用于隨鉆聲波測井的圓弧片狀壓電振子

吳金平, 陸黃生, 張衛(wèi), 朱祖揚

(1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院, 北京 100101;2.中國石油大學石油工程學院, 北京 102249)

0 引 言

隨鉆聲波測井技術是在鉆井過程中實時測量地層的縱、橫波速度,在鉆井施工和油氣儲層評價有著廣泛的應用[1-3]。由于隨鉆測井作業(yè)環(huán)境的特殊性,現有電纜聲波測井中廣泛使用的換能器無法直接照搬到隨鉆聲波測井中。換能器是聲波測井儀器的核心部件之一,也是制約中國隨鉆聲波測井技術發(fā)展的主要瓶頸之一,其質量的優(yōu)劣直接決定了儀器的整體性能。隨鉆聲波測井儀器是基于厚壁鉆鋌結構的聲學探測系統(tǒng),換能器必須安裝在鉆鋌外壁上[4-6]。鉆鋌的存在限制了換能器的結構,一般采用圓柱形或圓弧形結構比較合適。本文提出了一種可應用于隨鉆聲波測井的圓弧片狀壓電振子的結構,加工制作了壓電振子并實驗測試了其性能特性。

1 圓弧片狀壓電振子

圓弧片狀壓電振子(或簡稱壓電振子)是由徑向極化且內外表面鍍有銀層的圓弧形壓電陶瓷片構成,正、負電極由陶瓷片內鍍有銀層的內、外表面引出。壓電振子不具備空間軸對稱結構,在外加電壓信號的激勵下,它將同時經歷徑向、周向和軸向形變,因而壓電振子存在多種復雜的三維耦合振動模態(tài)[見圖1(a)]。圖1(b)所示的是有限尺寸壓電振子在頻率10～18 kHz范圍內呈現的耦合振動模式,該模式是徑向、周向和軸向振動相互耦合作用而產生的且以徑向振動為主。在井下狹小的空間,壓電振子采取該耦合振動模式工作,具有較大的徑向振動位移,有利于向外輻射較大的聲能量,滿足聲波測井大功率發(fā)射的需求[7-8]。

圖1 圓弧片狀壓電振子

壓電振子的封裝一般采用內外包覆環(huán)氧樹脂或橡膠層,這樣就同時實現了電絕緣和透聲耦合,可直接裸露在井眼流體介質中。壓電振子具有結構簡單、易于成陣、性能穩(wěn)定等特點,可由多個相同的壓電振子沿著鉆鋌外壁周向均勻排放,并通過陣元組合和相位控制實現隨鉆單極子、偶極子和四極子聲能量輻射,在隨鉆聲波測井領域有著廣泛的應用前景。

2 圓弧片狀壓電振子的性能特性

針對6.75 in*非法定計量單位,1 in=2.54 cm,下同鉆鋌結構加工制作了4個壓電振子,并采用內外包覆環(huán)氧樹脂進行封裝。將4個壓電振子沿著開有聲窗的尼龍桶周向均勻排列以形成1個四陣元復合換能器(見圖2)。4個壓電振子的編號分別為LWD_T01、LWD_T02、LWD_T03和LWD_T04,且每個壓電振子的外輻射面恰好正對尼龍桶中的聲窗,可有效向外輻射聲能量;相鄰陣元間的空隙用泡沫填充以防止壓電振子沿著周向滑動。換能器的性能評價測試是換能器研制中一個重要環(huán)節(jié)[9-10],在實驗室內對壓電振子的導納特性和輻射指向特性分別進行了測試與評價。

圖2 4個壓電振子組成的四陣元復合換能器

2.1 圓弧片狀壓電振子的導納特性

基于導納圓圖法[9],采用阻抗特性分析儀分別對4個壓電振子的導納特性進行了測量(見圖3)。實驗測量系統(tǒng)主要由TH2826高頻LCR數字電橋儀、計算機、待測壓電振子等組成,測試頻率范圍為4～20 kHz。

圖3 壓電振子導納特性實驗測量系統(tǒng)

