横波远探测测井换能器研究∗

戴郁郁†　于其蛟　王秀明　　辛鹏来　　贺洪斌　　汪正波

（1中国科学院声学研究所　北京　100190）

（2中石化胜利测井公司　东营　257096）

⋄2014年度全国检测声学会议优秀论文专栏⋄

横波远探测测井换能器研究∗

戴郁郁1†于其蛟2王秀明1辛鹏来1贺洪斌1汪正波1

（1中国科学院声学研究所北京100190）

（2中石化胜利测井公司东营257096）

为提高偶极子横波远探测反射波的信噪比和增加其探测距离，根据偶极子井孔模式波的激发特性及反射波传播特征分析，研制了基于三叠片的低频大功率偶极子的横波远探测换能器，以降低模式波的相对能量和增加反射波的相对能量。为了得到满足要求的低频大功率偶极换能器，采用有限元方法对现有三叠片进行了优化改进，得到一种符合设计要求的换能器结构，最后制作了样机并对其进行了测试。样机测试结果跟仿真吻合得很好，低频性能得到了极大改善：换能器在谐振频率1.2 kHz附近具有极好的偶极子指向性，谐振频率处的响应比X-MAC同频率段大19 dB。该换能器的研发成功将为偶极子远探测测井仪器性能及成像质量的提高奠定了坚实的基础。

横波远探测，声反射成像，偶极子，换能器

1　引言

横波远探测技术是近年来兴起的一项基于声反射成像的测井技术，利用该技术可以探测井壁周围几米到几十米范围内的裂纹构造，从而识别出隐蔽储层，为页岩气等非常规油气藏勘探提供技术支持［1］。声反射成像中，发射换能器激励出的声信号经过井孔泥浆进入地层，再经过地层构造反射回井孔，最后被泥浆包裹的接收换能器接收，这一个过程存在多层界面反射衰减、几何扩散衰减、介质颗粒散射、传播介质粘滞及热传导等弛豫过程引起的衰减等多种衰减形式，最终到达接收换能器的信号被大大地削弱，而沿井壁传播的模式波的衰减则会小得多，因此，接收波序中反射波强度会比井孔模式波小得多，影响到反射声波的提取。如何将反射波在接收波序中提取出来是目前声反射成像技术的最大难点，近年来关于反射声波成像的波场分离方面已经开展了很多研究［2-3］，并取得了一定的成果，但仍不能从根本上解决这个问题。本文则希望通过对声源的频谱特性的改进来抑制或消除井孔模式波进而提高反射波的能量，从根本上达到提高反射波信噪比的目的。为了实现上述目标，首先需要对井孔模式波的传播特性进行研究，还需要对发射换能器辐射性能进行设计和优化。本文首先通过对井孔模式波传播特性的分析，得到理想远探测声源的特征；其次根据要求对现有换能器的结构进行优化设计和仿真得到最佳的换能器设计参数；最后根据优化结果制作换能器的实物样机，并对样机进行测试，对结果进行分析。

2　横波远探测换能器设计关键

井孔声源激励产生的接收波列可能包含有井孔模式波（纵波模式、横波模式和斯通利波）和反射波（纵波、横波及转换波）两部分，前者对应常规的多极子声波测井，后者为声反射测井。通常，对于来自距离井壁数十米的反射波，其能量比井孔模式波要小两到三个数量级，因此现有的反射波测井一个关键技术是如何在强本底噪声环境下提取反射波。本节将从提高反射波声强和抑制井孔模式波强度两个角度，探索合理的横波远探测换能器设计方案，可以概况成如下五点：

（1）低频

由于介质存在弛豫现象声波传播过程中会发生衰减，一般衰减系数与频率的平方成正比［4］，因此，为了提高探测距离远探测仪器一般将换能器的工作频率设定在低频段。而且，对偶极远探测测井来说，降低发射器频率，会不利于模式波的激发，而使更多的能量透射到地层中，最终遇到异常地质体时会反射到井内［5］。

（2）大功率

探测距离是远探测技术的一个重要技术指标，如今，基于常规偶极子阵列声波仪器如X-MAC测试数据的处理结果能够探测到井孔周围几十米的范围［6］。为了进一步提高仪器的探测距离，需要进一步地提高换能器的辐射能量，这是因为如果只考虑几何扩散衰减，声压级增加12 dB则探测距离将达到原来的两倍（球面波扩散）。

