橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井換能器研究?

戴郁郁?　于其蛟　王秀明　　辛鵬來　　賀洪斌　　汪正波

（1中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所　北京　100190）

（2中石化勝利測(cè)井公司　東營(yíng)　257096）

?2014年度全國(guó)檢測(cè)聲學(xué)會(huì)議優(yōu)秀論文專欄?

橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井換能器研究?

戴郁郁1?于其蛟2王秀明1辛鵬來1賀洪斌1汪正波1

（1中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北京100190）

（2中石化勝利測(cè)井公司東營(yíng)257096）

為提高偶極子橫波遠(yuǎn)探測(cè)反射波的信噪比和增加其探測(cè)距離，根據(jù)偶極子井孔模式波的激發(fā)特性及反射波傳播特征分析，研制了基于三疊片的低頻大功率偶極子的橫波遠(yuǎn)探測(cè)換能器，以降低模式波的相對(duì)能量和增加反射波的相對(duì)能量。為了得到滿足要求的低頻大功率偶極換能器，采用有限元方法對(duì)現(xiàn)有三疊片進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，得到一種符合設(shè)計(jì)要求的換能器結(jié)構(gòu)，最后制作了樣機(jī)并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果跟仿真吻合得很好，低頻性能得到了極大改善：換能器在諧振頻率1.2 kHz附近具有極好的偶極子指向性，諧振頻率處的響應(yīng)比X-MAC同頻率段大19 dB。該換能器的研發(fā)成功將為偶極子遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井儀器性能及成像質(zhì)量的提高奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

橫波遠(yuǎn)探測(cè)，聲反射成像，偶極子，換能器

1　引言

橫波遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)基于聲反射成像的測(cè)井技術(shù)，利用該技術(shù)可以探測(cè)井壁周圍幾米到幾十米范圍內(nèi)的裂紋構(gòu)造，從而識(shí)別出隱蔽儲(chǔ)層，為頁(yè)巖氣等非常規(guī)油氣藏勘探提供技術(shù)支持［1］。聲反射成像中，發(fā)射換能器激勵(lì)出的聲信號(hào)經(jīng)過井孔泥漿進(jìn)入地層，再經(jīng)過地層構(gòu)造反射回井孔，最后被泥漿包裹的接收換能器接收，這一個(gè)過程存在多層界面反射衰減、幾何擴(kuò)散衰減、介質(zhì)顆粒散射、傳播介質(zhì)粘滯及熱傳導(dǎo)等弛豫過程引起的衰減等多種衰減形式，最終到達(dá)接收換能器的信號(hào)被大大地削弱，而沿井壁傳播的模式波的衰減則會(huì)小得多，因此，接收波序中反射波強(qiáng)度會(huì)比井孔模式波小得多，影響到反射聲波的提取。如何將反射波在接收波序中提取出來是目前聲反射成像技術(shù)的最大難點(diǎn)，近年來關(guān)于反射聲波成像的波場(chǎng)分離方面已經(jīng)開展了很多研究［2-3］，并取得了一定的成果，但仍不能從根本上解決這個(gè)問題。本文則希望通過對(duì)聲源的頻譜特性的改進(jìn)來抑制或消除井孔模式波進(jìn)而提高反射波的能量，從根本上達(dá)到提高反射波信噪比的目的。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，首先需要對(duì)井孔模式波的傳播特性進(jìn)行研究，還需要對(duì)發(fā)射換能器輻射性能進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。本文首先通過對(duì)井孔模式波傳播特性的分析，得到理想遠(yuǎn)探測(cè)聲源的特征；其次根據(jù)要求對(duì)現(xiàn)有換能器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真得到最佳的換能器設(shè)計(jì)參數(shù)；最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作換能器的實(shí)物樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2　橫波遠(yuǎn)探測(cè)換能器設(shè)計(jì)關(guān)鍵

井孔聲源激勵(lì)產(chǎn)生的接收波列可能包含有井孔模式波（縱波模式、橫波模式和斯通利波）和反射波（縱波、橫波及轉(zhuǎn)換波）兩部分，前者對(duì)應(yīng)常規(guī)的多極子聲波測(cè)井，后者為聲反射測(cè)井。通常，對(duì)于來自距離井壁數(shù)十米的反射波，其能量比井孔模式波要小兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)，因此現(xiàn)有的反射波測(cè)井一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是如何在強(qiáng)本底噪聲環(huán)境下提取反射波。本節(jié)將從提高反射波聲強(qiáng)和抑制井孔模式波強(qiáng)度兩個(gè)角度，探索合理的橫波遠(yuǎn)探測(cè)換能器設(shè)計(jì)方案，可以概況成如下五點(diǎn)：