圖4所示的是4個壓電振子分別在空氣中和水中的導納特性曲線。表1列出了4個壓電振子在空氣中和水中的導納特性參數。從圖4和表1可以看出,4個壓電振子的電導和電納特性曲線都比較相近,導納值隨頻率的變化趨勢一致,并且在測試頻率范圍內都存在3個明顯的諧振峰,這表明,一定頻帶內壓電振子存在多種振動模態(tài)。導納特性曲線中,4個壓電振子的主諧振峰所對應的空氣中和水中諧振頻率的平均值分別為14.25 kHz和12.92 kHz,最大電導的平均值分別為1.71 mS和0.77 mS,靜態(tài)電容的平均值分別為12.28 nF和12.68 nF,振動模式是以徑向振動為主的耦合振動。相比于空氣介質,由于水介質的阻尼、聲阻抗增大以及耦合作用增強等,壓電振子在相同振動模式下,諧振頻率和導納值均有所下降。4個壓電振子的導納特性雖有一定程度的離散性,但性能參數偏離程度控制在0.08以內,可認為4個壓電振子的導納特性一致性良好。

圖4 4個壓電振子的導納特性曲線

壓電振子空氣介質Fs/kHzGmax/mSC0/nF水介質Fs/kHzGmax/mSC0/nFLWD_T0114.271.5612.1512.940.5412.45LWD_T0214.311.8912.2213.011.1813.00LWD_T0314.111.6312.4512.750.6012.69LWD_T0414.321.7212.2912.990.7412.58平均值14.251.7112.2812.920.7712.68偏差0.0090.020.0160.0140.080.055

2.2 圓弧片狀壓電振子的輻射指向特性

壓電振子的指向性測量在尺寸為5.0 m×5.0 m×4.0 m的非消聲實驗水池中進行,水的密度和聲速分別為1.0 g/m3和1 500 m/s。實驗測量系統(tǒng)主要由計算機、定位控制系統(tǒng)、多通道大功率信號源及采集系統(tǒng)、可控增益信號放大器、數字示波器和水聽器等組成(見圖5)。定位控制系統(tǒng)用于控制壓電振子與水聽器的相對位置以及壓電振子的周向旋轉。多通道大功率信號源可輸出多路高壓脈沖信號,電壓幅度大于800 V。數據采集部分由一個獨立采集通道組成,采樣速率可達1 MHz。指向性測量采用水聽器固定不動,壓電振子圍繞著過其等效聲中心的軸線旋轉的測量方式。實驗測量時,壓電振子圍繞著過其等效聲中心的軸線每隔2°旋轉一次并發(fā)射聲脈沖,旋轉的角度范圍為0°～360°;水聽器在遠場區(qū)域同一位置接收聲波信號,通過對接收到的一系列時域波形的分析,由波形幅度與旋轉角度就可得壓電振子的輻射指向性圖。壓電振子和水聽器間的距離為2.0 m,滿足自由遠場條件,并且測量過程中兩者的位置都遠離反射界面,避免了邊界的影響。

圖6 壓電振子發(fā)射水聽器接收到的時域波形

圖7 壓電振子的指向性曲線

實驗分別測量了4個壓電振子的指向性。圖6所示的是4個壓電振子分別沿著不同方位輻射聲脈沖,水聽器接收到的時域波形。從圖6可見,接收到的時域波形中僅包含有直達波,波形幅度隨著方位角變化基本呈對稱分布,在0°或360°附近波形幅度最大,而在180°附近波形幅度最小。

對圖6所示的時域波形分別開窗提取波形幅度以計算指向性,得到了如圖7所示的指向性曲線。從圖7可見,4個壓電振子的輻射聲束的主瓣方向均沿著0°附近,輻射聲束基本上關于主瓣方向對稱分布,而在除主瓣以外的其他方向的聲波能量較弱,出現了若干個旁瓣。4個壓電振子在主瓣方向輻射的聲能量相近,波形幅度約為20.99 mV;4個壓電振子的輻射聲束的主瓣角寬也相近,3 dB角寬約為63.5°,故4個壓電振子的輻射指向特性一致性良好。

進一步對圖5中所示的時域波形分別進行頻譜分析,得到了壓電振子在中心頻率13.0 kHz處的指向性曲線(見圖8)?？梢?壓電振子在中心頻率13.0 kHz處的指向特性與圖7(b)所示基本一致,僅主瓣角寬約有變窄,4個壓電振子的指向性一致性良好。因此,壓電振子的輻射指向特性是以一定的角寬向某一方位方向輻射聲能量,具有方位指向特性。

