隨鉆多極子聲波測井儀接收聲系的優(yōu)化設(shè)計與試驗

孫志峰， 仇 傲， 金 亞， 李 杰， 羅 博， 彭凱旋

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

隨鉆聲波測井在提高鉆井效率、節(jié)省平臺占用時間和實時地層評價等方面比傳統(tǒng)的電纜聲波測井具有較大優(yōu)勢，因此，近些年廣泛應(yīng)用于油氣田勘探與開發(fā)[1–3]。與電纜聲波測井儀的測量環(huán)境相比，隨鉆聲波測井儀的測量環(huán)境更加復(fù)雜，不可避免地受到鉆具振動、鉆井噪聲等因素影響，因此提高隨鉆聲波信號的信噪比更有利于地層評價[4–5]。隨鉆聲波測井儀的接收聲系包含接收傳感器、近探頭采集電路系統(tǒng)等，主要用于地層信號的采集處理，其設(shè)計非常復(fù)雜。因此，接收聲系設(shè)計和研制成為我國研制隨鉆多極子聲波測井儀的關(guān)鍵[6]。

電纜多極子陣列聲波測井儀的接收聲系，一般采用橡膠皮囊作為封裝外殼，外殼里面充滿硅油，以保證聲系內(nèi)外壓力平衡[7–8]。而隨鉆測井環(huán)境復(fù)雜、惡劣，鉆井液中的巖石碎屑對測井工具外殼的沖刷非常嚴(yán)重，傳統(tǒng)的橡膠皮囊很容易被劃破；另外，接收換能器需要安裝在鉆鋌狹小的凹槽內(nèi)，傳統(tǒng)橡膠皮囊封裝接收聲系的方式也不適用于隨鉆聲波測井儀。目前，隨鉆聲波測井儀接收聲系主要有2種設(shè)計方案：1）接收換能器采用多個壓電陶瓷片串聯(lián)或并聯(lián)，利用非導(dǎo)電材料對其封裝，采集電路安裝在鉆鋌內(nèi)部，該設(shè)計方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易維保，但封裝工藝復(fù)雜，且無法接收方位信號[9]；2）采用充油型長條方管金屬外殼，在鉆鋌的4個方位凹槽內(nèi)分別安裝接收聲系，采集多方位的陣列聲波信號，進(jìn)行相位疊加獲取地層的縱橫波信息[10]。第2種設(shè)計方案適用于隨鉆多極子信號或隨鉆方位信號的測量，優(yōu)點是不需要復(fù)雜的換能器封裝工藝，但涉及接收換能器設(shè)計、安裝方式等其他技術(shù)問題；另外，需要采用聲系外殼密封保護(hù)接收換能器，因此，需要對接收聲系外殼進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

基于以上分析，筆者采用有限元分析方法，對適用于隨鉆多極子聲波測井儀的疊片型接收換能器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[11]，并設(shè)計制作了一種長條方管形薄壁鋁殼的接收聲系封裝外殼，然后在室內(nèi)對接收聲系進(jìn)行了接收靈敏度及聲學(xué)試驗，以期為隨鉆多極子聲波測井儀接收聲系的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。

1 隨鉆多極子接收聲系模擬模型

隨鉆多極子聲波測井儀采用四方位陣列接收方式，每個方位安裝8個陣列接收換能器，為保證接收換能器不受鉆鋌振動的影響，需要把換能器固定在聲系骨架上。圖1為其中一條接收聲系的二維截面。換能器采用兩端鉗定邊界方式固定在聲系骨架上，相鄰2個接收換能器的距離為0.152 4 m。為了減小鉆鋌波對接收信號的影響，把相鄰2個接收換能器之間的骨架鏤空，鏤空位置安裝近探頭電路板。骨架外面采用長條方管外殼封裝，外殼內(nèi)充滿硅油。方管的一端安裝壓力平衡裝置，以保證測井儀接收聲系在高溫高壓條件下內(nèi)外壓力平衡。

