Title:
In einem Träger eingebetteter Ultraschallumwandler mit piezoelektrischem Material
Kind Code:
T5
Abstract:

Ein System und ein Bohrlochwerkzeug umfassen einen Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Material, das in einen Träger eingebettet ist, und ein Verfahren zum Bestimmen eines Parameters unter Verwendung des Ultraschallwandlers. Ein Eigenrauschen des Wandlers kann verringert werden, indem das piezoelektrische Material mindestens teilweise in den Träger eingebettet ist. Der Ultraschallwandler kann ein einkapselndes Material beinhalten, das den Träger einkapselt.



Inventors:
Ge, Yao (Singapore, SG)
Mandal, Batakrishna, Tex. (Missouri City, US)
Jin, Jing (Singapore, SG)
Application Number:
DE112016001207T
Filing Date:
04/20/2016
Assignee:
Halliburton Energy Services, Inc. (Tex., Houston, US)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
Fleuchaus & Gallo Partnerschaft mbB, 81369, München, DE
Claims:
1. System, umfassend:
einen Ultraschallwandler, umfassend:
einen Träger; und
ein piezoelektrisches Material, das mindestens teilweise in den Träger
eingebettet ist.

2. System nach Anspruch 1, das ferner ein einkapselndes Material umfasst, wobei das piezoelektrische Material und der Träger im einkapselnden Material eingekapselt sind.

3. System nach Anspruch 1, das ferner ein Bindungsmaterial zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Träger umfasst.

4. System nach Anspruch 3, wobei das Bindungsmaterial ein Epoxid umfasst.

5. System nach Anspruch 3, wobei das Bindungsmaterial eine Dicke von weniger als 0,05 Zoll umfasst.

6. System nach Anspruch 3, wobei das Bindungsmaterial konfiguriert ist, einer Temperatur unterworfen zu sein, die höher als 200 °F (93 °C) ist.

7. System nach Anspruch 1, wobei der Träger einen Hohlraum umfasst und sich das piezoelektrische Material in dem Hohlraum befindet.

8. System nach Anspruch 7, wobei sich mindestens ein Drittel der gesamten Höhe des piezoelektrischen Materials in dem Hohlraum befindet.

9. System nach Beispiel 1, das ferner ein den Wandler beinhaltendes Bohrlochwerkzeug umfasst.

10. System nach Anspruch 2, wobei das Trägermaterial konfiguriert ist, Schallwellen, die sich zwischen dem piezoelektrischen Material und dem einkapselnden Material ausbreiten, zu dämpfen.

11. Bohrlochwerkzeug, das in einem Bohrloch positioniert werden kann, das eine unterirdische Erdformation kreuzt, umfassend:
einen Ultraschallwandler, umfassend:
einen Träger; und
ein piezoelektrisches Material, das mindestens teilweise in den Träger
eingebettet ist.

12. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 11, das ferner ein einkapselndes Material umfasst, wobei das piezoelektrische Material und der Träger im einkapselnden Material eingekapselt sind.

13. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 11, das ferner ein Bindungsmaterial zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Träger umfasst.

14. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 11, wobei der Träger einen Hohlraum umfasst und sich das piezoelektrische Material in dem Hohlraum befindet.

15. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 14, wobei sich mindestens ein Drittel der gesamten Höhe des piezoelektrischen Materials in dem Hohlraum befindet.

16. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 11, wobei das Bindungsmaterial konfiguriert ist, einer Temperatur unterworfen zu sein, die höher als 200 °F (93 °C) ist.

17. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 12, wobei das Trägermaterial konfiguriert ist, Schallwellen, die sich zwischen dem piezoelektrischen Material und dem einkapselnden Material ausbreiten, zu dämpfen.

18. Verfahren zum Bestimmen eines Parameters unter Verwendung eines Ultraschallwandlers, umfassend:
Einbetten eines piezoelektrischen Materials mindestens teilweise in einen Träger;
Erzeugen eines Signals als Reaktion auf das Empfangen einer Ultraschallwelle mit
dem piezoelektrischen Material, wobei ein Eigenrauschen des Wandlers durch
das piezoelektrische Material, das mindestens teilweise in den Träger eingebettet ist, verringert wird; und
Bestimmen des Parameters unter Verwendung des Signals.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Einbetten des piezoelektrischen Materials ferner das Einbetten des piezoelektrischen Materials in einen Hohlraum des Trägers umfasst.

20. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Einbetten des piezoelektrischen Materials ferner das Einbetten eines Drittels der gesamten Höhe des piezoelektrischen Materials in den Träger umfasst.

21. Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bestimmen des Parameters das Bestimmen einer akustischen Impedanz in einem Bohrloch umfasst, das eine unterirdische Erdformation kreuzt.

Description:
Stand der Technik

Dieser Abschnitt dient dazu, relevante Kontextinformationen bereitzustellen, um ein besseres Verständnis der verschiedenen Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen zu fördern. Dementsprechend versteht es sich, dass diese Erklärungen unter diesem Gesichtspunkt und nicht als Zulassungen nach dem Stand der Technik zu lesen sind.