（1）低頻

由于介質(zhì)存在弛豫現(xiàn)象聲波傳播過程中會(huì)發(fā)生衰減，一般衰減系數(shù)與頻率的平方成正比［4］，因此，為了提高探測(cè)距離遠(yuǎn)探測(cè)儀器一般將換能器的工作頻率設(shè)定在低頻段。而且，對(duì)偶極遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井來說，降低發(fā)射器頻率，會(huì)不利于模式波的激發(fā)，而使更多的能量透射到地層中，最終遇到異常地質(zhì)體時(shí)會(huì)反射到井內(nèi)［5］。

（2）大功率

探測(cè)距離是遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，如今，基于常規(guī)偶極子陣列聲波儀器如X-MAC測(cè)試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果能夠探測(cè)到井孔周圍幾十米的范圍［6］。為了進(jìn)一步提高儀器的探測(cè)距離，需要進(jìn)一步地提高換能器的輻射能量，這是因?yàn)槿绻豢紤]幾何擴(kuò)散衰減，聲壓級(jí)增加12 dB則探測(cè)距離將達(dá)到原來的兩倍（球面波擴(kuò)散）。

（3）偶極發(fā)射

遠(yuǎn)探測(cè)技術(shù)最早采用單極子聲源，根據(jù)單極源的激發(fā)譜可以知：快速地層中低頻單極子主要產(chǎn)生斯通利波；慢速地層中低頻單極子除激勵(lì)出斯通利波外還存在較強(qiáng)的縱波和橫波?？v波、橫波和斯通利波的存在均會(huì)影響反射波的提?。?］，因此單極子的遠(yuǎn)反射一般都采用較高的頻率，雖然分辨率較高，但其探測(cè)距離也相應(yīng)較短，而且無方位分辨能力。

橫波遠(yuǎn)探測(cè)采用偶極子作為聲源，偶極發(fā)射和偶極接收攜帶范圍信息，可以識(shí)別構(gòu)造的方位特征。根據(jù)偶極源的激發(fā)譜可知：快速地層中低頻偶極子主要激勵(lì)出斯通利波和彎曲波，其中彎曲波存在低頻截止頻率，當(dāng)工作頻率低于截止頻率時(shí)，彎曲波將不會(huì)被激發(fā)，而斯通利波輕微頻散，相對(duì)容易被消除；慢速地層中，彎曲波、縱波、橫波均存在低頻截止頻率，當(dāng)換能器工作在截止頻率以下時(shí)，這些井孔模式波將不會(huì)被激勵(lì)出來［8-9］。

（4）發(fā)射能量集中

基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的換能器均具有高階振動(dòng)模式，隨著階數(shù)的增加，其諧振頻率也會(huì)提高，從而會(huì)逐漸高于井孔彎曲波的截止頻率，這將激勵(lì)出井孔彎曲波，而彎曲波會(huì)干擾反射波的提取，因此，需要通過優(yōu)化降低換能器的高階振動(dòng)模式的頻率響應(yīng)，使輸入電能盡可能地以低頻振動(dòng)輻射出去。

（5）指向性對(duì)稱

‘8’字形偶極子指向性對(duì)稱與否是衡量偶極子換能器性能好壞的重要技術(shù)指標(biāo)，指向性不對(duì)稱的換能器可以近似看成一個(gè)理想的偶極子和一個(gè)偏置的單極子，而低頻單極子將會(huì)激發(fā)出較強(qiáng)的斯通利波，從而影響反射波的提取。

3　換能器仿真及優(yōu)化

根據(jù)上面總結(jié)，理想的遠(yuǎn)探測(cè)發(fā)射換能器應(yīng)該是發(fā)射能量集中在低頻率段的大功率偶極換能器。本文提出一種基于三疊片的偶極子橫波遠(yuǎn)探測(cè)換能器。三疊片具有很小的頻率常數(shù)，用較小的尺寸就能夠?qū)崿F(xiàn)低頻大功率輻射，而且又能夠耐高溫、高壓，非常有利于設(shè)計(jì)測(cè)井用低頻偶極子換能器［10］。設(shè)計(jì)的換能器結(jié)構(gòu)如圖1所示，由八組三疊片安裝在一圓柱形骨架上構(gòu)成，三疊片分別組成上下兩個(gè)正方形陣，通過對(duì)激勵(lì)方式的調(diào)節(jié)，使相互平行的四組三疊片同向彎曲振動(dòng)，構(gòu)成換能器的x軸，而正交方向的另外四組三疊片則構(gòu)成換能器的y軸。

