随钻多极子声波测井仪接收换能器的数值模拟
提高声波测井仪器性能的关键——换能器的频率特征
・方法研究・提高声波测井仪器性能的关键———换能器的频率特征许玉俊1沈建国2田素月3吕殿忠3(1东营 胜利石油管理局测井公司) (2天津大学药学院)(3濮阳 中原石油勘探局地球物理测井公司)许玉俊,沈建国,田素月,吕殿忠.提高声波测井仪器性能的关键———换能器的频率特征.石油仪器,2003,17(4):5～7摘 要 常规测井系列中,补偿声波和声波变密度测井仪器是比较重要的仪器,其性能的改进对提高测井技术水平具有重要意义。
文章从裸眼和套管井内传播的声波具有明显的频率选择性出发,讨论声波测井仪器性能的改进问题,并且结合换能器的导纳圆测量结果,给出了具体的提高声波测井仪器性能的方法。
即用导纳圆测量系统测量装在仪器上的换能器的主频和频带宽度,以不同地层的井内能够传播的声波的频率特征为基础选择相应的声波测井换能器或仪器,以保证在裸眼井内测量的波形中首波是以地层的纵波速度传播的,在套管井内,首波是反应固井胶结质量的套管波。
关键词 声波测井 换能器 导纳圆 套管作者介绍 许玉俊工程师,1970年生,1992年毕业于石油大学(华东)应用电子技术专业。
现在胜利石油管理局测井公司研究中心工作,主要从事声波成象、固井质量和剩余油饱和度测井仪器的研究。
邮编:257096引 言生产实际中用的声波测井仪器的频率在10kH z ～20kH z范围内。
其波长大约1/3m～1/6m(声波时差取300μs/m),井内液体的声波波长大约1/6m ～1/12m,与井的半径(0.11m)接近。
这样,声波在井内的传播特征由圆形的井孔决定,以地层纵波速度传播的声波幅度随频率变化比较大[1、2]。
同样,套管井内以套管波速度传播的声波(反映固井胶结质量)幅度也随频率变化。
如果声波测井仪器发射声波的频率偏离能够传播套管波或以地层的纵波速度传播的首波的频率范围,则套管井测量波形中以套管波速度传播的声波幅度比较小,该声幅减小不是固井胶结质量好所导致;裸眼井测量波形中可能没有(或幅度比较小)以地层的纵波速度传播的声波,测量不到地层的纵波时差。
随钻声波测井井下算法测试系统数据交换接口设计
２０２３年１１月第３８卷第６期西安石油大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＳｈｉｙｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｎｏｖ．２０２３Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．６收稿日期：２０２２ ０８ １１基金项目：国家自然科学基金（４１９０４１１２），陕西省自然科学基础研究计划（２０１９ＪＱ－８１２），陕西省教育厅专项科研计划项目（２２ＪＫ０５０６），西安石油大学研究生创新与实践能力培养项目（ＹＣＳ２１２２１０２０）第一作者：王伟（１９９８ ），男，硕士研究生，研究方向：测井仪器与信号处理。
Ｅ ｍａｉｌ：８２０６３２８１５＠ｑｑ．ｃｏｍ通讯作者：郝小龙（１９８８ ），男，博士，讲师，研究方向：井下信息探测与控制技术。
Ｅ ｍａｉｌ：ｘｌｈａｏ＠ｘｓｙｕ．ｅｄｕ．ｃｎＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３ ０６４Ｘ．２０２３．０６．０１５中图分类号：ＴＥ９２７；Ｐ６３１．８＋１文章编号：１６７３ ０６４Ｘ（２０２３）０６ ０１１８ ０６文献标识码：Ａ随钻声波测井井下算法测试系统数据交换接口设计王伟１，２，郝小龙１，２，周静１，２，杨诚１，２，高国寅１，２（１．西安石油大学电子工程学院，陕西西安７１００６５；２．西安石油大学油气钻井技术国家工程实验室井下测控研究室，陕西西安７１００６５）摘要：对数据进行井下实时处理能够更好地发挥随钻声波测井在地质导向钻井中的作用。
设计井下算法测试系统有助于井下处理算法的高效开发。
本文初步构建了一种井下算法测试系统，设计了前端机中ＳＲＡＭ与上位机之间的数据交换接口。
硬件方面，前端机以ＦＰＧＡ为控制核心，它与上位机通过ＵＳＢ微控制器连接。
软件方面，ＵＳＢ微控制器固件、ＦＰＧＡ和上位机控制软件共同实现了数据交换协议。
测试表明，该数据交换接口能够实现测井数据的格式转换和双向传输功能，上传和下传速度分别可以达到３４．７８ＭＢ／ｓ和４３．０４ＭＢ／ｓ。
随钻电磁波测井仪器结构影响的三维有限元模拟