Piezoelektrische Ultraschallwandler verwenden ein piezoelektrisches Material, um zwischen elektrischer und mechanischer Energie umzuwandeln. Eine auf das piezoelektrische Material aufgebrachte Spannung veranlasst das piezoelektrische Material, mit einer bestimmten Frequenz zu schwingen und eine Druckwelle zu erzeugen. In der Medizinbranche, der Erdölindustrie oder anderen Industrien kann die Druckwelle auf ein Ziel (oder einen Zielbereich) gerichtet und vom Ziel zurück zum piezoelektrischen Material reflektiert werden. Das piezoelektrische Material kann die empfangene reflektierte Druckwelle in ein elektrisches Signal umwandeln. Zum Beispiel können Ultraschallwandler in der Lage sein, als ein Empfänger eine Druckwelle in ein elektrisches Signal (mechanisch zu elektrisch) umzuwandeln und als ein Sender eine aufgebrachte Spannung in eine Druckwelle mit einer bestimmten Frequenz (elektrisch zu mechanisch) umzuwandeln. Der Durchschnittsfachmann wird zu schätzen wissen, dass die Wandler ebenfalls zwischen anderen Energiearten, einschließlich unter anderem elektromagnetischer, chemischer und Wärmeenergie, umwandeln können. Die unter Verwendung von Ultraschallwandlern erhaltenen Daten können elektrische Signale beinhalten, die Druckwellen oder andere Arten von Energie anzeigen und die analysiert werden können, um bestimmte Eigenschaften des Ziels zu bestimmen.

1 stellt eine schematische Ansicht eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers 100 dar. Wie dargestellt, beinhaltet der Ultraschallwandler 100 ein piezoelektrisches Material 102, ein Epoxid 104, einen Träger 106 und ein einkapselndes Material 108. Das piezoelektrische Material 102 ist an einen Träger 106 unter Verwendung eines Epoxids 104 gebunden.

In einer Puls-Echo-Anwendung kann der Wandler 100 eine oder mehrere Ultraschallwellen 110 senden, um einen oder mehrere Parameter eines Ziels 112 zu scannen oder zu erfassen. Der Wandler 100 sendet die Ultraschallwelle 110 in Richtung des Ziels 112. Ferner reflektiert das Ziel 112 die Ultraschallwelle 110 als ein Echo 114, das durch den Wandler 100 empfangen werden kann. Der Träger 106 kann als ein Dämpfungsmaterial verwendet werden, um den mechanischen Qualitätsfaktor des Wandlers 100 zu verringern, und kann ebenfalls verwendet werden, um gesendete Ultraschallwellen 110 oder die empfangenen Echos 114 zu dämpfen. In einigen Fällen kann ein Abklingrauschen 116, das sich vom unteren Abschnitt des Trägers 106 zurück zum piezoelektrischen Material 102 ausbreitet, aufgrund der Sendung des Ultraschallwelle 110 und/oder des Empfangs des Echos 114 im Wandler 100 erzeugt werden. Das Ziel 112 kann dick genug sein, um eine Reflexion 118 der Welle 110 zu erzeugen, die sich von der Hinterseite des Ziels 112 ausbreitet, um beim Wandler 100 anzukommen, nachdem sich das Abklingrauschen 116 zerstreut hat.

2 stellt einen Graphen eines Puls-Echo-Signals 201 dar, das durch den Wandler 100 als Reaktion auf das Empfangen des Echos 114 erzeugt wird. Wie dargestellt, wird die Amplitude (V) des durch den Wandler 100 erzeugten Signals 201 in Abhängigkeit der Zeit (µs) angezeigt. Der Wandler 100 erzeugt das Signal 201 als Reaktion auf das Echo 114 und zeigt mindestens teilweise Parameter des Echos 114 und/oder des Ziels 112 an. Wie im Graphen dargestellt, zeigt das Signal 201, dass das von der vorderen Fläche des Ziels 112 reflektierende Echo 114 im Abschnitt 203 des Signals 201 dominant ist, während ein Nachecho 205, welches das innerhalb des Wandlers 100 erzeugte Abklingrauschen 116 beinhalten kann, dem Echo 114 folgt. In einigen Fällen kann das Abklingrauschen 116 gänzlich im Wandler 100 nach dem Empfangen des Echos 114 erzeugt werden, ohne Interferenzen von der Reflexion 118, die von der Hinterseite des Ziels 112 kommt, zu beinhalten. In einigen Anwendungen sind nur die Ankunftszeit und die Amplitude des Echos 114 von Interesse. Wie im Graphen dargestellt, können die Ankunftszeit und die Amplitude aus dem Signal 201 erlangt werden, wobei eine Ankunftszeit 207 etwa 145 Mikrosekunden beträgt und eine Spitzenamplitude 209 des Signals 207 annähernd 0,46 V beträgt. Diese Werte des Signals 201 zeigen mindestens teilweise das Echo 114 an, das von der vorderen Fläche des Ziels 112 kommt, stellen jedoch keine Informationen über die eine oder die mehreren Eigenschaften oder Parameter im Inneren des Ziels 112 bereit.

