陳俊圓, 唐曉明, 蘇遠(yuǎn)大, 劉玉凱, 許松, 莊春喜

(中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 山東 青島 266580)

0 引 言

在深水、非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)中,隨鉆聲波測(cè)井技術(shù)已經(jīng)廣泛使用,并獲得了快速的發(fā)展[1-2]。近年來,具有方位探測(cè)特性的隨鉆方位聲波測(cè)井技術(shù)已成為新的研究熱點(diǎn),該技術(shù)通常采用方位聲源激勵(lì),并通過鉆鋌旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)實(shí)時(shí)獲取井外不同方位的地層彈性波速度信息。目前,已投入市場(chǎng)服務(wù)的隨鉆方位聲波測(cè)井儀器包括哈里伯頓公司的XBAT、威德福公司的CrossWave。Calleja等[3]和Market等[4]詳細(xì)介紹了哈里伯頓公司XBAT的儀器結(jié)構(gòu) ——四方位發(fā)射聲源及四方位的接收陣列,BP石油公司首先將其應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中,利用獲得的方位縱波成像結(jié)果進(jìn)行了Haynesville頁巖氣儲(chǔ)層水平井的實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向,成像效果與方位隨鉆側(cè)向電阻率成像結(jié)果有較好的一致性。Mickael等[5]介紹了威德福公司具有偏心單極子發(fā)射和接收的CrossWave隨鉆聲波測(cè)井儀器,該儀器可以在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中提供井周16個(gè)方位的地層速度信息,用以描述井周三維巖石力學(xué)特征,該技術(shù)已經(jīng)在美國東北部的頁巖儲(chǔ)層水平井中進(jìn)行測(cè)試,通過方位聲速差異指示該水平井段的頁巖達(dá)到了50%的各向異性。喬文孝等[6-7]提出了一種隨鉆地層界面聲波掃描測(cè)量和隨鉆方位聲波測(cè)井裝置。目前,中國也已開始立項(xiàng)研究開發(fā)類似儀器,但尚未投入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

對(duì)于隨鉆方位聲波測(cè)井,其儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于聲源發(fā)射功率與指向性。本文從壓電-流固耦合多物理場(chǎng)的角度出發(fā),考慮實(shí)際換能器的壓電效應(yīng)與材料之間的相互作用,考慮換能器附著于鉆鋌時(shí)的工作載荷產(chǎn)生的影響,利用大型有限元軟件ANSYS模擬計(jì)算了瓦片狀聲波發(fā)射換能器的電導(dǎo)曲線與水平指向性,考察了諧振頻率隨換能器尺寸參數(shù)的變化規(guī)律,進(jìn)而研究了鉆鋌及換能器開角對(duì)指向性能的影響,為隨鉆方位聲波測(cè)井儀器的研制提供理論依據(jù)。

1 隨鉆方位聲波換能器模型

本文研究了一種用于隨鉆方位聲波測(cè)井的瓦片狀復(fù)合結(jié)構(gòu)換能器,其結(jié)構(gòu)主要包括瓦片狀的壓電陶瓷晶體、外層灌封環(huán)氧樹脂材料的抗振動(dòng)沖擊保護(hù)層。為了考察換能器的工作頻率及其方位輻射特性,建立隨鉆方位聲波測(cè)井換能器的有限元模型(見圖1)。該模型同時(shí)考慮換能器和鉆鋌結(jié)構(gòu)及裝配方式。其中,綠色表示瓦片狀壓電陶瓷;黑色表示灌封的環(huán)氧樹脂層;紅色表示鉆鋌及換能器保護(hù)罩;藍(lán)色表示流體區(qū)域。

圖1 瓦片狀隨鉆方位測(cè)井聲源有限元模型

仿真模擬時(shí),發(fā)射換能器置于鉆鋌外側(cè)的凹槽內(nèi),用厚度2.5 mm的透聲保護(hù)罩固定在鉆鋌上,模型各部分的材料及尺寸參數(shù)見表1。此外,在外部流體區(qū)域半徑為0.5 m處設(shè)置了吸收單元fluid130,用于模擬無限大水域。由于換能器與鉆鋌在高度方向上對(duì)稱,模擬時(shí)只需建立1/2模型,可以極大地提高計(jì)算效率。

表1 有限元模型中各組件的尺寸及材料

彈性常數(shù)矩陣

×1010N/m2

(1)

介電常數(shù)矩陣

(2)

壓電常數(shù)矩陣

(3)

2 仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性,將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比(見圖2)。其中,黑色和紅色曲線分別表示實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果。從圖2可以看出,空氣中實(shí)測(cè)的諧振頻率為13.50 kHz,最大電導(dǎo)值為2.15 mS,仿真諧振頻率為13.60 kHz,最大電導(dǎo)值為2.26 mS;水中實(shí)測(cè)諧振頻率為12.95 kHz,最大電導(dǎo)值為0.82 mS,仿真諧振頻率為13.00 kHz,最大電導(dǎo)值為0.90 mS。仿真結(jié)果顯示,在所計(jì)算的頻率范圍內(nèi),仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好。與空氣中的結(jié)果相比,發(fā)射換能器在水中的諧振頻率與電導(dǎo)值有所下降,這是因?yàn)閾Q能器在水中的負(fù)載較空氣中更大。此外,電導(dǎo)曲線的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果之間的一致性證明了本文采用ANSYS建模方法的正確性,為后續(xù)的發(fā)射換能器性能分析提供了保障。

