戴郁郁?　于其蛟　王秀明　　辛鵬來　　賀洪斌　　汪正波

（1中國科學院聲學研究所　北京　100190）

（2中石化勝利測井公司　東營　257096）

?2014年度全國檢測聲學會議優(yōu)秀論文專欄?

橫波遠探測測井換能器研究?

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中國科學院聲學研究所北京100190）

（2中石化勝利測井公司東營257096）

為提高偶極子橫波遠探測反射波的信噪比和增加其探測距離，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探測換能器，以降低模式波的相對能量和增加反射波的相對能量。為了得到滿足要求的低頻大功率偶極換能器，采用有限元方法對現(xiàn)有三疊片進行了優(yōu)化改進，得到一種符合設(shè)計要求的換能器結(jié)構(gòu)，最后制作了樣機并對其進行了測試。樣機測試結(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)成功將為偶極子遠探測測井儀器性能及成像質(zhì)量的提高奠定了堅實的基礎(chǔ)。

橫波遠探測，聲反射成像，偶極子，換能器

1　引言

橫波遠探測技術(shù)是近年來興起的一項基于聲反射成像的測井技術(shù)，利用該技術(shù)可以探測井壁周圍幾米到幾十米范圍內(nèi)的裂紋構(gòu)造，從而識別出隱蔽儲層，為頁巖氣等非常規(guī)油氣藏勘探提供技術(shù)支持［1］。聲反射成像中，發(fā)射換能器激勵出的聲信號經(jīng)過井孔泥漿進入地層，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，這一個過程存在多層界面反射衰減、幾何擴散衰減、介質(zhì)顆粒散射、傳播介質(zhì)粘滯及熱傳導等弛豫過程引起的衰減等多種衰減形式，最終到達接收換能器的信號被大大地削弱，而沿井壁傳播的模式波的衰減則會小得多，因此，接收波序中反射波強度會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，近年來關(guān)于反射聲波成像的波場分離方面已經(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問題。本文則希望通過對聲源的頻譜特性的改進來抑制或消除井孔模式波進而提高反射波的能量，從根本上達到提高反射波信噪比的目的。為了實現(xiàn)上述目標，首先需要對井孔模式波的傳播特性進行研究，還需要對發(fā)射換能器輻射性能進行設(shè)計和優(yōu)化。本文首先通過對井孔模式波傳播特性的分析，得到理想遠探測聲源的特征；其次根據(jù)要求對現(xiàn)有換能器的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計和仿真得到最佳的換能器設(shè)計參數(shù)；最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作換能器的實物樣機，并對樣機進行測試，對結(jié)果進行分析。

2　橫波遠探測換能器設(shè)計關(guān)鍵

井孔聲源激勵產(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，前者對應常規(guī)的多極子聲波測井，后者為聲反射測井。通常，對于來自距離井壁數(shù)十米的反射波，其能量比井孔模式波要小兩到三個數(shù)量級，因此現(xiàn)有的反射波測井一個關(guān)鍵技術(shù)是如何在強本底噪聲環(huán)境下提取反射波。本節(jié)將從提高反射波聲強和抑制井孔模式波強度兩個角度，探索合理的橫波遠探測換能器設(shè)計方案，可以概況成如下五點：

（1）低頻

由于介質(zhì)存在弛豫現(xiàn)象聲波傳播過程中會發(fā)生衰減，一般衰減系數(shù)與頻率的平方成正比［4］，因此，為了提高探測距離遠探測儀器一般將換能器的工作頻率設(shè)定在低頻段。而且，對偶極遠探測測井來說，降低發(fā)射器頻率，會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)體時會反射到井內(nèi)［5］。

（2）大功率

探測距離是遠探測技術(shù)的一個重要技術(shù)指標，如今，基于常規(guī)偶極子陣列聲波儀器如X-MAC測試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果能夠探測到井孔周圍幾十米的范圍［6］。為了進一步提高儀器的探測距離，需要進一步地提高換能器的輻射能量，這是因為如果只考慮幾何擴散衰減，聲壓級增加12 dB則探測距離將達到原來的兩倍（球面波擴散）。

（3）偶極發(fā)射

遠探測技術(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出斯通利波外還存在較強的縱波和橫波?？v波、橫波和斯通利波的存在均會影響反射波的提?。?］，因此單極子的遠反射一般都采用較高的頻率，雖然分辨率較高，但其探測距離也相應較短，而且無方位分辨能力。

橫波遠探測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出斯通利波和彎曲波，其中彎曲波存在低頻截止頻率，當工作頻率低于截止頻率時，彎曲波將不會被激發(fā)，而斯通利波輕微頻散，相對容易被消除；慢速地層中，彎曲波、縱波、橫波均存在低頻截止頻率，當換能器工作在截止頻率以下時，這些井孔模式波將不會被激勵出來［8-9］。