Parameter des Nachechos 205 können ebenfalls von Interesse sein. Wie hierin verwendet, bezieht sich das Nachecho 205 auf einen Abschnitt des Signals 201, das einen Parameter von Interesse im Inneren des Ziels 112 anzeigen kann. Das Nachecho 205 zeigt die Schallwellen an, die durch das Ziel 112 gingen und zum Wandler 100 zurückkehrten. In einigen Anwendungen zum Beispiel kann eine Impedanzschätzung hinter einem Bohrlochfutterohr oder eine Bildgebung hinter einer hochreflektierenden Schicht (zum Beispiel Stahlfutterohr) im Ziel 112 von Interesse sein. Bei medizinischen Anwendungen können Gewebestrukturen über erste Schicht hinaus von Interesse sein. Bei einem anderen Beispiel kann in einem Öl- und Gasproduktionsbohrloch die Zementbindung hinter dem Stahlfutterohr ausgewertet werden.

Dementsprechend sind möglicherweise nicht nur die Ankunftszeit 207 und die Amplitude 209 des Abschnitts 203 des Signals 201 von Interesse, sondern ebenfalls Parameter des Nachechos 205 können in Betracht gezogen werden. Während sich die Amplitude des im Wandler 100 erzeugten Abklingrauschens 116 (z. B. unter anderem aufgrund der Geometrie und/oder der Wellenausbreitung innerhalb des Wandlers 200) der Amplitude des Nachechos 205 nähert oder sie übersteigt, kann die Verringerung des Eigenrauschens des Wandlers (d. h. durch den Wandler selbst verursachtes Rauschen) vorteilhaft zum Studieren der Parameter eines Signals sein, das durch den Wandler 200 nach der Ankunftszeit der Spitzenamplitude 209 des Signals 201 erzeugt wurde. Ferner kann der Wandler 100 Eigenrauschen während der Sendung von Ultraschallwellen sowie während des Empfangs von Ultraschallwellen aufweisen. In einigen Fällen kann das Eigenrauschen im Nachecho 205 aufgrund der Konstruktion des Wandlers auftreten. Indem die Konstruktion des Wandlers geändert wird, kann das Eigenrauschen minimiert werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zur detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen wird nun Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen, in denen:

1 eine schematische Ansicht eines Ultraschallwandlers darstellt;

2 einen Graphen eines Puls-Echo-Signals darstellt, das durch den Wandler aus 1 erzeugt wird;

3A und B eine schematische Ansicht eines Trägers mit einem Hohlraum gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen darstellen;

4 eine schematische Ansicht eines piezoelektrischen Materials darstellt, das in einen Träger gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen eingebettet ist;

5 eine schematische Ansicht eines Wandlers gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen darstellt;

6 eine schematische Ansicht eines Wandlers gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen darstellt;

7 einen Graphen eines Eigenrauschen-Diagramms eines Signals darstellt, das durch einen beispielhaften Wandler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen erzeugt wird;

8 einen Graphen eines Eigenrauschen-Diagramms eines Signals darstellt, das durch einen beispielhaften Wandler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen erzeugt wird;

9A einen Graphen eines Signals darstellt, das durch einen beispielhaften Wandler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen erzeugt wird;

9B einen Graphen eines Signals darstellt, das durch einen beispielhaften Wandler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erzeugt wird;

10 eine schematische Ansicht einer Drahtverbindung mit einem Wandler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen darstellt;

11 eine schematische Ansicht einer Drahtverbindung mit einem Wandler gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen darstellt;

12 eine schematische Ansicht einer Bohrumgebung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen darstellt; und

13 eine schematische Ansicht einer Wireline-Messumgebung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen darstellt.

Ausführliche Beschreibung

Diese Offenbarung stellt einen piezoelektrischen Wandler mit verringertem Eigenrauschen bereit. Insbesondere stellt diese Offenbarung einen Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Material bereit, das in einen Hohlraum eines Trägers eingebettet ist, der das Eigenrauschen verringert, um die Analyse oder die Bildgebung eines Nachechos zu verbessern.

36 stellen schematische Ansichten eines Wandlers 300 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen dar. Wie in 3A dargestellt, ist das piezoelektrische Material 302 in den Träger 304 eingebettet. Das piezoelektrische Material 302 kann einen piezoelektrischen Kristall und/oder eine piezoelektrische Keramik (z. B. Bleizirkonattitanat) beinhalten. Bei dem Träger 304 kann es sich um ein beliebiges Material mit einer Impedanz handeln, das mindestens einen Teil des Eigenrauschens und/oder des durch das piezoelektrische Material 304 erzeugten Abklingrauschens dämpft. Der Träger 304 kann ausgelegt sein, die Bandbreite des piezoelektrischen Materials 304 einzustellen. Der Träger 304 kann ein Material mit einer Impedanz beinhalten, die der Impedanz des piezoelektrischen Materials 302 im Wesentlichen ähnlich ist (z. B. ±5 %). Zusätzlich oder alternativ kann der Träger 304 ein Wolframgummimaterial beinhalten, wobei es sich um in eine Gummimatrix gemischtes Wolfram (wie beispielsweise ein Wolframpulver) handelt. Aufgrund der Dichte von Wolfram kann das Wolframgummimaterial einige der Schallwellen, die dem Eigenrauschen zugeordnet werden können, absorbieren und die Sende- und Empfangsenergie des piezoelektrischen Materials 302 erhöhen. In einer oder in mehreren Ausführungsformen kann sich ein Drittel der gesamten Höhe 308 des piezoelektrischen Materials 302 in einem Hohlraum 303 (oder einer Stufe) des Trägers 304 befinden. In einer oder in mehreren Ausführungsformen beträgt die Tiefe 306 des Hohlraums 303 mindestens ein Drittel oder mehr der gesamten Höhe 308 des piezoelektrischen Materials 302. In bestimmten Ausführungsformen beträgt die Tiefe 306 des Hohlraums 303 mindestens 33 %, 50 %, 75 % oder 100 % oder mehr als 100 % der Höhe 308 des piezoelektrischen Materials 302. Wie in 3B dargestellt, kann der Hohlraum 303 eine Tiefe 306 aufweisen, die größer als die Höhe 308 ist, wobei genug Träger 304 hinter dem piezoelektrischen Material 302 vorhanden ist, um Schallwellen, die dem Eigenrauschen zugeordnet werden können, zu absorbieren.

