用于随钻声波测井的圆弧片状压电振子

吴金平, 陆黄生, 张卫, 朱祖扬

(1.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院, 北京 100101;2.中国石油大学石油工程学院, 北京 102249)

0 引 言

随钻声波测井技术是在钻井过程中实时测量地层的纵、横波速度,在钻井施工和油气储层评价有着广泛的应用[1-3]。由于随钻测井作业环境的特殊性,现有电缆声波测井中广泛使用的换能器无法直接照搬到随钻声波测井中。换能器是声波测井仪器的核心部件之一,也是制约中国随钻声波测井技术发展的主要瓶颈之一,其质量的优劣直接决定了仪器的整体性能。随钻声波测井仪器是基于厚壁钻铤结构的声学探测系统,换能器必须安装在钻铤外壁上[4-6]。钻铤的存在限制了换能器的结构,一般采用圆柱形或圆弧形结构比较合适。本文提出了一种可应用于随钻声波测井的圆弧片状压电振子的结构,加工制作了压电振子并实验测试了其性能特性。

1 圆弧片状压电振子

圆弧片状压电振子(或简称压电振子)是由径向极化且内外表面镀有银层的圆弧形压电陶瓷片构成,正、负电极由陶瓷片内镀有银层的内、外表面引出。压电振子不具备空间轴对称结构,在外加电压信号的激励下,它将同时经历径向、周向和轴向形变,因而压电振子存在多种复杂的三维耦合振动模态[见图1(a)]。图1(b)所示的是有限尺寸压电振子在频率10～18 kHz范围内呈现的耦合振动模式,该模式是径向、周向和轴向振动相互耦合作用而产生的且以径向振动为主。在井下狭小的空间,压电振子采取该耦合振动模式工作,具有较大的径向振动位移,有利于向外辐射较大的声能量,满足声波测井大功率发射的需求[7-8]。

图1 圆弧片状压电振子

压电振子的封装一般采用内外包覆环氧树脂或橡胶层,这样就同时实现了电绝缘和透声耦合,可直接裸露在井眼流体介质中。压电振子具有结构简单、易于成阵、性能稳定等特点,可由多个相同的压电振子沿着钻铤外壁周向均匀排放,并通过阵元组合和相位控制实现随钻单极子、偶极子和四极子声能量辐射,在随钻声波测井领域有着广泛的应用前景。

2 圆弧片状压电振子的性能特性

针对6.75 in*非法定计量单位,1 in=2.54 cm,下同钻铤结构加工制作了4个压电振子,并采用内外包覆环氧树脂进行封装。将4个压电振子沿着开有声窗的尼龙桶周向均匀排列以形成1个四阵元复合换能器(见图2)。4个压电振子的编号分别为LWD_T01、LWD_T02、LWD_T03和LWD_T04,且每个压电振子的外辐射面恰好正对尼龙桶中的声窗,可有效向外辐射声能量;相邻阵元间的空隙用泡沫填充以防止压电振子沿着周向滑动。换能器的性能评价测试是换能器研制中一个重要环节[9-10],在实验室内对压电振子的导纳特性和辐射指向特性分别进行了测试与评价。

图2 4个压电振子组成的四阵元复合换能器

2.1 圆弧片状压电振子的导纳特性

基于导纳圆图法[9],采用阻抗特性分析仪分别对4个压电振子的导纳特性进行了测量(见图3)。实验测量系统主要由TH2826高频LCR数字电桥仪、计算机、待测压电振子等组成,测试频率范围为4～20 kHz。

图3 压电振子导纳特性实验测量系统

图4所示的是4个压电振子分别在空气中和水中的导纳特性曲线。表1列出了4个压电振子在空气中和水中的导纳特性参数。从图4和表1可以看出,4个压电振子的电导和电纳特性曲线都比较相近,导纳值随频率的变化趋势一致,并且在测试频率范围内都存在3个明显的谐振峰,这表明,一定频带内压电振子存在多种振动模态。导纳特性曲线中,4个压电振子的主谐振峰所对应的空气中和水中谐振频率的平均值分别为14.25 kHz和12.92 kHz,最大电导的平均值分别为1.71 mS和0.77 mS,静态电容的平均值分别为12.28 nF和12.68 nF,振动模式是以径向振动为主的耦合振动。相比于空气介质,由于水介质的阻尼、声阻抗增大以及耦合作用增强等,压电振子在相同振动模式下,谐振频率和导纳值均有所下降。4个压电振子的导纳特性虽有一定程度的离散性,但性能参数偏离程度控制在0.08以内,可认为4个压电振子的导纳特性一致性良好。

图4 4个压电振子的导纳特性曲线

压电振子空气介质Fs/kHzGmax/mSC0/nF水介质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 圆弧片状压电振子的辐射指向特性