（4）發(fā)射能量集中

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

（5）指向性對稱

‘8’字形偶極子指向性對稱與否是衡量偶極子換能器性能好壞的重要技術(shù)指標，指向性不對稱的換能器可以近似看成一個理想的偶極子和一個偏置的單極子，而低頻單極子將會激發(fā)出較強的斯通利波，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)，理想的遠探測發(fā)射換能器應該是發(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探測換能器。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)計測井用低頻偶極子換能器［10］。設(shè)計的換能器結(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正方形陣，通過對激勵方式的調(diào)節(jié)，使相互平行的四組三疊片同向彎曲振動，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換能器的結(jié)構(gòu)振動特性及聲場輻射特性進行研究，運用有限元分析軟件ANSYS對換能器進行建模分析［11］，根據(jù)換能器測試及使用狀態(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，并在水池中測試）的結(jié)構(gòu)振型、諧振頻率、輸入電導納、發(fā)射電壓響應及指向性等特性。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》［12］。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征對換能器進行準物理抽象，簡化模型以提高運算速度：裝配骨架是換能器結(jié)構(gòu)的一部分，建模時需要考慮其對換能器振動的影響；換能器中三疊片用螺釘緊固在安裝骨架上，為了降低模型復雜度，建模時簡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，氟橡膠對換能器的振動影響很小，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)存在四個主要的振動模式，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，與上述振型對比發(fā)現(xiàn)：最低階諧振峰對應為圖3（a）換能器長度方向的一階彎曲振動，由于換能器長度方向的剛度過大，這階模態(tài)不會產(chǎn)生強的聲輻射，對總的輻射能量貢獻不大。第二個諧振峰對應為圖3（b）三疊片的一階彎曲振動，本階模式無論是諧振頻率還是振動響應都符合遠探測換能器的設(shè)計要求，為換能器的主要振動模式。為了使設(shè)計換能器滿足“能量集中”的要求，設(shè)計優(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。

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

進一步分析注油后換能器的輸入電導納，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準的偶極子指向性。

圖5　換能器輸入電導納（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　換能器測試結(jié)果

根據(jù)上述仿真結(jié)果制作換能器樣機，并與現(xiàn)用偶極子橫波遠探測換能器（X-MAC）進行對比。樣機長度約為410 mm，直徑為76 mm，尺寸上與X-MAC換能器相當。

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

圖7　換能器輸入電導納（實測空氣中）Fig.7　Transducer input electrical admittance （Test in air）

將樣機測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果如表1所示，發(fā)現(xiàn)三疊片彎曲振動的兩階模態(tài)（1st和3rd）均吻合得很好，而換能器長度方向彎曲振動對應的模態(tài)（2nd）存在較大誤差，分析主要原因是樣機測試時骨架兩端均安裝了一個法蘭盤（換能器固定用），增加了換能器的整體長度。

測試結(jié)果表明，無論是換能器的三階彎曲振動（2nd）還是三疊片的三階彎曲振動（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模式。首先測試換能器浸泡在硅油中時的輸入電導納，如圖8所示。將實測結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，對比結(jié)果如表2所示，仿真與實測吻合得很好。

采用自由場行波法對換能器樣機的指向性進行測試，測試在中科院聲學所唐家?guī)X水池進行，測試結(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稱。

表1　空氣中仿真與實測結(jié)果對比Table 1 Comparison of simulation and test results in air

圖8　換能器輸入電導納（實測硅油中）Fig.8 Transducer input electrical admittance（Test in silicon oil）

圖9　換能器指向性（實測）Fig.9 Transducer directivity pattern（Test）

表2　硅油中仿真與實測結(jié)果對比Table 2 Comparisons of simulation and test results in silicon oil

引入現(xiàn)用橫波遠探測換能器（X-MAC）作為對比系，對比測試樣機產(chǎn)生的聲強，分別測試兩組換能器在1 kHz附近諧振頻率處的聲能。測試均采用Burst信號作為激勵源，信號中心頻率為相應換能器的諧振頻率，同時保持信號輸入電壓不變。兩組實驗分別取得測試結(jié)果，然后對測試結(jié)果進行處理，處理結(jié)果如圖10所示，比較發(fā)現(xiàn)樣機的測試結(jié)果較X-MAC換能器高19 dB。

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

5　結(jié)論

本文針對橫波遠探測的特殊應用，設(shè)計了一種能夠滿足橫波遠探測測井實際應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，對換能器結(jié)構(gòu)振動特性及聲輻射特性進行模擬、仿真及優(yōu)化，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制作了換能器實物樣機，對樣機進行測試，測試結(jié)果顯示換能器工作時輻射的聲能主要集中在1.2 kHz附近；對比測試表明設(shè)計換能器在1.2 kHz附近的輻射能量較常規(guī)遠探測換能器（X-MAC）高19 dB，如果只考慮球面幾何擴散，換能器的探測距離達到常規(guī)儀器的3倍；樣機x軸及y軸的指向性測試結(jié)果表明樣機具有很好的偶極子指向性。以上測試結(jié)果表明，設(shè)計換能器具備低頻偶極發(fā)射、大功率輻射、輻射能量集中、指向性對稱良好等優(yōu)點，滿足橫波遠探測測井應用。目前換能器已經(jīng)裝配到新研制的偶極遠探測儀器中，新?lián)Q能器的效果將會在現(xiàn)場應用中將得到進一步的檢驗。

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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

?國家自然科學基金項目（11404370），國家重大科研裝備研制項目（ZDYZ2012-1）

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

E-mail：daiyuyu001@126.com