Wie in 4 dargestellt, kann der Hohlraum 303 ein Bindungsmaterial oder -mittel 310 beinhalten, das innerhalb des Hohlraums 303 und zwischen mindestens einem Teil des Hohlraums 303 und mindestens einem Teil des piezoelektrischen Materials 302 angeordnet ist. Zum Beispiel kann das Bindungsmaterial oder -mittel 310 ein Epoxid oder einen Klebstoff beinhalten, das/der für Ultraschallanwendungen des piezoelektrischen Materials 302 geeignet ist. Für medizinische Anwendungen, bei denen der Wandler 300 bei Raumtemperatur verwendet wird, können einige handelsübliche Epoxide oder Klebstoffe mit einer Bindungsschichtdicke von weniger als 0,05 Zoll als Bindungsmaterial 310 verwendet werden, um das piezoelektrische Material 302 am Träger 304 zu befestigen. In einem Bohrloch oder einer anderen Öl- und Gasbohrlochanwendung, bei der hohe Temperaturen (höher als 200 °F oder 93 °C) auftreten können, können als Bindungsmaterial 310 Epoxide verwendet werden, die für die entsprechenden Temperaturen ausgelegt sind. Im Allgemeinen ist die elektrische Eigenschaft des Bindungsmaterials 310 nicht leitfähig, jedoch kann das Bindungsmaterial 310 in einigen Fällen leitfähig sein. In einem Beispiel kann das Bindungsmaterial 310 unter anderem DURALCO®4703, ein Hochtemperatur-Epoxid beinhalten, das von COTRONICSTM Corporation aus Brooklyn, New York, USA erhältlich ist. Das piezoelektrische Material 302 und der Träger 304 können ebenfalls durch ein einkapselndes Material 312, wie in 5 dargestellt, eingekapselt sein. In einer oder in mehreren Ausführungsformen kann das einkapselnde Material 312 eine isolierende Gussverbindung und/oder ein Epoxid beinhalten, wie beispielsweise INSULCAST®125, das von ITWS Engineered Polymers North America aus Montgomeryville, Pennsylvania, USA erhältlich ist. Das einkapselnde Material 312 kann um das piezoelektrische Material 302 und den Träger 304 gegossen sein.

In einer oder in mehreren Ausführungsformen kann das Einbetten des piezoelektrischen Materials 302 in den Träger 304 den mechanischen Qualitätsfaktor des Wandlers 300 verringern. Daher kann das Eigenrauschen des Wandlers 300 verringert werden und/oder die Bandbreite des Wandlers 300 in der Frequenzdomäne kann sich erhöhen. Zusätzlich, wie in 6 dargestellt, können Ultraschallreflexionen 314, die sich zwischen der Seite des piezoelektrischen Materials 302 und dem einkapselnden Material 312 ausbreiten, durch den Träger 304 zwischen der Seite des piezoelektrischen Materials 302 und dem einschließenden Material 312 gedämpft werden. Somit kann der Träger 304 konfiguriert sein, Ultraschallwellen zu dämpfen, die sich zwischen dem piezoelektrischen Material 302 und dem einkapselnden Material 312 ausbreiten. Ferner kann der vergrößerte Bindungsbereich zwischen dem piezoelektrischen Material 302 und dem Träger 304 die Gesamtstabilität des Bindungsmaterials 310 bei hohen Temperaturen (z. B. mindestens etwa 200 °F oder 93 °C) und/oder hohem Druck (z. B. mindestens 15.000 psi oder 103 MPa), wie beispielsweise in einem Bohrloch oder in anderen Öl- und Gasbohrlochanwendungen, verbessern.