2.3 復合換能器的多極子輻射指向特性

在壓電振子的性能特性考察后,將復合換能器組合成單極子、偶極子和四極子輻射器,并對它們的水平輻射指向特性進行了測試與評價。圖9是單極子、偶極子和四極子輻射器的水平指向性曲線。其中,單極子輻射器4個陣元同相位振動,對應中心頻率13.5 kHz;偶極子輻射器僅x方向2個陣元以反相位振動,而其他陣元不工作,對應中心頻率13.0 kHz;四極子輻射器相鄰陣元以反相位振動,對應中心頻率12.0 kHz。從圖9可見,單極子輻射器的聲壓幅值在0°～360°范圍內差異不大,極大值與極小值間僅相差6.9 dB,其指向性圖案接近于一個圓,基本具有單極子聲源的輻射特性;偶極子輻射器的聲壓幅值在方位0°和180°出現極大值,而在近似垂直的方位78°和256°出現極小值,極大值與極小值間相差39.5 dB,其指向性圖案接近于一個“∞”字形,基本具有偶極子聲源的輻射特性;四極子輻射器的聲壓幅值在方位0°、96°、188°和278°出現極大值,而在方位44°、138°、232°和318°出現極小值,極大值與極小值間相差42.5 dB,其指向性圖案接近于2個正交的“∞”字組合圖,基本具有四極子聲源的輻射特性。所以,復合換能器具有多極子聲源的輻射指向特性,可應用于隨鉆聲波測井來實現單極子、偶極子和四極子輻射器。

圖9 復合換能器的單極子(13.5 kHz)、偶極子

3 結 論

(1) 介紹了可應用于隨鉆聲波測井的圓弧片狀壓電振子,并加工制作了4個壓電振子進行實驗測試與評價。壓電振子是由徑向極化且內外表面鍍有銀層的圓弧形壓電陶瓷片構成,采用內外包覆環(huán)氧樹脂進行封裝。

(2) 對壓電振子的性能評價測試結果的分析表明,一定頻帶內壓電振子存在多種振動模態(tài),其中以徑向振動為主的耦合振動模式能夠滿足隨鉆聲波測井工作頻率和大功率發(fā)射的要求。壓電振子輻射的聲束主要以一定的角寬向某一方位方向傳播,具有方位指向特性。

(3) 組成復合換能器的4個壓電振子的性能特性一致性良好,可應用于隨鉆聲波測井來實現單極子、偶極子和四極子輻射器。

參考文獻:

[1] Tang X M, Cheng A. Quantitative Borehole Acoustic Methods [M]. UK: Elsevier Academic Press, 2004: 158-161.

[2] Alford J, Goobie R, Sayers C, et al. A Sound Approach to Drilling [J]. Oilfield Review, 2005: 68-78.

[3] Alford J, Blyth M, Tollefsen E, et al. Sonic Logging While Drilling-Shear Answers [J]. Oilfield Review, 2012: 4-15.

[4] Aron J, Chang S, Dworak R, et al. Sonic Compressional Measurements While Drilling [C]∥SPWLA 35th Annual Logging Symposium, Oklahoma, USA, 1994.

[5] Minear J, Birchak R, Robbins C, et al. Compressional Slowness Measurements While Drilling [C]∥SPWLA 36th Annual Logging Symposium, Paris, France, 1995.

[6] Tang X M, Dubinsky V, Wang T, et al. Shear-velocity Measurement in the Logging-while-drilling Environment: Modeling and Field Evaluations [C]∥SPWLA 43rd Annual Logging Symposium, Oiso, Japan, 2002.

[7] 張辛耘, 王敬農, 郭彥軍. 隨鉆測井技術進展和發(fā)展趨勢 [J]. 測井技術, 2006, 30(1): 10-15.

[8] 李長文, 強毓明, 李國利, 等. 現代聲波測井技術發(fā)展的若干特點 [J]. 測井技術, 2006, 30(2): 101-104.

[9] 欒桂冬, 張金鐸, 王仁乾. 壓電換能器與換能器陣 [M]. 北京: 北京大學出版社, 2005: 280-324.

[10] 鄭士杰, 袁文俊, 繆榮興, 等. 水聲計量測試技術 [M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 1995: 111-131.