偶极子声波测井仪发射声系性能快速检测方法∗

刘树键 陈德华 曹雪砷 陈 浩

(1 中国科学院声学研究所 北京 100190)

(2 中国科学院大学 北京 100049)

(3 北京市海洋深部钻探测量工程技术研究中心 北京 100190)

0 引言

偶极声波测井可用于孔隙度、渗透率和流体饱和度等地层参数的估算以及地层各向异性评价[1−4]，在油气勘探开发过程中其应用越来越广。为了提高生产效率，保障测井作业质量，必须在下井前对偶极声波测井仪器性能(尤其是发射声系)进行必要的检测，快速确定仪器发射声系在经过长距离运输后仍能工作正常。对其发射声系性能的检测工作一般需要采用比较笨重、复杂、昂贵的专门检测装置，测井前线基地由于条件相对简陋而且地点不太固定，很难配备这些装置，因而对发射声系的检测主要在仪器生产基地进行。黄理琴[5]提出了一种声波测井仪器测试系统实现方案，利用声系仿真模块生成测试信号，对仪器井下电路进行测试。该方案仅针对仪器井下电路部分，缺乏对换能器的检测。刘栋等[6]基于嵌入式系统框架研制出了可用于声波测井仪声系的测试系统。该系统主要由声波信号发射装置和声波接收装置两部分组成，可分别用于对测井仪接收声系和发射声系进行较为全面的调试和检测。该系统仍比较繁琐，不便于在测井前线基地运用。

本文提出了一种针对偶极声波测井仪器发射声系性能进行快速检测的方法。首先，在生产场地对经过检测装置检验后的声波测井仪器发射声系激发的声场进行测量，提取出声源主频、声场强度和空间分布对称性特征，作为评价依据；在测井前线基地，再次对仪器激发声场进行测量，提取出相应的声场特征并与评价依据进行对比，当两者一致时，即可认为仪器发射声系性能完好。本方法可以在仪器下井前对发射声系性能进行高效、便捷的检测。本文介绍了偶极声波测井仪器发射声系激发声场的测量、声场特征提取以及发射声系性能评价依据获取方法；针对偶极横波远探测测井仪的偶极发射声系开展了相应的测试实验，测量了其激发的三维声场，得到了声源主频、声源强度以及空间分布对称性特征，可用于该仪器发射声系的性能评价。

1 偶极横波远探测测井仪器偶极发射声系结构及声场信号采集装置

1.1 偶极横波远探测测井仪器偶极发射声系结构

偶极横波远探测测井仪偶极发射声系包含上下换能器阵列，每个换能器阵列由4 个正交分布的三叠片换能器组成，相互平行的两个三叠片换能器构成一个偶极子声源(即每个阵列包含两个偶极子源)。正对三叠片换能器中心的4 个方向依次记为X-1、Y-1、X-2、Y-2；沿X方向分布的偶极子记为X-偶极子，沿Y方向分布的偶极子记为Y-偶极子。图1 为偶极发射声系结构图。仪器工作时，阵列中的X-偶极子源和Y- 偶极子源交替发射声波。特别说明，这里的“上”和“下”指的是两个换能器阵列之间的相对位置，上换能器阵列位于下换能器阵列的上部，与相对接收声系的位置无关。

图1 偶极横波远探测仪偶极发射声系结构示意图Fig.1 Dipole sonic emission system structure diagram of shear-wave imaging tool

1.2 声场信号采集装置

声场采集与处理装置是由传声器、信号预处理器以及采集终端3 部分组成。传声器主要完成声场信号的拾取，将声信号转变为电信号后送至信号预处理器。信号预处理器实现对接收到信号的放大。采集终端完成数据的显示与存储。在实验过程中，使用示波器作为采集终端。

该采集装置共有4 条采集通道，可同时采集4个位置的声场信号。采用AWA6221B型声校准器对4条通道的传声器进行校准，得到了传声器在1 kHz处的灵敏度；再根据传声器自带的校准文件，可以得到其在200 Hz～6 kHz频率范围内的频响曲线。信号预处理器的增益特性可以通过比较法[7]测量获得，即对比通过预处理器和不通过预处理器采集到的声场信号，得到信号预处理器的增益特性，图2 为测量流程图。实验中所使用的示波器−3 dB带宽为350 MHz，可以认为在200 Hz～6 kHz 频率范围内频响曲线平稳，因此可以将传声器的幅频响应特性和信号预处理器的增益特性乘积近似作为整个采集装置的幅频响应特性，如图3所示。