Unter Bezugnahme auf 79 sind nun Graphen von Puls-Echo-Signaldiagramme von zwei Wandlern 100 und 300 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen zum Vergleich dargestellt, wobei jeder das gleiche piezoelektrische Material und Trägermaterial umfasst. Um die Diagramme in 7 und 8 zu erhalten, wurde jeder Wandler 100 und 300 in Wasser eingetaucht und durch einen 5 Mikrosekunden langen 100V-Rechteckwellenimpuls angeregt. Ferner wurde jeder Wandler 100 und 300 nicht in der Nähe eines Ziels oder einer Schnittstelle platziert, um eine Reflexion oder ein Echo zu erzeugen. Somit stellen die Diagramme in 7 und 8 ein beliebiges Eigenrauschen und/oder Abklingrauschen dar, das sich in den Wandlern 100 und 300 ausbreitet. In 7 ist ein Signal 701 dargestellt, das durch den Wandler 100 erzeugt wurde, der ein piezoelektrisches Material beinhaltet, das an eine obere Fläche eines Trägermaterials gebunden ist. In 8 ist ein Signal 801 dargestellt, das durch den Wandler 300 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen erzeugt wurde, der ein piezoelektrisches Material beinhaltet, das in ein Trägermaterial eingebettet ist, wie in 36 dargestellt. Wie in 7 dargestellt, zeigt sich das Eigenrauschen 703 nach etwa 80 Mikrosekunden, wohingegen unter ähnlichen Testbedingungen der Wandler 300 mit dem in das Trägermaterial 304 eingebetteten piezoelektrischen Material 302 viel weniger Eigenrauschen 803, insbesondere nach 80 Mikrosekunden, erzeugte.

9A9B stellen Graphen von Puls-Echo-Signaldiagrammen dar, die durch die Wandler 100 und 300 erzeugt wurden, die in Wasser in einem Abstand von etwa 3 Zoll (7,62 cm) von einer Reflexionsschnittstelle eingetaucht wurden, die einen Stahlblock mit den Abmessungen von etwa 6 × 6 × 6 Zoll (15,24 × 15,24 × 15,24 cm) beinhaltete, gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. In 9A wurde das Signal 901 durch den Wandler 100 erzeugt, während in 9B das Signal 911 durch den Wandler 300 erzeugt wurde. Die Signalabschnitte 904 und 914 zeigen die Reflexionen an, die von der reflektierenden Schnittstelle durch den jeweiligen Wandler 100 und 300 empfangen wurden. Das Sendungsrauschen 903 und das Empfangsrauschen 905 zeigen sich in der oben gebundenen Ausgestaltung des Wandlers 100, wie in 9A dargestellt, sehr viel deutlicher als im Vergleich zu dem Sendungsrauschen 913 und dem Empfangsrauschen 915, das durch die eingebettete Ausgestaltung des Wandlers 300 erzeugt wird, wie in 9B dargestellt.

10 und 11 bilden schematische Ansichten der Verdrahtung des piezoelektrischen Materials 302 innerhalb des Trägers 304 des Wandlers 300 gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen ab. In 10 können Drähte 316A, B mit Elektroden 318 verbunden sein, die elektrisch in das piezoelektrische Material 302 eingreifen. Der Draht 316B kann durch das Material 304 weg vom piezoelektrischen Material 302 verlaufen. Die Drähte 316 können als elektrische Verbindungen mit den Elektroden 318 dienen, um das piezoelektrische Material 302 mit Energie zu versorgen oder anzuregen. In 11 kann der Draht 316B elektrisch mit dem piezoelektrischen Material 302 über eine Elektrode 318 verbunden sein, indem der Draht 316B durch eine Seite des Trägers 304 und in das einkapselnde Material 308 verläuft. Die Drähte 316A, B können aus dem einkapselnden Material 308 heraus und weg vom piezoelektrischen Material geleitet werden. In einer oder in mehreren Ausführungsformen können die Drähte 316A, B, wenn der Träger 304 ein leitfähiges Material beinhaltet, direkt mit dem Träger 304 verbunden werden.

12 stellt eine schematische Ansicht eines Protokollierung-während-des-Bohrens-(logging-while-drilling – LWD-) und/oder eine Messen-während-des-Bohrens(measuring-while-drilling – MWD-)Umgebung dar, in der ein Wandler 1226 gemäß einer oder mehreren in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann. Wie dargestellt, ist eine Bohrplattform 1202 mit einem Bohrturm 1204 ausgerüstet, der eine Hebevorrichtung 1206 zum Anheben und Absenken eines Bohrstrangs 1208 stützt. Die Hebevorrichtung 1206 hängt einen oberen Antrieb 1210 auf, der den Bohrstrang 1208 dreht, während der Bohrstrang durch den Bohrlochkopf 1212 abgesenkt wird. Abschnitte des Bohrstrangs 1208 sind durch Schraubverbindungen 1207 verbunden. Mit dem unteren Ende des Bohrstrangs 1208 ist eine Bohrkrone 1214 verbunden. Während sich die Krone 1214 dreht, wird ein Bohrloch 1220 erzeugt, das verschiedene unterirdische Erdformationen 1221 innerhalb eines Reservoirs kreuzt. Eine Pumpe 1216 zirkuliert Bohrfluid durch eine Versorgungsleitung 1218 zum oberen Antrieb 1210, durch das Innere des Bohrstrangs 1208, durch Öffnungen in der Bohrkrone 1214, zurück zur Oberfläche über den Ring um den Bohrstrang 1208 und in ein Rückhaltebecken 1224. Das Bohrfluid transportiert Bohrklein aus dem Bohrloch in das Becken 1224 und hilft dabei, die Integrität des Bohrlochs 1220 beizubehalten.

