橫波遠探測發(fā)射換能器的有限元分析

龐曉君 陳嘉恒

摘 要：隨著勘探開發(fā)難度的增大，偶極橫波遠探測技術(shù)逐步得到發(fā)展應(yīng)用。但來自地層深部的界面反射波幅度很小，這一問題極大制約了遠探測技術(shù)的發(fā)展，故此研究低頻大功率的發(fā)射聲源十分必要。本文從發(fā)射換能器設(shè)計的角度出發(fā)，提出一種“工”字疊片型偶極發(fā)射換能器，利用有限元法仿真得到其振動特性，進一步研究了換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)對諧振頻率的影響，仿真結(jié)果表明，隨著凹槽長度或深度增加，換能器的一階、二階彎曲振動頻率均降低。

關(guān)鍵詞：橫波遠探測聲波測井;“工”字疊片型換能器;諧振頻率

Abstract：Acoustic reflection imaging technology has emerged with the growing of exploring difficulty. Its necessary to design a transducer with low-frequency and high-power because the reflect waves coming from formation are small. In terms of transducer designment， this paper suggests using “工”shaped sandwish transmitter as a dipole source and analyses the transducers vibration by finite element method. The result shows that both transducers first and second resonant frequency decrease when the grooves length or width increase.

Key words：Shear wave imaging technology;“工”shaped sandwish transducer;Resonant frequency

0 引言

偶極橫波遠探測技術(shù)可用于識別井壁周圍幾米到幾十米的地質(zhì)體結(jié)構(gòu)，獲取的聲波資料是非常規(guī)儲層勘探開發(fā)的重要參數(shù)。相比于單極子遠探測技術(shù)，偶極遠探測技術(shù)具有穿透遠、指向特性兩大特點，并且2013年唐曉明等人推導(dǎo)偶極聲場輻射的理論波形，證實了SH橫波遠探測成像的可行性。目前，測井聲系中的偶極換能器均為三疊片型發(fā)射換能器，鄭林等人2008年討論了傳統(tǒng)矩形三疊片型換能器尺寸參數(shù)對換能器性能的影響，戴郁郁等人2015年研制了橫波遠探測測井換能器。然而，傳統(tǒng)三疊片換能器的兩個彎曲振動頻率相差大，造成低頻段的帶寬窄，阿特拉斯XMAC儀器采用不同尺寸的組合拓展帶寬，但其X、Y聲源采用等深結(jié)構(gòu)，限制了其在小井眼中的應(yīng)用，在X、Y聲源不等深情況下，組合拓展帶寬方式會造成更大的聲中心偏差。

為了有效拓展偶極換能器帶寬，本文在傳統(tǒng)偶極矩形三疊片換能器基礎(chǔ)上，提出一種新型的“工”字疊片型發(fā)射換能器，使其自身在低頻段具有兩種模式的振動，利用大型有限元軟件ANSYS，對其振動形態(tài)進行模擬，進一步研究了換能器結(jié)構(gòu)參數(shù)對其諧振頻率的影響。本文研究的工作將為研發(fā)低頻偶極遠發(fā)射探測發(fā)射換能器提供參考依據(jù)。

1 “工”字疊片型發(fā)射換能器有限元仿真

1.1 有限元模型

圖1給出“工”字疊片型換能器的有限元模型，如圖所示，其延續(xù)了矩形三疊片換能器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，區(qū)別在于其在換能器的中部切出的兩個凹槽，故形狀近似為“工”字。在外加電壓的激勵下，一側(cè)的壓電陶瓷片沿厚度方向進行伸長（壓縮），另一側(cè)壓電陶瓷片就沿厚度方向進行壓縮（伸長），進而帶動整個換能器進行彎曲振動。

仿真中，金屬基片選用黃銅材料，長寬高分別為200mm、30mm、1mm;兩個徑向極化的壓電陶瓷片夾于金屬基片兩端，長寬高分別為100mm、30mm、3mm;中間凹槽部分的尺寸為長10mm、寬10mm。仿真使用的材料參數(shù)由表1給出。仿真時，對壓電陶瓷片內(nèi)、外表面節(jié)點電壓自由度進行耦合，同時將與金屬基片相接觸的兩個壓電陶瓷面的耦合節(jié)點電壓定義為0V，與金屬基片無接觸的兩個壓電陶瓷面的耦合節(jié)點電壓定義為1V。

1.2 換能器振動特性分析

（a）電導(dǎo)曲線圖

（b）1270 Hz激發(fā)時的換能器振動形態(tài)

（c）1945 Hz激發(fā)時的換能器振動形態(tài)