图2 信号预处理器增益特性测量流程图Fig.2 Gain curve measurement diagram of sound field acquisition device

图3 采集装置幅频响应特性Fig.3 Amplitude-frequency response characteristic curves of sound field acquisition device

2 声场特征提取方法

2.1 声场特征的选取

发射功率、能量分布和声场空间分布对称性是评价横波远探测测井仪器发射声系性能的重要指标：提高发射功率，可以有效地提高仪器的探测距离；激发声场能量集中在低频段[8−9]，可以避免在井孔中激发出一阶弯曲波和高阶模式波[10]；声场空间分布对称性较好时，可避免激发出较强的斯通利波[11]。因此，在测量得到偶极子发射换能器激发的声场波形后，主要分析其特定位置处的声场频谱、强度以及周向指向性等特征。

2.2 声场特征的提取方法

原始声场信号经过采集通道后变成电信号，信号的强弱会受采集装置幅频特征的影响。因此在数据处理过程中，需要根据采集通道的幅频响应特性对各通道信号进行幅度补偿，以尽量还原原始声场信号的幅度谱。

2.2.1 声源主频

首先，对采集装置采集到的波形进行傅里叶变换，得到其频谱。然后根据采集通道的幅频响应特性，在低频(200 Hz～6 kHz)范围内，对每个频率点处的信号强弱进行通道特性补偿，从而得到真实的波形频谱。最后根据该波形频谱，提取出其主频大小。

2.2.2 声场强度

以测量波形幅度的均方根值来表征声场强度，计算公式如下：

式(1)中，s(t)为原始声场信号，∆T为信号持续时间，Pe为声场强度。原始声场信号s(t)用经过通道补后的采集信号˜s(n)代替，并引入帕塞瓦尔定理可以得到：

其中，N为采样样本长度，˜S(k)为˜s(n)的N点离散傅里叶变换(Discrete Fourier transform, DFT)。可以利用在频谱特征提取过程中已经得到的特定位置处原始声场信号频谱，直接进行声场强度的计算。

2.2.3 声场空间分布对称性

将偶极子声源两个三叠片换能器的中心点连线方向定义为该偶极子声源的中心线方向。选取偶极子声源在中心线上、距离两侧护套外表面相同距离处激发声场的主频信号成分间的强度相对差异来表征该偶极子声源激发声场的空间分布对称性特征。

3 横波远探测测井仪器激发声场测试结果

针对一支横波远探测仪器开展了实验，测量了该仪器偶极发射声系激发的声场。仪器的空间声场方向如图4 所示，轴向方向指与仪器轴线相平行的方向；径向方向指与仪器轴线相垂直的方向；周向方向指以仪器轴心为中心且与轴线相垂直的圆周方向。

图4 空间声场方向示意图Fig.4 Spatial directions of sound fields

3.1 轴向方向上声场分布

测井仪器水平放置，偶极子声源的X-2 朝正上方；采集各偶极子声源在距离仪器护套外表面1.3 cm 且与声源中心线相交的轴向方向辐射上的声场波形，并提取出声场强度特征。图5 绘制的是上下换能器阵列中各个偶极子声源辐射声场的轴向分布情况。

从图5 中可以看出，各偶极子声源辐射的声场在轴向上具有相同的分布特征：在声源中心位置和靠近换能器上下边缘位置处声场较强，在两者中间的位置声场较弱。表1 记录的是在距离护套外表面1.3 cm 且与各偶极子声源中心线相交的轴向方向上，偏离声源中心0.2 cm 位置处的声场强度相对于声源中心位置处的声场强度下降幅度和相对下降率(每偏离声源中心位置1 mm，相对于声源中心位置声场强度的平均下降幅度与中心位置声场强度之比)。

图5 各偶极子声源辐射声场的轴向分布Fig.5 Axial distribution curves of sound fields excited by dipole sources

表1 各偶极子声源在轴向上声源中心附近0.2cm 范围内辐射声场强度变化情况Table 1 Changes of sound field intensity within 0.2 cm near the center of each dipole sources in axial direction