Ein Bohrlochwerkzeug 1240, z. B. ein LWD/MWD-Werkzeug, befindet sich auf den Bohrstrang 1208 und kann nahe der Bohrkrone 1214 angeordnet sein. Das Bohrlochwerkzeug 1240 beinhaltet den Wandler 1226 und das Telemetriemodul 1280. Der Wandler 1226 steht in Kommunikation mit dem Telemetriemodul 1280, das einen Sender (z. B. einen akustischen Telemetriesender) aufweist, der Signale in Form einer akustischen Vibration in der Schlauchwand des Bohrstrangs 1208 sendet. Eine Empfängeranordnung 1230 kann an den Schlauch unterhalb des oberen Antriebs 1210 gekoppelt sein, um die gesendeten Signale zu empfangen. Ein oder mehrere Zwischenverstärkermodule 1232 können wahlweise entlang des Bohrstrangs bereitgestellt sein, um die Telemetriesignale zu empfangen und zurückzusenden. Natürlich können andere Telemetrietechniken verwendet werden, einschließlich Schlammimpulstelemetrie, elektromagnetische Telemetrie und verdrahtete Bohrgestängetelemetrie. Viele Telemetrietechniken bieten ebenfalls die Fähigkeit, Befehle von der Oberfläche zum Bohrlochwerkzeug 1240 zu übertragen, wodurch eine Einstellung der Konfiguration und der Betriebsparameter des Bohrlochwerkzeugs 1240 ermöglicht wird. In einigen Ausführungsformen speichert das Telemetriemodul 1280 ebenfalls oder alternativ Messungen zum späteren Abrufen, wenn das Bohrlochwerkzeug 1240 an die Oberfläche zurückkehrt.

Während die Krone 1214 das Bohrloch durch die Formationen ausdehnt, kann der Wandler 1226 eine Ultraschallwelle vom Bohrlochwerkzeug 1240 radial nach außen senden und Echos, die zum Beispiel vom Bohrfluid, dem Futterohr oder der Zementbindung im Bohrloch 1220 zurückkehren, empfangen. Der Wandler 1226 kann Signale erzeugen, die einen Bohrlochparameter (z. B. indem Ultraschallwellen in einer Puls-Echo-Anwendung, wie hierin in Bezug auf den Wandler 300 beschrieben, gesendet und empfangen werden) als Reaktion auf das Empfangen von Ultraschallwellen anzeigen. Der Bohrlochparameter kann die Ausrichtung und/oder die Position des Bohrlochwerkzeugs 1240; die Bohrlochgröße; die Bohrfluidgeschwindigkeit und -dichte; eine akustische Geschwindigkeit und Impedanz mindestens eines des Futterohrs, des Bohrfluids, der Zementbindung und/oder der Erdformation und verschiedene andere Bohrbedingungen im Bohrloch beinhalten. Das durch den Wandler 1226 erzeugte Signal kann verwendet werden, um eine akustische Impedanz hinter einem Bohrlochfutterohr zu schätzen oder ein Bild einer beliebigen anderen hochreflektierenden Schicht hinter dem Bohrlochfutterohr zu erzeugen. Wie hierin verwendet, kann eine hochreflektierende Schicht eine beliebige Schicht von Material mit einer anderen akustischen Impedanz als die des Bohrfluids beinhalten. In einigen Ausführungsformen kann die Zementbindung hinter dem Stahlfutterohr ebenfalls basierend auf den durch den Wandler 1226 erzeugten Signalen ausgewertet werden.

13 stellt eine schematische Ansicht einer Wireline-Messumgebung dar, in welcher der Wandler 1226 gemäß einer oder mehreren in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden kann. Wie dargestellt, können Messvorgänge unter Verwendung eines Wireline-Messstrangs 1234, z. B. einer Wireline-Messsonde, die über ein Kabel 1242 aufgehängt ist, das Strom zum Messstrang 1234 und Telemetriesignale zwischen dem Messstrang 1234 und der Oberfläche überträgt, durchgeführt werden. Der Messstrang 1234 beinhaltet das Bohrlochwerkzeug 1240, das Ultraschallmessdaten mit dem Wandler 1226 wie hierin beschrieben sammeln kann. Zum Beispiel kann der Wandler 1226 eine Ultraschallwelle vom Bohrlochwerkzeug 1240 radial nach außen senden und Echos, die vom Bohrfluid, dem Futterohr oder der Zementbindung im Bohrloch 1220 zurückkehren, empfangen. Der Wandler 1226 kann Signale erzeugen, die einen Bohrlochparameter anzeigen, der in Zusammenhang mit dem Bohrfluid, dem Futterrohr oder der Zementbindung steht, wie beispielsweise eine akustische Geschwindigkeit und/oder Impedanz. Das Bohrlochwerkzeug 1240 kann eine Dreheinrichtung 1225 zum Drehen des Wandlers 1226 relativ zum Messstrang 1234 und/oder zum Bohrlochwerkzeug 1240 beinhalten, um die Ultraschallsignale in einer azimutalen Ausrichtung im Bohrloch 1220 zu sammeln. In einer oder in mehreren Ausführungsformen kann sich der Messstrang 1234 relativ zum Bohrloch 1220 drehen, um den Wandler 1226 zum Sammeln von Ultraschallsignalen in einer azimutalen Ausrichtung zu drehen. Zusätzlich oder alternativ können der Wandler 1226 und das Bohrlochwerkzeug 1240 an einem distalen Ende des Messstrangs 1234 positioniert sein. Das Bohrlochwerkzeug 1240 kann an andere Module des Wireline-Messstrangs 1234 durch einen oder mehrere Adapter 1233 gekoppelt sein. Eine Messeinrichtung 1244 sammelt Messwerte vom Messstrang 1234 und beinhaltet ein Computersystem 1245 zum Verarbeiten und Speichern der durch die Sensoren erfassten Messwerte. Unter anderem kann das Computersystem 1245 ein nicht flüchtiges computerlesbares Medium (z. B. ein Festplattenlaufwerk und/oder einen Speicher) beinhalten, das in der Lage ist, Anweisungen auszuführen, um derartige Aufgaben durchzuführen. Zusätzlich zum Sammeln und Verarbeiten von Messwerten kann das Computersystem 1245 in der Lage sein, den Messstrang 1234 und das Bohrlochwerkzeug 1240 zu steuern. Die Messeinrichtung 1244 kann ferner eine Benutzerschnittstelle (nicht dargestellt) beinhalten, welche die Messwerte anzeigt, zum Beispiel ein Monitor oder ein Drucker. Somit versteht es sich, dass der Wandler 1226 in verschiedenen Bohrlochanwendungen, wie beispielsweise Wireline-, Slickline-, Rohrschlangen-, MWD- oder LWD-Anwendungen, verwendet werden kann.