圖1 隨鉆多極子接收聲系二維截面示意Fig.1 Two-dimensional cross section of receiver sonde in multipole acoustic LWD tool

接收聲系中的換能器采用了疊片型接收換能器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。接收換能器由2片相同尺寸的壓電陶瓷片和3個金屬基片粘接而成。壓電陶瓷片及金屬基片均采用矩形板狀結(jié)構(gòu)，上下2個金屬基片的長度和寬度與壓電陶瓷片一致。因接收換能器通過中間金屬基片固定在接收聲系骨架上，其長度略大于上下2個金屬基片，寬度與上下2個金屬基片相同。2片壓電陶瓷片的極化方向相反，換能器采用并聯(lián)工作方式，中間的金屬基片接電源負(fù)極，2片壓電陶瓷片外側(cè)面接電源正極。換能器受外部聲場的作用發(fā)生形變，從而產(chǎn)生電信號。

圖2 疊片型接收換能器的三維結(jié)構(gòu)Fig.2 Three-dimensional structure of laminated receiving transducer

孫志峰等人[12]采用有限元法分析了邊界條件對疊片型隨鉆多極子接收換能器接收靈敏度的影響，本文在此基礎(chǔ)上對疊片型接收換能器進(jìn)行幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計。數(shù)值模擬分析計算時，采用的壓電陶瓷片材料為PZT-5A，金屬基片材料為銅，長條方管材質(zhì)為鋁，骨架材質(zhì)為PEEK。計算分析時忽略粘膠、引線及電路板等裝配結(jié)構(gòu)的影響。圖2所示模型中，壓電陶瓷片的長度為50.0 mm，寬度為25.0 mm，厚度為2.5 mm。上下2個金屬基片的長度和寬度與壓電陶瓷片相同，厚度均為0.2 mm；中間金屬基片的長度為 55.0 mm，寬度為 25.0 mm，厚度取1.0 mm；中間金屬基片兩端打孔，采用兩端鉗定邊界方式用螺栓固定在接收聲系骨架上。

2 壓電陶瓷片的優(yōu)化設(shè)計

通過分析陶瓷片厚度、面積對接收靈敏度的影響，進(jìn)行了壓電陶瓷片的優(yōu)化設(shè)計。數(shù)值模擬分析中，為了減小計算量，忽略接收聲系骨架、接收聲系外殼等結(jié)構(gòu)的影響，僅考察單個接收換能器的靈敏度響應(yīng)。

2.1 陶瓷片厚度對接收靈敏度的影響

壓電陶瓷片厚度分別為 1.5，2.0，2.5，3.0 和 3.5 mm，其他參數(shù)保持不變，模擬分析壓電陶瓷片厚度對接收換能器靈敏度的影響，結(jié)果如圖3所示（壓電陶瓷片厚度記為D）。

圖3 不同厚度陶瓷片的接收靈敏度曲線Fig.3 Receiving sensitivity curves of piezoelectric ceramic slices with different thicknesses

從圖3可以看出：不同厚度壓電陶瓷片的接收靈敏度曲線變化規(guī)律相似，均存在一個靈敏度極小值；隨著壓電陶瓷片厚度增大，靈敏度極小值頻率點向低頻移動；頻率低于15 kHz時，壓電陶瓷片厚度越大，接收靈敏度越高；壓電陶瓷片厚度越小，靈敏度曲線的變化幅度越小。由于壓電陶瓷片的厚度決定了接收聲系凹槽深度，為了保證鉆鋌的機(jī)械強(qiáng)度，壓電陶瓷片的厚度不宜太大。因此，壓電陶瓷片厚度取 2.5 mm。

2.2 陶瓷片表面積對接收靈敏度的影響

其他參數(shù)保持不變，2個壓電陶瓷片的厚度均為 2.5 mm，表面積（長×寬）分別為 40.0 mm×20.0 mm、50.0 mm×25.0 mm、60.0 mm×30.0 mm，模擬分析壓電陶瓷片表面積對接收換能器靈敏度的影響，結(jié)果如圖4所示（壓電陶瓷片的長度記為L，寬度記為W）。