3.2 径向方向上声场分布

测井仪器水平放置，偶极子声源的X-2 朝正上方；采集各偶极子源在中心线上、距离护套外表面0.3～3.1 cm 范围内辐射的声场并提取声场强度特征。图6 为中心线上声场分布。表2 记录的是各偶极子源在中心线上、距离护套外表面1.3 cm 附近辐射的声场强度随距离的变化情况。从表2 中可以得出：在该位置附近，与护套外表面间距每改变1 mm时声场强度变化幅度在0.37 Pa 范围以内；相对变化率(间距每改变1 mm 时声场强度变化幅度与距离护套外表面1.3 cm 处声场强度之比)在4.38%以内。相对于上换能器阵列，下换能器阵列中的偶极子换能器激发声场的强度下降曲线较为陡峭，在距离护套外表面1.3 cm 附近声场强度相对变化率相对较大，这主要是由于该阵列中的偶极子换能器激发的声场含有更高频(4.38 kHz)的成分。

图6 各偶极子声源辐射声场的径向方向分布Fig.6 Radial distribution curves of sound fields excited by dipole sources

表2 各偶极子声源在中心线上距离护套外表面1.3cm 附近辐射声场的强度变化情况Table 2 Changes of sound field intensity near 1.3 cm from the sheath surface on center lines

3.3 周向上声场分布

测井仪器水平放置，将传声器固定在距离仪器护套表面1.3 cm、与各偶极子声源中心线相交的周向方向上，等间隔转动仪器进行声场测量，并提取各位置处的声场强度特征。图7 为得到的声场周向分布图。表3 记录的是各偶极子源在周向上声源中心附近2◦范围内的声场强度变化情况。从表3 中可以看出，在周向方向上，当传声器位置偏离声源中心2◦时，声场强度相对于正对声源中心位置处的声场强度下降幅度在0.14 Pa 范围以内，相对下降值(声场强度下降幅度与正对声源中心位置处的声场强度)在2.35%以内。

表3 周向上声源中心附近2◦范围内声场强度变化情况Table 3 Changes of sound field intensity within 2◦around the center of dipole sources in circumferential direction

图7 偶极子源激发声场在周向方向上的分布Fig.7 Circumferential distribution curves of sound fields excited by dipole sources

通过对各个位置处的声场信号进行频谱分析，可以得到：上换能器阵列中偶极子源激发的声场能量集中在2.7 kHz 附近；下换能器阵列中偶极子源激发的声场能量集中在830 Hz 和4.4 kHz 附近。提取各个位置处声场信号的主频点信号成分，得到偶极子声源激发声场的周向空间分布指向性特征，如图8 所示。从图8可以看出，各个偶极声源激发的声场在主频点处的周向空间分布具有“8”字型特征，符合偶极声场的特性；下换能器阵列中X-偶极声源激发的声场周向空间分布对称性较差。

图8 各偶极子声源激发声场的周向空间分布指向性特征Fig.8 Spatial distribution directivity characteristics of sound fields excited by dipole sources

3.4 误差分析

声场测量误差的主要来源于声场信号采集系统误差和传声器放置位置误差。

3.4.1 声场信号采集系统误差及对声场测量结果的影响

实验过程中采用AWA6221B 型声校准器对传声器进行校准。根据该型校准器辐射声场在传声器接收位置处的标称声压级(94 dB)和最大误差(0.5 dB)，可以得到实验中所用的传声器对频率为1 kHz 的声场声压测量最大相对误差为5.9%。采用DSO-X 3034A型示波器作为数据采集终端，根据其标称的对频率为1 kHz的电压信号测量最大相对误差，可以计算得到该型示波器对频率为1 kHz 的声场声压测量最大相对误差为2.0%。由此可以得到整个采集系统对频率为1 kHz的声场声压测量最大相对误差为6.2%。考虑到采集系统在200 Hz～6 kHz频率范围内频响曲线较为平坦，可将采集系统对频率为1 kHz的声场声压测量最大相对误差作为对200 Hz～6 kHz 频率范围内的声场声压测量最大相对误差。

3.4.2 传声器放置位置误差及对声场强度测量结果的影响

传声器放置位置误差可以分为在轴向方向上位置误差、径向方向上位置误差和周向方向上位置误差。在测量声场过程中，在轴向方向上和径向方向上的距离测量使用的工具为毫米尺，测量精度为1 mm；在周向方向上，由于使用的传声器固定装置上有定位槽结构，可以认为传声器位置在周向上偏离声源中心角度在2◦以内。表1～表3给出了各偶极子源辐射的声场在正对声源中心、距离仪器护套外表面1.3 cm位置附近的声场强度变化情况。分别取上下换能器阵列中的各个偶极子声源辐射声场变化的平均值作为该换能器阵列的辐射声场变化特征。表4 为传声器放置位置误差范围及造成的声场强度测量相对误差。从该表中可以看出：在径向方向上传声器放置位置误差对声场强度测量带来的误差最大，传声器偏离基准位置(距离护套外表面1.3 cm)1 mm 以内时，两换能器阵列声场强度测量最大相对误差分别为2.71%和4.13%；其余两个方向上的传声器位置误差对声场强度测量带来的误差相对较小，在轴向方向上偏离声源中心位置1 mm 以内时两换能器阵列声场强度测量最大相对误差分别为0.26%和0.59%，在周向方向上偏离声源中心位置2◦以内时两换能器阵列声场强度测量最大相对误差分别为0.86%和1.58%。在径向基准位置附近，相同的径向位置误差对下换能器阵列声场强度测量带来的相对误差相对于上换能器阵列较大，这是由于下换能器阵列中偶极子换能器激发的声场强度径向相对变化率较大。