In einem Ultraschall-Scansystem kann der hohes Signal-zu-Rauschabstand (signal-to-noise ratio – SNR) von besonderem Interesse sein. Der SNR wird für gewöhnlich durch Optimierung der Elektronik im System verbessert, um das Elektronikrauschen auf das Niveau des Eigenrauschens des Wandlers zu senken. In einigen Fällen wird das Eigenrauschen des Wandlers zum Engpass der Technologie. Daher ermöglichen Ausführungsformen ein effektives Verfahren und System zum Verringern des Eigenrauschens eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers. Zusätzlich stellen eine oder mehrere Ausführungsformen dieser Offenbarung einen alternativen Weg zum Bauen eines Wandlers, indem die gleichen Materialien im gleichen Formfaktor verwendet werden, während das Eigenrauschen des Wandlers verringert wird. Ferner können in einer oder in mehreren Ausführungsformen piezoelektrische Materialien unter Verwendung der Bindungsmaterialien wie hierin beschrieben mit einer oberen Oberfläche des in das Bindungsmaterial eingebetteten piezoelektrischen Materials gebunden werden.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Ausführungsformen liegen viele Beispiele spezifischer Kombinationen im Umfang der Offenbarung, von denen einige nachfolgend ausführlicher beschrieben sind:
Beispiel 1: System, umfassend:
einen Ultraschallwandler, umfassend:
einen Träger; und
ein piezoelektrisches Material, das mindestens teilweise in den Träger eingebettet ist.

Beispiel 2: System nach Beispiel 1, das ferner ein einkapselndes Material umfasst, wobei das piezoelektrische Material und der Träger im einkapselnden Material eingekapselt sind.

Beispiel 3: System nach Beispiel 1, das ferner ein Bindungsmaterial zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Träger umfasst.

Beispiel 4: System nach Beispiel 3, wobei das Bindungsmaterial ein Epoxid umfasst. Beispiel 5: System nach Beispiel 3, wobei das Bindungsmaterial eine Dicke von weniger als 0,05 Zoll umfasst.

Beispiel 6: System nach Beispiel 3, wobei das Bindungsmaterial konfiguriert ist, einer Temperatur unterworfen zu sein, die höher als 200 °F (93 °C) ist.

Beispiel 7: System nach Beispiel 1, wobei der Träger einen Hohlraum umfasst und sich das piezoelektrische Material in dem Hohlraum befindet.

Beispiel 8: System nach Beispiel 7, wobei sich mindestens ein Drittel der gesamten Höhe des piezoelektrischen Materials in dem Hohlraum befindet.

Beispiel 9: System nach Beispiel 1, das ferner ein den Wandler beinhaltendes Bohrlochwerkzeug umfasst.

Beispiel 10: System nach Anspruch 2, wobei das Trägermaterial konfiguriert ist, Schallwellen, die sich zwischen dem piezoelektrischen Material und dem einkapselnden Material ausbreiten, zu dämpfen.

Beispiel 11: Bohrlochwerkzeug, das in einem Bohrloch positioniert werden kann, das eine unterirdische Erdformation kreuzt, umfassend:
einen Ultraschallwandler, umfassend:
einen Träger; und
ein piezoelektrisches Material, das mindestens teilweise in den Träger eingebettet ist.

Beispiel 12: Bohrlochwerkzeug nach Beispiel 11, das ferner ein einkapselndes Material umfasst, wobei das piezoelektrische Material und der Träger im einkapselnden Material eingekapselt sind.

Beispiel 13: Bohrlochwerkzeug nach Beispiel 11, das ferner ein Bindungsmaterial zwischen dem piezoelektrischen Material und dem Träger umfasst.

Beispiel 14: Bohrlochwerkzeug nach Beispiel 11, wobei der Träger einen Hohlraum umfasst und sich das piezoelektrische Material in dem Hohlraum befindet.