為準確測量橫波速度，聲波測井通常要求偶極子發(fā)射換能器的工作頻率低于5kHz，因此在0-5kHz頻段內(nèi)對換能器進行諧響應(yīng)分析，得到空氣中“工”字型換能器的電導(dǎo)曲線，結(jié)果如圖2（a）所示。當電導(dǎo)值達到峰值時，發(fā)射換能器產(chǎn)生諧振。從仿真的電導(dǎo)曲線可知，該換能器在計算頻段內(nèi)存在著兩個諧振峰，對應(yīng)的頻率分別為1270Hz和1945Hz。

進一步討論諧振頻率激發(fā)下的換能器振動形態(tài)，結(jié)構(gòu)如圖2（b）、（c）所示。從圖中可以看到，切去兩個凹槽的“工”字疊片型換能器仍可產(chǎn)生長度方向的彎曲振動，在頻率1270Hz激發(fā)的換能器沿長度方向作一階彎曲振動，而在頻率1945Hz激發(fā)下的換能器沿著長度方向作二階彎曲振動。以上分析結(jié)果說明，使用1270Hz和1945Hz頻率激勵“工”字型發(fā)射換能器時，均可激發(fā)得到偶極彎曲波，滿足橫波遠探測聲源的基本要求。

2 凹槽尺寸對“工”字疊片型換能器諧振性能的影響

換能器的諧振頻率與其尺寸大小密切相關(guān)，在此，針對“工”字型換能器的凹槽部分進行討論，研究凹槽長度、深度對換能器諧振頻率的影響。

2.1 凹槽長度對諧振頻率的影響

分別計算凹槽長度為5mm、10mm、15mm、20mm、25mm的“工”字型換能器模型，得到圖3的電導(dǎo)曲線圖。根據(jù)曲線獲取換能器的諧振頻率，結(jié)果在表2呈現(xiàn)。由表可知，隨著凹槽長度的增加，換能器的一階、二階彎曲振動頻率均降低。

2.2 凹槽深度的影響

采用相同方法，仿真計算凹槽深度為4mm、6mm、8mm、10mm、15mm“工”字型換能器，得到的電導(dǎo)曲線圖如圖4所示，諧振頻率變化由表3給出。由表可見，隨凹槽深度的增加，換能器一階、二階諧振頻率均降低。

3 結(jié)論

為獲得低頻的橫波遠探測聲源，提出了一種“工”字疊片型發(fā)射換能器，并通過有限元法對其諧振頻率進行仿真分析，得出以下結(jié)論：

①“工”字疊片型發(fā)射換能器在1-5kHz頻率范圍有兩個諧振峰，產(chǎn)生兩種形式的彎曲振動，可用作偶極橫波遠探測的聲源;

②隨著凹槽長度和深度增加，“工”字型換能器的一階、二階彎曲振動頻率均降低。

參考文獻：

[1]王東.正交偶極聲波測井換能器[J].應(yīng)用聲學，2012（3）：239-239.

[2]曹景記，唐曉明，蘇遠大等.隨鉆偶極遠探測聲場的輻射特性[J].地球物理學報，2016，59（9）.

[3]唐曉明，曹景記，魏周拓.裸眼井和套管井中偶極聲場的輻射和接收[J].中國石油大學學報（自然科學版），2013， 37（5）：57-64.

[4]鄭林，林偉軍，王東.聲波測井換能器的有限元分析[J].聲學技術(shù)，2008，27（5）：290-291.

[5]戴郁郁，于其蛟，王秀明等.橫波遠探測測井換能器研究[J].應(yīng)用聲學，2015，34（3）：195-200.

[6] Lu J， Ju， Xiaodong， Men， Baiyong， et al. An acousto-electric effect logging detector in boreholes[J]. Journal of Geophysics & Engineering，2017，14（2）：397-407.

[7]莫喜平.ANSYS軟件在模擬分析聲學換能器中的應(yīng)用[J].聲學技術(shù)，2007（6）：1279-1291.

[8]楊錦舟.聲波測井偶極子發(fā)射換能器性能的實驗研究[J].聲學技術(shù)，2008，27（1）.

作者簡介：

龐曉君（1979- ），女，漢族，四川成都人，工程師，2003年畢業(yè)于西南石油大學機械設(shè)計與自動化專業(yè)，在中海油田服務(wù)股份有限公司工作，從事石油測井儀器機械設(shè)計工作。

陳嘉恒（1982- ），男，漢族，重慶人，工程師，2004年畢業(yè)于長江大學電信學院測控技術(shù)與儀器專業(yè)，在中國石油集團測井有限公司西南分公司測井項目部工作。