随钻数据声波遥传低频大功率超磁致伸缩换能器中的关键问题研究

Using the low-frequency elastic wave propagating along the drilling string system as a carrier, Logging While Drilling（LWD）acoustic telemetry technology is a new data telemetry technology which can transfer the measured data from oil well to the ground. As an important component to generate elastic wave, the designing of low frequency and high power transducer is the key problem which should be solved in the development of the LWD acoustic telemetry technology. Giant magnetostrictive material is the first choice to make low-frequency and high-power transducer because of excellent performance. The excitation coil heating of transducer，the magnetic hysteresis and the increasing temperature and pressure as increasing the depth of the well，All these elements may lead to a serious decline of the performance of transducers, it will increase the error rate and lower the data transmission rate. Under the condition of different prestress and external magnetic field, studying the giant magnetostrictive material’s mechanical and magnetic parameters changing with temperature and pressure could provide Important basic data for the computer design and analysis magnetostrictive transducer with finite element method, and also help to reveal the reason of temperature and pressure could affect the performance of giant magnetostrictive transducer, It is great significance for construction the method of regulation and control transducer performance, reducing the influence of temperature and pressure on the transducer working performance and development of high performance、low-frequency and high-power giant magnetostrictive transducer, and also providing technical support for development the equipment of LWD with independent intellectual property rights。

随钻数据声波遥传技术是利用沿钻柱系统传播的低频弹性波为载波，将测量数据实时传输到地面的一种新的数据遥传技术。低频大功率换能器作为激发弹性波的重要器件，它的研制是随钻数据声波遥传技术开发需要首先解决的关键问题之一。超磁致伸缩材料因其优异的性能是制作低频大功率换能器的首选材料，因激励线圈发热、超磁致伸缩材料的磁损耗以及随着井深的增加，换能器工作环境的温度和压力不断升高，会严重影响换能器的工作性能，导致声波遥传技术的误码率上升，降低了数据传输速率。研究不同预应力和外磁场条件下超磁致伸缩材料的力学及磁学参数随温度、压力的变化规律，可为有限元法超磁致伸缩材料换能器的设计、分析提供重要基础数据，也有助于揭示温度、压力对换能器性能的影响机制，对构建换能器工作性能调控方法、降低温度、压力对换能器工作性能影响，研制高性能低频大功率超磁致伸缩换能器具有重要意义，并为开发具有自主知识产权的随钻测井装备提供支持。

随钻数据声波遥传技术是利用沿周期性钻柱系统传播的低频弹性波为载波，将测量数据实时传输到地面的一种新的遥传技术。低频大功率换能器作为激发弹性波的重要器件，它的研制是随钻数据声波遥传技术开发需要首先解决的关键问题之一。随着井深的增加，换能器工作环境的温度和压力不断升高，严重影响换能器的工作性能，导致声波遥传技术的误码率上升，降低数据传输速率。本课题在构建一套测量超磁致伸缩材料的力学及磁学参数随温度、压力的变化规律的实验装置的基础上，实验测试了在不同压力、不同温度下磁致伸缩材料的磁致伸缩曲线、磁化曲线和声波传播速度，通过对磁致伸缩曲线、磁化曲线求导的方法得到了磁致伸缩材料的磁学参数随温度、压力的变化规律，基于克里斯托菲尔方程得到了磁致伸缩材料的弹性常数随温度、压力的变化规律，为有限元法超磁致伸缩材料换能器的设计、分析提供重要基础数据。实验测量结果表明磁致伸缩材料的磁化率与压力、温度无关；随着压力增加或温度的升高，磁致伸缩材料的磁致伸缩系数都会减小，但温度的升高会导致磁致伸缩系数有较大幅度减小，磁致伸缩应力常数随温度升高出现较大幅度减小，压力的增大对磁致伸缩应力常数的影响较小；磁致伸缩材料的弹性常数随着压力的增大而增大，除弹性常数C13随温度升高而有所增大外（但C13增加幅度很小），其余弹性常数都随着温度的升高而降低。在利用有限元法对多层叠片组成的换能器磁路优化设计的基础上，设计制作了夹心式磁致伸缩材料换能器样机，给出了换能器设计方案流程，并实验测试了换能器的谐振频率、加速度振幅与温度的关系。实际中因多层叠片加工精度及装配工艺的限制，多层叠片之间存在空气间隙，从而导致磁致伸缩材料中的偏置磁场降低，所以有限元法模拟得到的换能器谐振频率与实际测量值之间存在一定偏差，如何测试实际磁路中磁致伸缩材料中的磁场大小是进一步从理论、实验上需要解决的问题，才能揭示温度、压力对换能器性能的影响机制。