圖1　換能器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of transducer

本文擬采用有限元法對(duì)換能器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性及聲場(chǎng)輻射特性進(jìn)行研究，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)換能器進(jìn)行建模分析［11］，根據(jù)換能器測(cè)試及使用狀態(tài)分別分析換能器在空氣及流體中（浸泡入充滿硅油的油囊，并在水池中測(cè)試）的結(jié)構(gòu)振型、諧振頻率、輸入電導(dǎo)納、發(fā)射電壓響應(yīng)及指向性等特性。換能器安裝骨架采用1Gr18Ni9Ti，三疊片基片采用LY12，壓電陶瓷采用常規(guī)PZT-4，以上材料參數(shù)均參照《水聲材料手冊(cè)》［12］。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征對(duì)換能器進(jìn)行準(zhǔn)物理抽象，簡(jiǎn)化模型以提高運(yùn)算速度：裝配骨架是換能器結(jié)構(gòu)的一部分，建模時(shí)需要考慮其對(duì)換能器振動(dòng)的影響；換能器中三疊片用螺釘緊固在安裝骨架上，為了降低模型復(fù)雜度，建模時(shí)簡(jiǎn)化掉螺釘而將三疊片兩端和安裝骨架定義成粘接；儀器中換能器兩端用氟橡膠支撐，氟橡膠對(duì)換能器的振動(dòng)影響很小，因此換能器兩端均定義為自由邊界條件。根據(jù)上述分析得到仿真分析模型如圖2所示。

首先采用模態(tài)分析獲得換能器在低頻端的偶極子振型。分析發(fā)現(xiàn)換能器在500 Hz～8 kHz范圍內(nèi)存在四個(gè)主要的振動(dòng)模式，如圖3所示。

圖2　換能器仿真模型Fig.2 Simulation mode of transducer

圖3　換能器低階振型Fig.3 Transducer low frequency modes of vibration

仿真分析換能器在空氣中的輸入電導(dǎo)納，如圖4所示，換能器在500 Hz～8 kHz頻帶范圍內(nèi)存在一系列的諧振峰，與上述振型對(duì)比發(fā)現(xiàn)：最低階諧振峰對(duì)應(yīng)為圖3（a）換能器長(zhǎng)度方向的一階彎曲振動(dòng)，由于換能器長(zhǎng)度方向的剛度過大，這階模態(tài)不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的聲輻射，對(duì)總的輻射能量貢獻(xiàn)不大。第二個(gè)諧振峰對(duì)應(yīng)為圖3（b）三疊片的一階彎曲振動(dòng)，本階模式無論是諧振頻率還是振動(dòng)響應(yīng)都符合遠(yuǎn)探測(cè)換能器的設(shè)計(jì)要求，為換能器的主要振動(dòng)模式。為了使設(shè)計(jì)換能器滿足“能量集中”的要求，設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中需要盡量抑制圖3（c）和圖3（d）兩種振型所產(chǎn)生的振動(dòng)。

圖4　換能器輸入電導(dǎo)納（仿真空氣中）Fig.4 Input electrical admittance of transducer （Simulation in air）

進(jìn)一步分析注油后換能器的輸入電導(dǎo)納，換能器主要能量均集中在低頻，因此只分析了換能器在600～1800 Hz范圍內(nèi)的輸入電特性，結(jié)果如圖5所示，由于輻射阻抗的增加，換能器諧振頻率向低頻偏移，而且輸入電導(dǎo)也隨之變小。

考察換能器在諧振頻率（1238 Hz）處的水平指向性，結(jié)果如圖6所示，換能器在水平面上具有標(biāo)準(zhǔn)的偶極子指向性。

圖5　換能器輸入電導(dǎo)納（仿真硅油中）Fig.5 Input electrical admittance of transducer （Simulation in silicon oil）

圖6　1238 Hz處換能器指向性（仿真）Fig.6 Transducer directivity pattern at 1238 Hz （Simulation）

4　換能器測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述仿真結(jié)果制作換能器樣機(jī)，并與現(xiàn)用偶極子橫波遠(yuǎn)探測(cè)換能器（X-MAC）進(jìn)行對(duì)比。樣機(jī)長(zhǎng)度約為410 mm，直徑為76 mm，尺寸上與X-MAC換能器相當(dāng)。

首先，測(cè)試樣機(jī)在空氣中的輸入電阻抗，測(cè)試結(jié)果如圖7所示，分別測(cè)量換能器在x軸和y軸的結(jié)果。

圖7　換能器輸入電導(dǎo)納（實(shí)測(cè)空氣中）Fig.7　Transducer input electrical admittance （Test in air）

將樣機(jī)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示，發(fā)現(xiàn)三疊片彎曲振動(dòng)的兩階模態(tài)（1st和3rd）均吻合得很好，而換能器長(zhǎng)度方向彎曲振動(dòng)對(duì)應(yīng)的模態(tài)（2nd）存在較大誤差，分析主要原因是樣機(jī)測(cè)試時(shí)骨架兩端均安裝了一個(gè)法蘭盤（換能器固定用），增加了換能器的整體長(zhǎng)度。