圖4 不同表面積壓電陶瓷片的接收靈敏度曲線Fig.4 Receiving sensitivity curves of piezoelectric ceramic slices with different areas

從圖4可以看出，換能器的工作頻率低于15 kHz時，不同表面積陶瓷片的靈敏度相近，且隨著頻率增大而逐漸降低；頻率在15～35 kHz時，表面積小的陶瓷片靈敏度較低，而表面積大的陶瓷片靈敏度較高。由于隨鉆聲波測井儀的工作一般頻率低于15 kHz，在該頻率范圍內(nèi)不同表面積的陶瓷片靈敏度差異不大。因此，為了節(jié)省鉆鋌開槽空間，壓電陶瓷片尺寸取 40.0 mm×20.0 mm。

3 接收聲系的優(yōu)化設(shè)計

除了接收換能器的厚度和表面積對接收靈敏度有較大影響外，接收換能器的封裝外殼對接收信號的靈敏度也有很大影響，因此對圖1中的長條方管鋁殼接收聲系建立了有限元分析模型，考察鋁殼特性對接收靈敏度的影響（每個疊片型接收換能器取優(yōu)化后的幾何尺寸）。

3.1 鋁殼厚度對接收靈敏度的影響

考察鋁殼厚度分別為0.1，0.3，0.5和0.7 mm 時的接收靈敏度，結(jié)果如圖5所示（鋁殼厚度記為T）。

從圖5可以看出：在隨鉆聲波測井儀工作頻段內(nèi)（低于 15 kHz），鋁殼厚度為 0.1 mm 時，在頻率14.8 kHz 處出現(xiàn)最小值?220.6 dB，在頻率 2.6 kHz處出現(xiàn)最大值?202.6 dB，變化幅度為 18.0 dB；鋁殼厚度為0.3 mm時，在頻率9.8 kHz處出現(xiàn)最小值?220.1 dB，在頻率 10.0 kHz處出現(xiàn)最大值?195.4 dB，變化幅度為24.7 dB；鋁殼厚度為0.5 mm時，在頻率14.4 kHz 處出現(xiàn)最小值?222.0 dB，在頻率 4.7 kHz處出現(xiàn)最大值?193.7 dB，變化幅度為 28.3 dB；鋁殼厚度為0.7 mm時，在頻率7.1 kHz處出現(xiàn)最小值?227.5 dB，在頻率 9.6 kHz 處出現(xiàn)最大值?194.6 dB，變化幅度為32.9 dB。模擬結(jié)果表明，金屬鋁殼厚度越薄，換能器接收靈敏度變化幅度越小，反之越大。因此，在鋁殼厚度加工能力允許范圍內(nèi)，盡量采用較薄的鋁殼封裝換能器，這樣更有利于不同頻率接收信號的采集。

圖5 不同鋁殼厚度下的接收靈敏度曲線Fig.5 Receiving sensitivity curves of different aluminum shell thicknesses

3.2 鋁殼表面平整度對接收靈敏度的影響

考察鋁殼表面的平整度對接收換能器靈敏度的影響時，利用接收換能器模型的對稱性，只需模擬二分之一結(jié)構(gòu)即可。二分之一接收聲系的二維（XZ向）截面如圖6所示。圖6中，鋁殼的表面有隨機(jī)分布的凹槽凸起結(jié)構(gòu)，截取一個接收換能器結(jié)構(gòu)單元，其他接收器單元未顯示。鋁殼的上下表面對稱分布，凹槽和凸起高度均為0.1 mm，鋁殼厚度為0.5 mm。接收換能器位于鋁殼中心，兩端采用鉗定邊界方式固定，鋁殼內(nèi)充滿硅油。

圖6 接收聲系的二維截面Fig.6 Two-dimensional cross section of receiver sonde

圖7所示為平整鋁殼與不平整鋁殼接收靈敏度曲線對比。

圖7 平整鋁殼與不平整鋁殼接收靈敏度的對比Fig.7 Comparison of receiving sensitivity between flat and uneven aluminum shells