（3）偶极发射

远探测技术最早采用单极子声源，根据单极源的激发谱可以知：快速地层中低频单极子主要产生斯通利波；慢速地层中低频单极子除激励出斯通利波外还存在较强的纵波和横波。纵波、横波和斯通利波的存在均会影响反射波的提取［7］，因此单极子的远反射一般都采用较高的频率，虽然分辨率较高，但其探测距离也相应较短，而且无方位分辨能力。

横波远探测采用偶极子作为声源，偶极发射和偶极接收携带范围信息，可以识别构造的方位特征。根据偶极源的激发谱可知：快速地层中低频偶极子主要激励出斯通利波和弯曲波，其中弯曲波存在低频截止频率，当工作频率低于截止频率时，弯曲波将不会被激发，而斯通利波轻微频散，相对容易被消除；慢速地层中，弯曲波、纵波、横波均存在低频截止频率，当换能器工作在截止频率以下时，这些井孔模式波将不会被激励出来［8-9］。

（4）发射能量集中

基于结构振动的换能器均具有高阶振动模式，随着阶数的增加，其谐振频率也会提高，从而会逐渐高于井孔弯曲波的截止频率，这将激励出井孔弯曲波，而弯曲波会干扰反射波的提取，因此，需要通过优化降低换能器的高阶振动模式的频率响应，使输入电能尽可能地以低频振动辐射出去。

（5）指向性对称

‘8’字形偶极子指向性对称与否是衡量偶极子换能器性能好坏的重要技术指标，指向性不对称的换能器可以近似看成一个理想的偶极子和一个偏置的单极子，而低频单极子将会激发出较强的斯通利波，从而影响反射波的提取。

3　换能器仿真及优化

根据上面总结，理想的远探测发射换能器应该是发射能量集中在低频率段的大功率偶极换能器。本文提出一种基于三叠片的偶极子横波远探测换能器。三叠片具有很小的频率常数，用较小的尺寸就能够实现低频大功率辐射，而且又能够耐高温、高压，非常有利于设计测井用低频偶极子换能器［10］。设计的换能器结构如图1所示，由八组三叠片安装在一圆柱形骨架上构成，三叠片分别组成上下两个正方形阵，通过对激励方式的调节，使相互平行的四组三叠片同向弯曲振动，构成换能器的x轴，而正交方向的另外四组三叠片则构成换能器的y轴。

图1　换能器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of transducer

本文拟采用有限元法对换能器的结构振动特性及声场辐射特性进行研究，运用有限元分析软件ANSYS对换能器进行建模分析［11］，根据换能器测试及使用状态分别分析换能器在空气及流体中（浸泡入充满硅油的油囊，并在水池中测试）的结构振型、谐振频率、输入电导纳、发射电压响应及指向性等特性。换能器安装骨架采用1Gr18Ni9Ti，三叠片基片采用LY12，压电陶瓷采用常规PZT-4，以上材料参数均参照《水声材料手册》［12］。根据结构特征对换能器进行准物理抽象，简化模型以提高运算速度：装配骨架是换能器结构的一部分，建模时需要考虑其对换能器振动的影响；换能器中三叠片用螺钉紧固在安装骨架上，为了降低模型复杂度，建模时简化掉螺钉而将三叠片两端和安装骨架定义成粘接；仪器中换能器两端用氟橡胶支撑，氟橡胶对换能器的振动影响很小，因此换能器两端均定义为自由边界条件。根据上述分析得到仿真分析模型如图2所示。

首先采用模态分析获得换能器在低频端的偶极子振型。分析发现换能器在500 Hz～8 kHz范围内存在四个主要的振动模式，如图3所示。

图2　换能器仿真模型Fig.2 Simulation mode of transducer

图3　换能器低阶振型Fig.3 Transducer low frequency modes of vibration

仿真分析换能器在空气中的输入电导纳，如图4所示，换能器在500 Hz～8 kHz频带范围内存在一系列的谐振峰，与上述振型对比发现：最低阶谐振峰对应为图3（a）换能器长度方向的一阶弯曲振动，由于换能器长度方向的刚度过大，这阶模态不会产生强的声辐射，对总的辐射能量贡献不大。第二个谐振峰对应为图3（b）三叠片的一阶弯曲振动，本阶模式无论是谐振频率还是振动响应都符合远探测换能器的设计要求，为换能器的主要振动模式。为了使设计换能器满足“能量集中”的要求，设计优化过程中需要尽量抑制图3（c）和图3（d）两种振型所产生的振动。

