声波测井压电换能器的一致性问题

・仪器设备・
声波测井压电换能器的一致性问题
沈建国李山生辛鹏来
(天津大学药学院检测中心)　(东营　胜利测井公司)
吕殿中孙春明
(濮阳　中原油田测井公司)(南阳　河南油田测井公司)
沈建国,李山生,辛鹏来,吕殿中,孙春明.声波测井压电换能器的一致性问题.石油仪器,2002,16(6):33～35
摘 要　针对实际生产中存在的声波测井仪器的一致性比较差,发射声波能量和接收灵敏度比较低等问题,用声波测井波动声学的原理讨论声波测井频率对声波时差和声幅测量结果的影响。

对于裸眼井声波测井波形中的首波来讲,其速度随频率变化比较小,但是,幅度受井孔的固有频率影响,随频率变化比较大。

这样,声波测井仪器的压电换能器频率的一致性是影响仪器性能、造成上述问题的主要原因。

用导纳圆测量的方法给出了确定声波测井压电换能器频率一致性的具体技术。

为了提高仪器的性能指标,提出了配对更换压电换能器的仪器检修方法。

结合井内固有频率选择相应的声波测井仪器,可以达到增加针对性,减少盲目性,有效地提高测井成功率的目的。

关键词　声波测井　换能器　频率　幅度
作者介绍　沈建国教授,1963年生,1983年毕业于华东石油学院测井专业,1994年获得石油大学硕士学位,2000年获中国科学院声学研究所声学博士学位,2002年清华大学物理学博士后,现在天津大学专门从事声学理论和声波测井技术研究。

邮编:300072
声波测井仪器存在的问题
从生产实际中发现,声波测井仪器主要存在下列问题:
1.声波测井时差“跳”,并且出现在砂岩目的层,没有办法计算孔隙度。

2.套管井内的首波不是严格地按照套管波的速度传播,这时,声幅测井的幅度不再直观地反映I 界面的胶结状态。

幅度测井值偏高或偏低,与水泥胶结的实际情况不一致。

3.在井比较深时,声幅测井曲线值偏高20%。

或者井比较深时,接收波形的幅度减小,发射能量低,接收灵敏度降低。

4.同一只仪器在不同的深度,其声幅曲线的一致性比较差。

5.不同的仪器之间测量结果的可比性比较差。

原因分析
声波测井仪器测量的声波是在井内液体中传播的,这些波与地层中传播的波通过井壁相互耦合[1]。

对于传播最快的首波(对于裸眼井测井指纵波滑行波,对于套管井来讲指套管波)来讲,由于声波在井内多次反射,圆形的井孔具有一系列的固有频率,或者说,井孔具有明显的频率选择。

当声波仪器发射换能器发射的声波频率与井孔的固有频率接近或相等时,首波的幅度比较大;相反,则幅度比较小,或者根本不能够传播我们需要的首波。

即对于一定的地层和套管井,只有某些频率能够在井内传播。

图1是用波动声学计算的裸眼井内液体中传播的声波[1],其横坐标是频率f,纵坐标是波数k,图1中的三条直线分别代表地层的纵波速度v p、横波速度v s和井内液体的声速v f。

其中,以地层纵波速度传播(最快)的波随频率离散变化,在井孔的固有频率附近存在(能够在井内传播),在其它频率不存在,不能够传播。

换能器的几何尺寸确定后,也有一系列的固有频率,用于发射声波时,只能够发射这些频率的声波。

当换能器的固有频率与井孔的固有频率接近时,发射换能器发射的声波才能够在井内激发出我
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们需要的首波,或者说,相对于测量结果来讲,发射效率最大;用于接收声波时,同样只对其固有频率最灵敏,在这些频率接收,其波形的幅度最大。

图1　裸眼井声波测井的二维谱
一般情况下,换能器是成对使用的。

即要求频
率特性一致,只有这样才能够满足灵敏度的要求。

如果选择的两个压电晶体的一致性比较差,则仪器的灵敏度就比较低。

测量的波形或用波形得到的声幅或时差与实际情况有一定的差别。

普通声波测井要求换能器在其固有频率附近工作,以便激发出比较大的声波能量,同样,接收换能器也应该在其固有频率附近,用其最灵敏的频率接收。

这样,对发射、接收换能器的一致性要求就比较强。

但是,压电晶体的生产是强污染行业(发达国家均将其转换到不发达国家来生产),其生产过程中的环节比较多,成品率比较低。

生产出的晶体尽管几何尺寸一致,但声-电转换时的一致性比较差,这是因为压电材料是各向异性的,压电特征是材料各向异性特征的反映,人工各向异性材料中的细小差别均能够导致其总体的声-电或电-声转换特征的一致性相差比较大。

