發聲板形狀因子Ω相同，傳播有效距離后聲強J相同，則有：

其中根據數據和計算得到的=6.25E-06，最終得到W2/W1≈73。假設揚聲器換能效率相同，已知產生W1聲功率的喇叭功率為30瓦，則產生W2聲功率的換能器功率為：30×73=2190瓦。從上述分析可以看出：普通喇叭遠遠不足以達到3000米深低壓或無壓井的測井要求，設計和制作大功率的聲波換能器成為解決該問題的可能。

4 結論

本文從稀土超磁致伸縮材料的特性，稀土超磁致伸縮換能器的應用現狀，結合普通喇叭在氣體介質中測深試驗的結果分析，稀土超磁致伸縮聲波測井換能器是具有可行性的。在保證輸出能量的前提下，特別適合于低壓和無壓井，而這正是全自動油井井深測量全自動化和無人值守工作需要重點解決的問題，因而意義重大，具有重大的技術進步和經濟效益。

參考文獻：

[1]谷東光. 超磁致伸縮換能器的磁場和溫度場分析及結構設計[D]. 河北工業大學，2012.

[2]李素珍. 稀土超磁致伸縮材料與器件發展現狀[J]. 稀土信息，2005，（04）：28-29.

[3]李擴社，徐靜，楊紅川，袁永強，徐建林，于敦波，張深根，稀土超磁致伸縮材料發展概況[J]，稀土，2004，04：51-56