图4　换能器输入电导纳（仿真空气中）Fig.4 Input electrical admittance of transducer （Simulation in air）

进一步分析注油后换能器的输入电导纳，换能器主要能量均集中在低频，因此只分析了换能器在600～1800 Hz范围内的输入电特性，结果如图5所示，由于辐射阻抗的增加，换能器谐振频率向低频偏移，而且输入电导也随之变小。

考察换能器在谐振频率（1238 Hz）处的水平指向性，结果如图6所示，换能器在水平面上具有标准的偶极子指向性。

图5　换能器输入电导纳（仿真硅油中）Fig.5 Input electrical admittance of transducer （Simulation in silicon oil）

图6　1238 Hz处换能器指向性（仿真）Fig.6 Transducer directivity pattern at 1238 Hz （Simulation）

4　换能器测试结果

根据上述仿真结果制作换能器样机，并与现用偶极子横波远探测换能器（X-MAC）进行对比。样机长度约为410 mm，直径为76 mm，尺寸上与X-MAC换能器相当。

首先，测试样机在空气中的输入电阻抗，测试结果如图7所示，分别测量换能器在x轴和y轴的结果。

图7　换能器输入电导纳（实测空气中）Fig.7　Transducer input electrical admittance （Test in air）

将样机测试结果与仿真结果进行对比，结果如表1所示，发现三叠片弯曲振动的两阶模态（1st和3rd）均吻合得很好，而换能器长度方向弯曲振动对应的模态（2nd）存在较大误差，分析主要原因是样机测试时骨架两端均安装了一个法兰盘（换能器固定用），增加了换能器的整体长度。

测试结果表明，无论是换能器的三阶弯曲振动（2nd）还是三叠片的三阶弯曲振动（3rd）均得到很好抑制，因此分析换能器在流体中的辐射性能主要考虑换能器工作频率在1 kHz附近的一阶弯曲振动模式。首先测试换能器浸泡在硅油中时的输入电导纳，如图8所示。将实测结果与仿真结果进行对比，对比结果如表2所示，仿真与实测吻合得很好。

采用自由场行波法对换能器样机的指向性进行测试，测试在中科院声学所唐家岭水池进行，测试结果如图9所示。可以看到，无论是x轴还是与之正交的y轴均具有很好的偶极子指向性对称。

表1　空气中仿真与实测结果对比Table 1 Comparison of simulation and test results in air

图8　换能器输入电导纳（实测硅油中）Fig.8 Transducer input electrical admittance（Test in silicon oil）

图9　换能器指向性（实测）Fig.9 Transducer directivity pattern（Test）

表2　硅油中仿真与实测结果对比Table 2 Comparisons of simulation and test results in silicon oil

引入现用横波远探测换能器（X-MAC）作为对比系，对比测试样机产生的声强，分别测试两组换能器在1 kHz附近谐振频率处的声能。测试均采用Burst信号作为激励源，信号中心频率为相应换能器的谐振频率，同时保持信号输入电压不变。两组实验分别取得测试结果，然后对测试结果进行处理，处理结果如图10所示，比较发现样机的测试结果较X-MAC换能器高19 dB。

图10　两种换能器响应比较Fig.10　Response comparison of two kinds of transducers

5　结论

本文针对横波远探测的特殊应用，设计了一种能够满足横波远探测测井实际应用的耐高温高压的小尺寸低频大功率偶极子换能器。本文采用有限元方法，对换能器结构振动特性及声辐射特性进行模拟、仿真及优化，并根据优化结果制作了换能器实物样机，对样机进行测试，测试结果显示换能器工作时辐射的声能主要集中在1.2 kHz附近；对比测试表明设计换能器在1.2 kHz附近的辐射能量较常规远探测换能器（X-MAC）高19 dB，如果只考虑球面几何扩散，换能器的探测距离达到常规仪器的3倍；样机x轴及y轴的指向性测试结果表明样机具有很好的偶极子指向性。以上测试结果表明，设计换能器具备低频偶极发射、大功率辐射、辐射能量集中、指向性对称良好等优点，满足横波远探测测井应用。目前换能器已经装配到新研制的偶极远探测仪器中，新换能器的效果将会在现场应用中将得到进一步的检验。

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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

∗国家自然科学基金项目（11404370），国家重大科研装备研制项目（ZDYZ2012-1）

戴郁郁（1983-），男，湖南衡阳人，助理研究员，研究方向：测井换能器及测井仪器。†

E-mail：daiyuyu001@126.com