從圖7可以看出：在聲波測井儀工作頻段內(nèi)（低于 15 kHz），鋁殼表面不平整時，在頻率 13.9 kHz處出現(xiàn)最小值?225.8 dB，在頻率 2.6 kHz 處出現(xiàn)最大值?183.7 dB，變化幅度為 42.1 dB；鋁殼表面平整時，2.1中模擬厚度為0.5 mm鋁殼接收聲系的靈敏度變化幅度為28.3 dB。因此，表面平整鋁殼的靈敏度變化幅度遠(yuǎn)小于表面不平整鋁殼。另外，鋁殼表面不平整，還會產(chǎn)生更多的靈敏度跳躍點，因此，保持鋁殼表面平整，更有利于接收測量信號。

4 多極子接收聲系的制作及試驗

4.1 接收聲系的制作

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的疊片型接收換能器的幾何參數(shù)，加工制作了一種隨鉆多極子接收聲系，其內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)如圖8所示。8個接收換能器采用機(jī)械安裝方式固定在接收聲系骨架上，接收換能器之間固定近探頭采集電路板；另外，采用非導(dǎo)電材料對接收聲系骨架包裹，以有效保護(hù)壓電陶瓷片及采集電路板。

根據(jù)前述數(shù)值模擬結(jié)果，應(yīng)該采用厚度較薄且表面均勻的鋁殼，但傳統(tǒng)的制作方法是把圓柱管軋制成長條方形鋁殼，這種制造工藝會導(dǎo)致鋁殼厚度不均勻，表面不平整。為了更好地接收測量信號，采用最新的3D打印技術(shù)制作了長條方管鋁殼（見圖9）。實際打印的鋁殼厚度為0.5 mm，且厚度非常均勻，表明平整平滑。把圖8所示的接收聲系骨架放入到鋁殼中，并充滿硅油。

圖8 接收聲系骨架實物Fig.8 Skeleton of receiver sonde

圖9 3D打印的鋁殼實物Fig.9 Aluminum shell processed by 3D printing technology

4.2 接收靈敏度試驗

在消聲水池進(jìn)行接收聲系靈敏度試驗，水池尺寸 50 m×15 m×10 m。采用與標(biāo)準(zhǔn)水聽器作比較的方法進(jìn)行測量[13]，測量時以4個周期的Burst 信號激勵圓管狀單極子發(fā)射器，電壓峰峰值為100 V，掃頻范圍 4～20 kHz，步長 500 Hz。隨鉆多極子接收聲系通過試驗得到的接收靈敏度曲線，以及數(shù)值計算得到的靈敏度曲線如圖10所示。

圖10 試驗與數(shù)值計算得到的接收靈敏度曲線對比Fig.10 Comparison of receiving sensitivity curves between experiment and calculation results

從圖10可以看出，接收聲系的接收靈敏度在頻率 4 kHz 處出現(xiàn)最大值?207.8 dB，在頻率 19 kHz 處最小，為?215.8 dB，變化幅度為 8.0 dB。試驗結(jié)果表明，該接收聲系在整個頻率范圍內(nèi)接收靈敏度幅度變化很小，非常有利于單極或四極等對不同頻率測量信號的接收。對比理論計算結(jié)果可知，4～18 kHz頻率范圍內(nèi)，靈敏度曲線均緩慢降低，但理論計算的靈敏度曲線跳躍點比較多。導(dǎo)致兩者存在這些差異的原因可能是，有限元計算時所選用的材料參數(shù)與實際接收器的材料參數(shù)不完全一致，有限元計算時忽略了近探頭采集電路板和換能器粘接層等因素，測量時流體介質(zhì)模型與有限元計算模型也不完全相同，實驗室試驗的掃頻步長大于數(shù)值模擬時的頻率步長，同時試驗也存在一些誤差。由于接收聲系實際的靈敏度變化幅度小于8.0 dB，說明優(yōu)化設(shè)計后接收聲系中各項參數(shù)是合理的，該接收聲系具有高靈敏度、寬頻帶的特點。

