正交偶极子声波测井仪器接收换能器筛选分析

器组装 仪 器 ，可 以保 证仪 器各 个接 收探 头具有较 好 的一致 性 ，对 于提 高仪 器性 能具 有重 要意 义 。 关 键 词 ：压 电换 能器 、频率 响应 、谐振 频率 、导 纳、频 谱 分析 中 图法 分类号 ：Ｐ ３ ． １ ６ １８ 文 献标 识码 ：Ｂ 文章 编号 ：ｌ０ － １４２ １）４０ １—３ ０ ４９ ３ （０ ２０ —０ ３０
波信 号 。
手段 来 进行综 合 地质 解释 ， 究 地应 力分 布 、裂 缝区 研
域分 布 、 层位 置 、以及地 质上 非 常需 要 的地 层 各 向 断
异性 等 ，使测 井技 术从 “ 一孔 之见” 向区域地 质评 价 研究的 “ 一孔 远 见” 方面 发展 。
压 电换能 器是 正交偶极 子 阵列声波 测井仪 器 的核
频率信 号 一般不 超过 ３ Ｈ ，图中 ３ 以下频 段容 ０ｋ ｚ ０Ｋ 抗 平直 ，多次 谐振 响应 良好 ，所在位 置也 不会 影响 到 仪 器 工作 信 号 ，完全符 合仪 器 的设计 要求 。
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图 ２ 压电接收换能器等效 电路
Ｙ＝ ｏ １ ＋ ￣Ｃ ｊｏ
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果表 明 ， 交偶极 子仪 器接 收换能 器 １ 接收 到 的偶 正 所
极 波列 向信 号 正常 ，即 、玢， 向信 号正 常 ；Ｙ 劝 方 方 向有 波形 信号 ， 是无论 ￣ｘＹｙ向还是 】 方 向 ， 但 ： ， ｙ 波
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李
辉等 ： 正交偶极子声 波测井仪器接收换能器筛选分析
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３ 结束语
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压 电换能 器制 作完 成后 ， 具有 了相应 的固有频 其 率 ，在 固有 频率 处 ，阻抗特 性参 数特征 明显 。测 量压 电换能器 的阻抗 参数并 分析这些 参数 的特征是 正确选
较好 的压 电换 能器 并配 对使 用 ， 提高 正交偶 极子 仪 对
测 井项 目 ，在油 气勘 探和 开 发领 域有 重要 的应 用 。 正交偶 极子 阵列声 波测 井是通 过测量 地层 的声学 传播 特性 来分 析 、 究 储层 特征 的 一种测 井 方法 。 研 该 方法 利 用具有 不 同频 率 的声波 发射 （ 收 ）探头 ，在 接 地层 中 有 目的地 激 发和 接 收纵 波 、横 波和 斯通 利 波 ， 这几 种波 在不 同地 层 中具 有不 同 的传播 特性 ， 这些 而 特 性 又分 别与 地层 的孔 隙 、渗 透 和应 力特征 有 关 。正 交 偶 极 子 阵列 声 波 测 井仪 器 除 了可 以 测 量声 波 的首
保证 最大 谐振频 率 应在 ２ ０ｋ～ ６ ０ｋ之 间 ，其 他 ３ ０ ０ 个 小 的谐振 峰也 要清 晰可 见 ， 正交 偶极 子仪 器 的声波
对于压 电 晶体 的基本 原理 分析 ， 以通过 波动 方 可 程 、相应 的压 电方程 和 力学 边 界条件 来 完成 ， 工程 而 上经 常采 用等效 电路 方法 ，而 压 电换能 器 采用如 图 ２ 所示 的等 效 电路来 表示 ， 样 就可 以将机 电耦 合 的复 这 杂 关 系转化 为单 一 的电路来 讨论
性 信 息也可 能被 探头 的不 一致 性所 掩盖 ， 法应 用声 无 波 波形 资料 来分 析地 层 的各 向异性 ， 以 ，在 正交偶 所 极 子 阵列声 波测 井仪 器 的制造 及维修 时 ， 须对 压 电 必 换 能器 进行 严格 的测 试分析 和 筛选 ， 证 同一支 仪器 保 的压 电换能 器具 有较 好 的一致性 。 安捷 伦公 司 的阻 抗分析 仪 （２ ４ ４ ９ Ａ）被 普遍 用于 测 量压 电换 能器 的阻 抗特性 参数 ， 其可 以测 量并 区分 几 何形状 相 同 的压 电换 能器 的 阻抗差 异 ， 择 一致 性 选
择 和使 用压 电换 能器 的关 键 。
６ ０
石 ２ ０１ ２年 第 ２ ６卷 第 ４期
油
仪
器
ＰＥＴＲｏ ＬＥＵ Ｍ ＮＳＴＲ ＵＭ ＥＮ Ｉ Ｉ Ｓ
・ 发设 计 ・ 开
正交偶极子声波测井仪器接收换能器筛选分析
李 辉 陈洪海
河北 燕郊 ） （ 中海油 田服务股份有限公司油 田技术研究院
摘
要 ：正 交偶 极 子 阵列声波 测 井仪 器通 常有 ８组 或更 多组接 收探 头 ，每 个接 收探 头分别 由 ４个结 构相 同的压 电换 能 器
为频 率测量 范 围 （０ ４ Ｈｚ～ １ ｚ ， 坐标 为动 态 电 ＭＨ ） 纵
阻和 电容 测量 结果 ， 从图 中可 以看 出换能 器在 各个 方