另外,换能器的动态电特征与其振动模态关系比较密切,某个频率附近的电参数还取决于其机械振动模态。

以往在认识上存在的误区
上个世纪60年代,以几何声学为基础的声波测井理论比较好地解决了裸眼井内首波的传播时间问题。

但是,几何声学的成立条件并不满足,几何路径的概念不能够直接推广到套管井,也无法解释井孔的频率特征。

由于对井内传播的声波的频率特征缺乏基本的认识,所以实践中发现的上述问题无法从根本上找
到其原因。

人们曾希望通过模型井实验来解决该问题。

但是,模型井实验只能够反映换能器频带范围内井孔声场的特征,受换能器振动模态和指向性等特征的影响,井孔对声波频率的过滤问题以及换能器自身的频率和振动特征等并不能够通过模型井实验来最终解决。

解决的办法
对探头的一致性进行必要的筛选是解决该问题的一个比较有效的途径。

同一只仪器安装的压电晶体不一致,或经过检修后换上的压电晶体与原来的压电晶体不一致,测量结果将受到比较大的影响。

保证同一只仪器上的压电晶体的频率特征基本上一致可以有效地发射和接收井内的声波信号。

对声波仪器进行必要的筛选,根据井孔的固有频率(与井径和地层参数有关)选择相应频率的仪器也可以提高测井曲线的质量。

所以,检修时,要换压电晶体,需换一套,以便保证其一致性。

压电晶体的一致性检测
当给压电晶体加上电压后,压电晶体产生振动,该振动的频率受其几何形状控制。

在振动频率附近,压电晶体的电参数有比较大的变化(这是我们能够通过压电晶体测量到声波信号的基础)。

当其振动的模态比较单一时,复的电参数随频率变化有一个极大值,在复平面上是一个圆,称为导纳圆。

当其振动模态比较多时,则有多个极大值,在复平面上不是一个圆。

压电晶体的导纳圆比较综合地反映了其频率特征,是检测压电晶体一致性比较有效的工具。

图2是3个不同的压电晶体的导纳圆测量结果及以根据导纳圆计算的有关参数。

其中,No.1-4
图2(a)　N o.112条切向极化发射晶体的导纳圆测量结果
是常用的12个电极的晶体,切向激化;其中,No.1与No.2的主频相差比较大,频带宽度相差的也比较
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大。

这两个晶体如果装在同一只声波测井仪器上,其仪器的性能将比较差。

图2(c )、图2(d )是振动模态比较多的压电晶体,在17kH z ～19kH z 的频率之间有两个最大值。

图2(d )中还有一段比较平直的部分,对应于左边导纳圆弯进去的部分。

No.5-6是用多个晶体条拼接的,与图2(b )相比,带宽增加了,一致性比较好。

图2(b)　N
o.212条切向极化发射晶体的导纳圆测量结果
图2(c)　N o.312条切向极化发射晶体的导纳圆测量结果
图2(d)　N o.412条切向极化发射晶体的导纳圆测量结果
图2(e)　N o.524条切向极化压电晶体片拼接的
圆管的导纳圆测量结果
图2(f)　N o.624条切向极化压电晶体片拼接的
圆管的导纳圆测量结果
综上所述,从图2中可以看到:晶体之间的差别还是比较明显的。

结　论
国内的声波测井仪器是从仿制起步的,实践中存在的问题需要理论上提供基本的指导。

仪器的改进升级更需要对声波测井的基本原理有比较多的了解,由于我们是在利用自然规律解决实际问题,所以,理论、实践、技术三者缺一不可。

声波测井仪器中的压电晶体的更换是相当麻烦的,测井时间也是比较珍贵的,对不同类型的压电晶体进行必要的筛选,分门别类,针对不同的测井需要使用不同类型的压电晶体和仪器,提高声波测井仪器的整体性能和测井成功率是我们共同的目的。

井孔固有频率的影响是客观存在的,理论计算的介入可以达到增加针对性,减少盲目性的目的。

由于压电晶体的筛选涉及的专业知识比较多[2],过程相当复杂。

我们已经开始建立一套专业的针对不同井眼条件、不同地层的裸眼井、套管井固有频率数据库,配套了压电晶体的导纳圆测量系统和筛选技术。

国内生产的压电晶体的规模比较大,性能相对比较稳定,出口量比较大。

缺乏的是对其进行的必
要的、有针对性、专业化的检测手段。

声波测井仪是一个技术含量比较高的仪器,只有不同专业和技术的配合,才能够真正提高其性能和技术指标。

参　考　文　献
1　沈建国.应用声学基础———分层介质中的声波及其二维
谱讲义.北京:清华大学教材科,2001
2　娈桂冬.压电换能器与换能器阵.北京大学出版社,1990
(收稿日期:2002-08-21　编辑:俞顺金)
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