4.3 接收聲系水槽試驗

為了驗證接收聲系外殼厚度對接收信號幅度的影響，制作了厚度分別為0.5和2.0 mm的長條方管鋁殼，并分別封裝了接收聲系，在實驗室半開口水槽進(jìn)行試驗[14]。試驗裝置如圖11所示：把單條的接收聲系放置在充滿水的半開口水槽底部，發(fā)射端放置一個自制發(fā)射測試短鋌，測試短鋌安裝隨鉆單極子發(fā)射換能器[15–16]；發(fā)射換能器距離接收聲系第一個接收換能器的距離為3.50 m；水槽內(nèi)徑200 mm、開口120°，壁厚2.0 mm，要保證水的深度覆蓋發(fā)射測試短鋌；采用自制的高壓發(fā)射電路激勵單極發(fā)射換能器，發(fā)射電壓為±2 000 V 的脈沖信號，聲源中心激發(fā)頻率為10 kHz；采用示波器記錄套管波信號。

圖11 試驗裝置示意Fig.11 Experimental setup

不同厚度鋁殼的接收聲系在水槽中接收到的信號如圖12 所示。 其中，圖12（a）、圖12（b）分別為壁厚2.0和0.5 mm鋁殼的接收聲系時域接收信號的波形及時間慢度相同分析結(jié)果。

從圖12（a）可以看出：套管波信號約 0.8 ms到達(dá)接收聲系，第1，3，4，5和8道接收信號的首波較為明顯，而其他道的接收器信號幅度非常弱，且噪聲信號干擾很大；由時間慢度相關(guān)分析結(jié)果可見，該信號的慢度約為200 μs/m，且相關(guān)系數(shù)較低，表明接收到信號的誤差較大。

圖12 試驗記錄的測量波形Fig.12 Waveforms recorded in experiments

從圖12（b）可以看出：套管波信號約 0.8 ms到達(dá)接收聲系，且8個接收器首波信號幅度都比較強(qiáng)，噪聲信號很小；由時間慢度相關(guān)分析結(jié)果可見，該信號的慢度約為192 μs/m，且相關(guān)系數(shù)很大，波形相關(guān)性良好，因此接收到信號的誤差很小。

接收聲系水槽試驗結(jié)果表明，采用薄壁長條方管封裝的接收聲系可以接收到套管波信號，且接收聲系外殼厚度對接收信號有很大影響，實際制作接收聲系時封裝外殼應(yīng)該盡量采用薄壁外殼。

5 結(jié) 論

1）數(shù)值模擬結(jié)果表明，在隨鉆聲波測井儀的工作頻率內(nèi)，隨著壓電陶瓷片厚度增大，接收換能器的靈敏度增強(qiáng)；壓電陶瓷片的表面積增大對接收靈敏度影響不大。實際制作接收換能器時，壓電陶瓷片太厚會導(dǎo)致鉆鋌開槽深度太深，使鉆鋌機(jī)械強(qiáng)度降低。壓電陶瓷片厚度以2.5 mm左右為宜，表面積取 40.0 mm×20.0 mm。

2）數(shù)值模擬結(jié)果表明，接收聲系外殼表面平整度越好，外殼厚度越小，接收靈敏度的變化幅度越小。采用3D打印技術(shù)制作超薄聲系外殼，可以提高聲系外殼的平整度，有利于提高采集信號的質(zhì)量。

3）優(yōu)化設(shè)計后的接收聲系的靈敏度試驗表明，在頻率為4～18 kHz頻帶內(nèi)，接收靈敏度最小值為?215.8 dB，靈敏度變化幅度小于 8.0 dB。水槽聲學(xué)試驗表明，接收聲系鋁殼壁厚為0.5 mm比為2.0 mm接收到的套管波信號更強(qiáng)，波形相關(guān)性更好。