图 １ 压 电接 收换能器结构示意图
向上 的谐振频 率有 较大 差 别 （ 材料 、 化 基本相 同 在 极 情况 下 ，谐振 频率 由其体积 、形 状 决定 ） 。测量 时应
接 收声 系做 了通 断 、绝缘 检查 ， 没有 找到 出 问题 的 但 原 因 ，在 声 系检查时 发现 ，换 能器 完好 无损 ，信号 线 的焊接 也没 问题 。 最后使 用 阻抗分 析仪 测量 了接 收换
能器Ｒ 上的 ４个 换能器 （ 号 为 １ 、３ ） 编 、２ 、４ ，发 现
０ 引 言
随着 石油 工 业 的迅速 发展 ， 勘探 开发 的油 气藏 越 来 越复 杂 ，对 测 井及 其 资料 处理 的要求 也越 来越 高 ，
其 促进 了测 井方 法 和测 井仪 器技 术 的发展 。 各类 测 在 井 方法 中 ， 波测 井是 仪器 种类 多 、 用 非常广 泛 的 声 应
从公 式 中可 以看 出无论是 电导还 是 电纳 都是频 率 ∞的 函数 ，使 用阻抗 分 析仪对 压 电换能 器进 行扫频 测 量 ，可 得到 电导 、电纳 的频 响 曲线 ，并利 用频 响 曲线 来进 行压 电换 能器 的振 动模态 模态 分析 。
形信 号都 无相 关性 。 排 除了 电子线 路 的问题 后 ，对 在
组 成 ，压 电换 能 器 阻 抗 特 性 参 数 的 一 致 性 将 直 接 影 响 仪 器 的 性 能 ，对 接 收 换 能 器 进 行 测 试 、 筛选 和 配 对 等是 制 造 和 维 修 仪
器声 系的一 个重 要环 节。阻抗 分析仪 常用于 测量压 电换 能器 的阻抗特 性 参数 ，选 择 阻抗 特 性参数 相 同或者 相近 的压 电换 能
压 电晶体在 没有 应 力激励 的静 态情 况下 ， 略 电 忽 损 耗压 电 晶体是 一个 纯 电容 ， 常 用Ｃ 表示 ，即等效 通 ０
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电路 中 只剩 Ｃ ，Ｃ 的大小 与压 电 晶体 的介 电常 数ｓ ｏ ０ 和
晶 片 的长 、宽 、高有 关 。如果 考虑 电损 耗 ，则等效 电 路 中相 当于 并联 了 一个损 耗 电阻Ｒ 。 ｏ 当压 电 晶体 接收 或辐 射能 量时 ， 存 在动态 阻抗 ，它是 由于换 能器振 还 动 部 分 的 力阻 抗 和 介 质对 振 动 部分 的反 作 用 而 产生 的 。动 态 阻抗 可 以 用 电感 、 电容 、 电阻 的 串联 来表 示 ， 、Ｃ 、Ｒ 分 别代表 压 电晶体 无 负载等效 电路 的 １
寸 相 同 的压 电晶 体 ，其 振 动 模态 也 可 能 不是 完 全 一 致 ， 将导 致接 收到 声波信 号 的幅度 、相 位有 比较 大 这
的差 别 。 电换 能器 的 一致性对 阵 列声波 测井 仪器影 压
响 比较大 ， 不对 称 的压 电换能器 组装 的探 头会 导致横
波 时 差提 取误 差加 大或无 法提 取 ，同样 ， 层 各 向异 地
压 电晶体 的机 电性能 、结 构形 式及 振动 模式有 关 。
在 图 ２的等效 电路 中 ，用 ｙ 表示 压 电 晶体 的 总导
则 ， 会对 同 一滑行波 造 成幅度 和相 位 的失真 。 图 将 如
４ 、图 ５所 示 的是仪 器维 修测试 的一个 实例 ，测 量结
纳 ，用ｙ 、ｙ分 别 表示静 态导 纳和 动态 导纳 ，则 有 ０ １
波 ，还可 以测 量 和记 录声 波全 波列 数据 ，通过 先进 的
器性 能指标 具 有重 要意 义 。
阵列处 理 技术 ， 记 录到 的软 、 地层 中的全 波信 息 对 硬 进 行处 理 ， 以 准确地 提 取地层 纵 、 波 的传播 速 度 可 横 和 幅度 ，石 油地 质上 用 其来评 价 储层特 性 ，例如 ：岩
向上 的一 片换 能器 （ ）与其 他三 片换 能器 （、 ４号 １ ２ ） 的频响 曲线 不 一致 （ 图 ６所示 ） 、３ 如 ，最大 谐振 频率位 置 后移 ，３ 小 的谐 振 频率都 不 明显 ，将其 换 个
掉 后重新 在实 验井 测试 ，仪 器信号 正 常 。
２ １ ０ ２年 第 ２ ６卷 第 ４期
向井研究 院声学测井项 目组，从事技术工作 油 仪 器 Ｐ Ｔ ＯＬ Ｕ Ｉ Ｓ Ｒ Ｅ Ｒ Ｅ Ｍ Ｎ Ｔ ＵＭＥ Ｉ ＮＳ
２ ０１ ２年 ８月
对 于接 收换能 器 ， 常测 量其 动态 电阻 和 电容 。 通 接 收换能 器 片的测 量结 果如 图 ３所 示 ， ３中横坐标 图
等 效 电感 、等效 电容 和 等效 电阻 ， 它们 数值 的 大小与
图 ３ 压 电接收换能器阻抗测试结果
通 过对 频响 曲线 的分析 发现 ， 能器 工作 的频 段 换 容 抗相近 不是 仪器 筛选 的唯 一标 准 ， 要注 意 多次谐 还 振 的响应 ， 保证 接 收换能 器 的 固有 频率 尽量 接近 ，否
性 、流体 含量 、刚性和 压缩 系数 、泊松 比等 。地 质学 家 还可 以通 过单 、偶极 波列 数据 资料 ，辅助 其它 测量