Beispiel 15: Bohrlochwerkzeug nach Beispiel 14, wobei sich mindestens ein Drittel der gesamten Höhe des piezoelektrischen Materials in dem Hohlraum befindet.

Beispiel 16: Bohrlochwerkzeug nach Beispiel 11, wobei das Bindungsmaterial konfiguriert ist, einer Temperatur unterworfen zu sein, die höher als 200 °F (93 °C) ist.

Beispiel 17: Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 12, wobei das Trägermaterial konfiguriert ist, Schallwellen, die sich zwischen dem piezoelektrischen Material und dem einkapselnden Material ausbreiten, zu dämpfen.

Beispiel 18: Verfahren zum Bestimmen eines Parameters unter Verwendung eines Ultraschallwandlers, umfassend:
Einbetten eines piezoelektrischen Materials mindestens teilweise in einen Träger;
Erzeugen eines Signals als Reaktion auf das Empfangen einer Ultraschallwelle mit dem piezoelektrischen Material, wobei ein Eigenrauschen des Wandlers durch das piezoelektrische Material, das mindestens teilweise in den Träger eingebettet ist, verringert wird; und
Bestimmen des Parameters unter Verwendung des Signals.

Beispiel 19: Verfahren nach Beispiel 18, wobei das Einbetten des piezoelektrischen Materials ferner das Einbetten des piezoelektrischen Materials in einen Hohlraum des Trägers umfasst.

Beispiel 20: Verfahren nach Beispiel 18, wobei das Einbetten des piezoelektrischen Materials ferner das Einbetten eines Drittels der gesamten Höhe des piezoelektrischen Materials in den Träger umfasst.

Beispiel 21: Verfahren nach Beispiel 18, wobei das Bestimmen des Parameters das Bestimmen einer akustischen Impedanz in einem Bohrloch umfasst, das eine unterirdische Erdformation kreuzt.

Diese Erörterung ist auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung gerichtet. Die Zeichnungsfiguren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu. Bestimmte Merkmale der Ausführungsformen können vergrößert oder in einer etwas schematischen Form dargestellt sein und einige Details herkömmlicher Elemente sind möglicherweise aus Gründen der Klarheit und Prägnanz nicht dargestellt. Obwohl eine oder mehrere dieser Ausführungsformen bevorzugt werden kann/können, sind die offenbarten Ausführungsformen nicht derart auszulegen oder anderweitig zu verwenden, dass sie den Umfang der Offenbarung, einschließlich der Patentansprüche, beschränken. Es ist vollständig anzuerkennen, dass die verschiedenen Lehren der erörterten Ausführungsformen separat und in jeder beliebigen Kombination verwendet werden können, um die gewünschten Ergebnisse zu erzeugen. Zusätzlich versteht der Fachmann, dass die Beschreibung eine breite Anwendung aufweist und dass die Erörterung einer beliebigen Ausführungsform nur als Beispiel dieser Ausführungsform dient und nicht dazu gedacht ist, anzudeuten, dass der Umfang der Offenbarung, einschließlich der Patentansprüche, auf diese Ausführungsform beschränkt ist.

Bestimmte Begriffe werden in der gesamten Beschreibung und den Patentansprüchen verwendet, um bestimmte Merkmale oder Komponenten zu bezeichnen. Der Fachmann versteht, dass andere Personen die gleichen Merkmale oder Komponenten mit anderen Namen bezeichnen können. Diese Schrift ist nicht dazu gedacht, zwischen Komponenten oder Merkmalen zu unterscheiden, die sich zwar im Namen, jedoch nicht in der Funktion unterscheiden, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist. In der Erörterung und in den Patentansprüchen werden die Begriffe „beinhaltend“ und „umfassend“ in einer offenen Weise verwendet und sind somit als „beinhaltend unter anderem ...“ auszulegen. Ebenso sollen die Begriffe „koppeln“ oder „koppelt“ entweder eine indirekte oder eine direkte Verbindung bedeuten. Zusätzlich bedeutet der Begriff „axial“ im Allgemeinen entlang oder parallel zu einer zentralen Achse (z. B. einer zentralen Achse eines Körpers oder eines Anschlusses), während der Begriff „radial“ im Allgemeinen senkrecht zu der zentralen Achse bedeutet. Die Verwendung von „obere/r/s“, „untere/r/s“, „oberhalb“, „unterhalb“ und Variationen dieser Begriffe erfolgt der Einfachheit halber und bedarf keiner besonderen Ausrichtung der Komponenten.

Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ oder ähnliche Bezeichnungen über die vorliegende Patentschrift hinweg bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Eigenschaft, beschrieben in Verbindung mit der Ausführungsform, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung beinhaltet sein kann. Somit beziehen sich die Wendung „in einer Ausführungsform“ und ähnliche Bezeichnungen über die vorliegende Patentschrift hinweg, wenn auch nicht notwendigerweise, alle auf die gleiche Ausführungsform.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf spezifische Details beschrieben wurde, sind derartige Details nicht dazu gedacht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung angesehen zu werden, außer in dem Ausmaß, in dem sie in den begleitenden Patentansprüchen beinhaltet sind.