压电振子的指向性测量在尺寸为5.0 m×5.0 m×4.0 m的非消声实验水池中进行,水的密度和声速分别为1.0 g/m3和1 500 m/s。实验测量系统主要由计算机、定位控制系统、多通道大功率信号源及采集系统、可控增益信号放大器、数字示波器和水听器等组成(见图5)。定位控制系统用于控制压电振子与水听器的相对位置以及压电振子的周向旋转。多通道大功率信号源可输出多路高压脉冲信号,电压幅度大于800 V。数据采集部分由一个独立采集通道组成,采样速率可达1 MHz。指向性测量采用水听器固定不动,压电振子围绕着过其等效声中心的轴线旋转的测量方式。实验测量时,压电振子围绕着过其等效声中心的轴线每隔2°旋转一次并发射声脉冲,旋转的角度范围为0°～360°;水听器在远场区域同一位置接收声波信号,通过对接收到的一系列时域波形的分析,由波形幅度与旋转角度就可得压电振子的辐射指向性图。压电振子和水听器间的距离为2.0 m,满足自由远场条件,并且测量过程中两者的位置都远离反射界面,避免了边界的影响。

图6 压电振子发射水听器接收到的时域波形

图7 压电振子的指向性曲线

实验分别测量了4个压电振子的指向性。图6所示的是4个压电振子分别沿着不同方位辐射声脉冲,水听器接收到的时域波形。从图6可见,接收到的时域波形中仅包含有直达波,波形幅度随着方位角变化基本呈对称分布,在0°或360°附近波形幅度最大,而在180°附近波形幅度最小。

对图6所示的时域波形分别开窗提取波形幅度以计算指向性,得到了如图7所示的指向性曲线。从图7可见,4个压电振子的辐射声束的主瓣方向均沿着0°附近,辐射声束基本上关于主瓣方向对称分布,而在除主瓣以外的其他方向的声波能量较弱,出现了若干个旁瓣。4个压电振子在主瓣方向辐射的声能量相近,波形幅度约为20.99 mV;4个压电振子的辐射声束的主瓣角宽也相近,3 dB角宽约为63.5°,故4个压电振子的辐射指向特性一致性良好。

进一步对图5中所示的时域波形分别进行频谱分析,得到了压电振子在中心频率13.0 kHz处的指向性曲线(见图8)。可见,压电振子在中心频率13.0 kHz处的指向特性与图7(b)所示基本一致,仅主瓣角宽约有变窄,4个压电振子的指向性一致性良好。因此,压电振子的辐射指向特性是以一定的角宽向某一方位方向辐射声能量,具有方位指向特性。

2.3 复合换能器的多极子辐射指向特性

在压电振子的性能特性考察后,将复合换能器组合成单极子、偶极子和四极子辐射器,并对它们的水平辐射指向特性进行了测试与评价。图9是单极子、偶极子和四极子辐射器的水平指向性曲线。其中,单极子辐射器4个阵元同相位振动,对应中心频率13.5 kHz;偶极子辐射器仅x方向2个阵元以反相位振动,而其他阵元不工作,对应中心频率13.0 kHz;四极子辐射器相邻阵元以反相位振动,对应中心频率12.0 kHz。从图9可见,单极子辐射器的声压幅值在0°～360°范围内差异不大,极大值与极小值间仅相差6.9 dB,其指向性图案接近于一个圆,基本具有单极子声源的辐射特性;偶极子辐射器的声压幅值在方位0°和180°出现极大值,而在近似垂直的方位78°和256°出现极小值,极大值与极小值间相差39.5 dB,其指向性图案接近于一个“∞”字形,基本具有偶极子声源的辐射特性;四极子辐射器的声压幅值在方位0°、96°、188°和278°出现极大值,而在方位44°、138°、232°和318°出现极小值,极大值与极小值间相差42.5 dB,其指向性图案接近于2个正交的“∞”字组合图,基本具有四极子声源的辐射特性。所以,复合换能器具有多极子声源的辐射指向特性,可应用于随钻声波测井来实现单极子、偶极子和四极子辐射器。

图9 复合换能器的单极子(13.5 kHz)、偶极子

3 结 论

(1) 介绍了可应用于随钻声波测井的圆弧片状压电振子,并加工制作了4个压电振子进行实验测试与评价。压电振子是由径向极化且内外表面镀有银层的圆弧形压电陶瓷片构成,采用内外包覆环氧树脂进行封装。

(2) 对压电振子的性能评价测试结果的分析表明,一定频带内压电振子存在多种振动模态,其中以径向振动为主的耦合振动模式能够满足随钻声波测井工作频率和大功率发射的要求。压电振子辐射的声束主要以一定的角宽向某一方位方向传播,具有方位指向特性。

(3) 组成复合换能器的4个压电振子的性能特性一致性良好,可应用于随钻声波测井来实现单极子、偶极子和四极子辐射器。

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