圖2 瓦片狀發(fā)射換能器實(shí)測(cè)與模擬電導(dǎo)曲線對(duì)比結(jié)果

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)諧振頻率影響

聲波測(cè)井中,以換能器諧振頻率進(jìn)行聲源激發(fā)是獲得大功率聲源的方法之一。因此,為考察隨鉆方位聲波換能器的諧振特征,以一種常規(guī)尺寸隨鉆聲波儀器的換能器為例,在保持鉆鋌及換能器結(jié)構(gòu)不變基礎(chǔ)上,考察了換能器開角角度、高度對(duì)瓦片狀方位聲波發(fā)射換能器諧振頻率的影響,探究諧振頻率與結(jié)構(gòu)變量之間的變化規(guī)律。計(jì)算時(shí)發(fā)射換能器尺寸及物理參數(shù)與表1一致。

圖3(a)是采用2種開角(80°、90°)及換能器高度(88、98 mm)時(shí)所計(jì)算的電導(dǎo)曲線。從圖3(a)可以看出,隨著換能器高度的增加,相同開角的換能器諧振頻率降低,最大電導(dǎo)值增大;隨著換能器開角的增加,相同高度換能器的諧振頻率略有降低,最大電導(dǎo)值變化不大。進(jìn)一步計(jì)算了4個(gè)開角70°、80°、90°、100°及4種高度78、88、98、108 mm情況下?lián)Q能器的電導(dǎo)曲線,提取了諧振頻率隨換能器高度和開角的變化規(guī)律[見圖3(b)]。從圖3(b)看出,瓦片狀發(fā)射換能器的諧振頻率隨著換能器高度增加、開角增加而降低,且高度對(duì)諧振頻率的靈敏度較開角更高。

圖3 換能器在不同高度、不同開角的電導(dǎo)曲線及變化趨勢(shì)圖

4 方位指向性影響因素分析

重點(diǎn)模擬了常規(guī)鉆鋌尺寸下隨鉆方位聲波發(fā)射換能器的水平指向性,考察了換能器的不同開角對(duì)方位指向性的影響。此外,在隨鉆聲波測(cè)井中鉆鋌占據(jù)了井內(nèi)大部分空間,要考察隨鉆發(fā)射換能器的輻射指向性特征,鉆鋌和換能器結(jié)構(gòu)的影響都應(yīng)當(dāng)被考慮在內(nèi)。

圖4 有鉆鋌、無鉆鋌情況下?lián)Q能器聲壓分布圖與指向性對(duì)比圖

為與鉆鋌存在的情況作對(duì)比,首先考察無鉆鋌存在時(shí)換能器的聲場(chǎng)輻射特性。圖4(a)為無鉆鋌存在時(shí)瓦片狀發(fā)射換能器在流體中處于自由狀態(tài)下的聲壓輻射圖,從聲壓輻射圖中可看出,90°瓦片狀的發(fā)射換能器在自由狀態(tài)下無明顯的方位輻射指向性。圖4(b)為有鉆鋌存在的情況下發(fā)射換能器的聲壓輻射圖,該結(jié)果與吳金平等[12]實(shí)驗(yàn)測(cè)得的指向性形態(tài)相似,可看出由于大尺寸鉆鋌的存在以及保護(hù)罩的固定作用,使換能器的聲場(chǎng)輻射特征發(fā)生了很明顯的變化,聲波能量透過保護(hù)罩主要向換能器一側(cè)定向輻射,而鉆鋌背面一側(cè)輻射出的能量較少,這表明鉆鋌起到了對(duì)聲波的阻擋作用。圖4(c)為換能器的水平輻射指向性圖,粗實(shí)線為有鉆鋌存在時(shí)的水平指向性曲線,虛線為無鉆鋌時(shí)的指向性曲線。從圖4(c)指向性圖上可以看到,存在鉆鋌時(shí)指向性主瓣清晰,位于發(fā)射換能器正對(duì)輻射方向(θ=45°)上,聲幅較大且旁瓣較小,表明鉆鋌存在時(shí)發(fā)射換能器的方位分辨率較無鉆鋌時(shí)明顯提高。

進(jìn)一步考察換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)方位指向性的影響,保持鉆鋌結(jié)構(gòu)參數(shù)及換能器的其他參數(shù)不變,計(jì)算換能器開角角度θ分別為70°、80°、90°、100°等4種情況下的換能器水平指向性,其幅度歸一化后的指向性曲線見圖5。模擬時(shí)固定聲源主頻為14 kHz。從圖5可以看到,4種開角換能器均具有良好的方位指向特征,在目的方位θ=45°方向上均顯示了明顯主瓣,同時(shí)隨著開角增大,主瓣角逐漸變寬,方位分辨率逐漸降低,旁瓣則無明顯變化規(guī)律。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是開角的增大降低了換能器兩側(cè)鉆鋌對(duì)聲場(chǎng)的阻擋作用,使之在其余方向也輻射了聲場(chǎng),導(dǎo)致主瓣角變寬。由模擬結(jié)果可知,為滿足隨鉆方位高分辨率的測(cè)量要求,在換能器設(shè)計(jì)時(shí)可考慮降低換能器的開角角度。

圖5 不同開角換能器的水平指向性圖

5 結(jié) 論

(1) 瓦片狀方位換能器的高度和開角是換能器諧振頻率的重要影響因素,隨著換能器高度或開角增加,換能器的諧振頻率向低頻移動(dòng),且高度對(duì)諧振頻率的影響較角度的影響大。

(2) 隨鉆測(cè)量環(huán)境下,鉆鋌的存在阻擋了聲信號(hào)向鉆鋌方向傳播,使換能器輻射指向的方位分辨率大大提高。此外,瓦片狀隨鉆方位換能器的輻射指向性還受到換能器開角大小的影響,當(dāng)換能器開角減小時(shí),指向性圖上的主瓣角寬變窄,方位分辨率提高。

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