[发明专利]一种超声波测井用锆钛酸铅基压电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于超声换能器领域的压电材料基制备方法，特别涉及一种超声波测井用锆钛酸铅基压电材料及其制备方法。

背景技术

超声波测井在石油勘探和地球物理勘探中起着重要的作用。目前采用的超声波测井是利用发射换能器在井下发出超声波，在地下介质中传播，经过一定时间衰减后，被接收换能器接收，通过对衰减声波信号分析，判断地下的有关地质构造，即可以了解裂缝地层的裂缝密度、倾角、方位以及缝洞分布情况，为勘探和开发缝裂储集层提供可靠的地质基础资料；而获取的储集层地质参数，对于评价石油产量和储量意义重大；此外在套管中进行超声成像时，还可以了解孔位置，因施工生产而使套管损坏情况，为修井提供资料，以全方位、清晰、直观的图像来识别套管腐蚀情况。由于超声波测井具有分辨率高、应用成本低、使用方便、资料解释直观等优点，目前已成为油田开发中一种有效的测井手段，同时也广泛应用于水文、地质、煤炭工程建设勘探等领域。

近年来，随着地质和石油勘探的深入，勘探的难度越来越多，5000米以上的深井的测井技术面临着许多地质和工程方面的难题，其中深井探测的重要部件-深井超声换能器的匮乏是关键的技术瓶颈。这是因为在测井过程中，实际温度随深度在不断变化，造成使用的超声测井换能器的性能发生改变。当温度升高到一定程度时，会造成回波幅度相当低，以至于无法接收到回波，使得测井无法完成。解决这一问题的关键在于深井超声换能器的核心元件-压电材料不仅要性能良好以满足分辨率的需要，而且要满足深井使用环境，即能耐200℃左右的高温的要求。

目前常规的压电材料难以满足这一要求。铌酸锂晶体能耐高温，但是其压电性能太低d₃₃只有6pC/N，钨青铜矿结构的偏铌酸铅压电陶瓷材料的居里温度高达570℃，非常适合300℃以下的高温应用。但是其压电活性也只有80pC/N,在石油深井探测中，其灵敏度还是不够理想,难以获取高清晰的信号。

锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷材料具有优异的压电性能，是目前应用最广泛的压电材料之一。当锆钛的质量摩尔比Zr：Ti=52:48时，PZT处于三方相和四方相之间的MPB区域，此时的压电性能较好，作为超声换能器材料时，具有很好的接收灵敏度，回波幅度高，成像图像好，不过它的居里点只有300℃左右，适合于120℃以下的温度使用，不能满足深井探测的耐200℃高温的应用需求。

发明内容

随着深井探测需求的发展，对压电材料的期望和要求也越来越高，不仅压电性能良好，还要求能耐200℃左右的高温，这样才能解决在几千米以上深井中进行高分辨率的测井勘探需求；本发明的目的旨在提供一种超声波测井用锆钛酸铅基压电材料及其制备方，解决超声波深井测井中的探测需要；由于ABO₃型钙钛矿结构具有很大的可调性，（即A、B位上的离子填充时只要满足容差因子0.75＜t＜1.0时，都可以保持钙钛矿的结构），加上PZT可以与某些居里温度高的化合物形成新的多元系固溶体，因此，就有可能实现压电性能在较高温度范围内保持稳定的同时，又不发生结构相变，大大提高其耐温性能。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的超声波测井用锆钛酸铅基压电材料，其化学组成式为：(1-x)Pb(Zr_yTi_1-y)O₃-x(Ag_0.5Na_0.5)NbO₃+0.01molCr₂O₃+mmolBi₂O₃+nmolSc₂O₃，其中(1-x)Pb(Zr_yTi_1-y)O₃和x(Ag_0.5Na_0.5)NbO₃为基体材料，(1-x)和x为质量摩尔数，x=0.01-0.05；y=0.50-0.55；Cr₂O₃、Bi₂O₃和Sc₂O₃为基体外添加组分，Cr₂O₃的质量摩尔数为0.01，Bi₂O₃的质量摩尔数m=0.01-0.05；Sc₂O₃的质量摩尔数n=0.01-0.05。