測(cè)試結(jié)果表明，無論是換能器的三階彎曲振動(dòng)（2nd）還是三疊片的三階彎曲振動(dòng)（3rd）均得到很好抑制，因此分析換能器在流體中的輻射性能主要考慮換能器工作頻率在1 kHz附近的一階彎曲振動(dòng)模式。首先測(cè)試換能器浸泡在硅油中時(shí)的輸入電導(dǎo)納，如圖8所示。將實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示，仿真與實(shí)測(cè)吻合得很好。

采用自由場(chǎng)行波法對(duì)換能器樣機(jī)的指向性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試在中科院聲學(xué)所唐家?guī)X水池進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果如圖9所示?？梢钥吹?，無論是x軸還是與之正交的y軸均具有很好的偶極子指向性對(duì)稱。

表1　空氣中仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of simulation and test results in air

圖8　換能器輸入電導(dǎo)納（實(shí)測(cè)硅油中）Fig.8 Transducer input electrical admittance（Test in silicon oil）

圖9　換能器指向性（實(shí)測(cè)）Fig.9 Transducer directivity pattern（Test）

表2　硅油中仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparisons of simulation and test results in silicon oil

引入現(xiàn)用橫波遠(yuǎn)探測(cè)換能器（X-MAC）作為對(duì)比系，對(duì)比測(cè)試樣機(jī)產(chǎn)生的聲強(qiáng)，分別測(cè)試兩組換能器在1 kHz附近諧振頻率處的聲能。測(cè)試均采用Burst信號(hào)作為激勵(lì)源，信號(hào)中心頻率為相應(yīng)換能器的諧振頻率，同時(shí)保持信號(hào)輸入電壓不變。兩組實(shí)驗(yàn)分別取得測(cè)試結(jié)果，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理，處理結(jié)果如圖10所示，比較發(fā)現(xiàn)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果較X-MAC換能器高19 dB。

圖10　兩種換能器響應(yīng)比較Fig.10　Response comparison of two kinds of transducers

5　結(jié)論

本文針對(duì)橫波遠(yuǎn)探測(cè)的特殊應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種能夠滿足橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井實(shí)際應(yīng)用的耐高溫高壓的小尺寸低頻大功率偶極子換能器。本文采用有限元方法，對(duì)換能器結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性及聲輻射特性進(jìn)行模擬、仿真及優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了換能器實(shí)物樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示換能器工作時(shí)輻射的聲能主要集中在1.2 kHz附近；對(duì)比測(cè)試表明設(shè)計(jì)換能器在1.2 kHz附近的輻射能量較常規(guī)遠(yuǎn)探測(cè)換能器（X-MAC）高19 dB，如果只考慮球面幾何擴(kuò)散，換能器的探測(cè)距離達(dá)到常規(guī)儀器的3倍；樣機(jī)x軸及y軸的指向性測(cè)試結(jié)果表明樣機(jī)具有很好的偶極子指向性。以上測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)換能器具備低頻偶極發(fā)射、大功率輻射、輻射能量集中、指向性對(duì)稱良好等優(yōu)點(diǎn)，滿足橫波遠(yuǎn)探測(cè)測(cè)井應(yīng)用。目前換能器已經(jīng)裝配到新研制的偶極遠(yuǎn)探測(cè)儀器中，新?lián)Q能器的效果將會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中將得到進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

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Investigation of acoustic reflection imaging logging transducer

DAI Yuyu1YU Qijiao2WANG Xiuming1XIN Penglai1HE Hongbin1WANG Zhengbo1
（1 Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）
（2 Well Logging Company，Shengli Petroleum Administration，SINOPEC，Dongying 257096，China）

In order to increase signal-to-noise ratio and improve detection range of shear wave reflection imaging，a low-frequency high-power dipole transducer based on trilaminar bender bars is developed according to the analysis of excitation characteristics of dipole borehole mode and propagation characteristics of reflection wave to reduce relative energy of mode waves and increase the relative energy of reflection waves.To meet the demands of low-frequency，high-power，and dipole radiation，a finite element method is adopted to optimize the trilaminar bender bars structure，and then to have a transducer structure complied with the design requirements.Finally，a prototype is manufactured and tested in air and in oil tank.The test results show that the resonant frequency is about 1.2 kHz with an excellent dipole directivity pattern and the frequency response is 19 dB larger than the commonly used X-MAC transducer at this frequency.The test results are in agreement with the simulation ones very well，which proves the correctness of simulation method.The work may lay a solid foundation for the improvement of sonic reflection imaging logging performance and imaging quality.

Shear-wave imaging，Acoustic reflection imaging，Dipole，Transducer

P631.5+3

A

1000-310X（2015）03-195-06

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.03.002

2015-01-29收稿；2015-03-06定稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11404370），國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目（ZDYZ2012-1）

戴郁郁（1983-），男，湖南衡陽(yáng)人，助理研究員，研究方向：測(cè)井換能器及測(cè)井儀器。?

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