表4 传声器位置误差以及对声场强度测量的影响Table 4 Microphone position errors and impacts on sound field intensity measurement

4 声场特征的提取

根据该支横波远探测仪器偶极发射声系激发声场的测量结果，可以提取出声场强度、频谱以及空间分布对称性特征。以各偶极子声源中心线上、距离两侧护套外表面1.3 cm 处为该声源的特征提取位置。对该位置处偶极声源激发的声场进行处理，得到频谱、声场强度特征，并以声源两侧特征提取位置处声场的主频信号成分间的强度相对差异来表征声场空间分布对称性。

4.1 声源主频

图9 绘制的是各偶极子源在特征提取位置处的声场信号频谱。从图中可以看出：上换能器阵列中各个偶极子源激发的声场能量主要集中在2～3 kHz范围内；下换能器阵列中各个偶极子源激发的声场能量主要集中在450 Hz～1.8 kHz 和4～5 kHz 两个频段内。表5 记录的是各偶极子声源在特征提取位置处的声场信号主频点。

图9 各偶极子源激发声场频谱Fig.9 Spectrum characteristic curves of sound fields excited by dipole sources

表5 各偶极子源激发声场的主频点Table 5 Dominant frequencies of sound fields excited by dipole sources

4.2 声场强度

结合图7 给出的各偶极源在特征提取位置处的声场频谱和公式(2)，可以计算出各偶极子源在特征提取位置处激发声场的强度特征值，记录在表6中。

表6 偶极声源激发声场强度特征值Table 6 Intensity characteristics of sound fields excited by dipole sources

4.3 声场空间分布对称性特征

以各偶极子声源两侧特征提取位置处声场的主频信号成分间的强度相对差异来表征声场空间分布对称性，结果记录在表7 中。从表中可以看出：上换能器阵列X/Y-偶极子声源和下换能器阵列中的Y-偶极子源激发声场的对称性较好，两侧声场主频信号成分强度相对差异在15%以内；下换能器阵列中的X-偶极子源激发声场的对称性相对较差，两侧声场在两个主频点处的信号强度相对差异分别达到了30%和23%，说明该对换能器的对称性不是非常理想。

表7 空间声场分布对称性特征Table 7 Spatial distribution symmetry characteristics of sound fields excited by dipole sources

5 发射声系性能快速检测参考依据讨论

上面对偶极子声波远探测仪器的偶极发射声系激发的声场强度、频谱及空间分布特征进行了测量和分析，结合偶极子阵列声波仪器对评价地层各向异性的要求，可以考虑选取偶极发射声系主频、特征位置处的声场强度以及周向上激发声场指向性分布特征值来快速检测仪器偶极发射声系的性能。本文实验中，由于条件不足，没有针对足够的仪器开展实验测量，获得实际数据的代表性不够充分，因而文中给出的具体数值仅供参考。在实际应用中，可针对经过严格测试且性能完好的多支偶极子声波测井仪发射声系激发的声场进行多次测量，并提取相应的声场特征值，定量分析声源主频、声场强度以及声场指向性分布特征值的变化规律，通过重复实验，给出可接受的特征参数相对偏差范围，作为该类仪器发射声系性能快速检测参考依据。

6 结论

本文提出了以声源主频、声场强度以及声场空间分布特征值作为偶极子声波测井仪发射声系性能快速检测的特征参数，通过与仪器处于完好状态时的特征参数参考依据相对比，当两者在可接受的相对偏差范围内时，即可认为被测仪器偶极发射性能正常。相对于现有的声波测井仪器检测方法，该方法具有高效、便捷的优势，无需采用笨重、昂贵的检测装置，便于在测井施工的前线基地应用。

致谢本论文得到了戴郁郁老师、张咪同学、李嘉慧同学和战婷婷同学的指导和帮助，谨以致谢。