随钻电磁波测井仪器结构影响的三维有限元模拟许巍;柯式镇;李安宗;陈鹏;朱军;桑泉【摘要】The effects of metal mandrel, coil substrate, antenna slot, antenna slot filling material, and shield cover of an elec-tromagnetic wave propagation resistivity logging while drilling(LWD) tool were simulated bya 3D finite element method. The results show that the low resistivity of metal mandrel, coil substrate, and shield cover can lead to significant electromagnetic signal reduction, whereas the effect of the slot filling material with high resistivity is nearly negligible. Under the considerationof mechanical strength, the attenuation of electromagnetic signal can be minimized via increasing the slot length, enlarging the space proportion of slot, and reducing the slot depth. The structural effects may result in nonlinear response changes with the formation resistivity;after eliminating the structural effects, the responses recover to change linearly with the formation resistivi-ty in a broad range, satifying the requirement of linear calibration. However, due to the decrease of magnetic flux in the coils after eliminating the structural effects, the tool responses may become smaller than those without the structural effects.%利用三维有限元方法模拟钻铤、线圈衬底、天线槽、天线槽填充物及屏蔽罩等仪器结构对随钻电磁波测井响应的影响。
正交偶极子声波测井仪器接收换能器筛选分析
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 。
Ｉ Ｉ 绋 ，ｌ ● ！ 颤
Ｃ Ｉ ●
Ｌ
●＿ ●…
图 ２ 压电接收换能器等效 电路
Ｙ＝ ｏ １ ＋ ￣Ｃ ｊｏ
ｏ
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
ｙ 一Ｇ１ ｇ ｌ １ ＋ ＇ Ｂ
李
辉等 ： 正交偶极子声 波测井仪器接收换能器筛选分析
・ １・ ５
ｓ
一ｌ ． ． ￣ ． ｆ
３ 结束语
随钻声波测井仪模拟实验装置研制及应用
井筒的两端分别加工有法兰盘，凸台形堵头用 螺栓紧固密封安装在法兰盘上，由于仪器刻度和测 试时，换能器和隔声体需处于充液井筒内，因此堵头 的凸台面上安装带阀门的进水管和出水管，用于井 筒内水的进出。
线测试，调试测控电路参数，目前通常是将仪器除了 测控电路之外的部分放在地面的半空间水槽，在仪 器工作时，对测控电路进行在线调试，此时仪器的工 作环境与仪器放入刻度井内的情况不同，参数调整 存在偏差。目前国内外还没有一种测试装置代替刻 度井，模拟随钻声波测井仪器的工作环境，不但对仪 器进行刻度和整体性能测试，还在同一环境中对测 控电路进行在线调试。为了解决该问题，研制了一 种随钻声波测井仪模拟实验装置，并基于该装置进 行了随钻声波单极和多极室内测试实验。 1 随钻声波测井仪模拟实验装置研制 1． 1 模拟实验装置研制
2019 年第 7 期
内蒙古石油化工
1
①
随钻声波测井仪模拟实验装置研制及应用
马 海1 ，李铮阳2 ，肖红兵1
（ 1． 中石化胜利石油工程有限公司随钻测控技术中心，山东 东营 257064； 2． 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072）
摘 要： 随钻声波测井仪器室内测试标定通常采用建造刻度井群的方式，模拟不同声速的软硬地层 往往需要建造多个模拟刻度井筒，该方式不但建造成本较高，而且无法对仪器进行在线测试和调试。为 了解决该问题，研制了一种随钻声波测井仪模拟实验装置代替刻度井，可以模拟随钻声波测井仪的工作 环境，不但能够对仪器进行刻度和整体性能测试，还能够在同一环境中对测控电路进行在线调试。该实 验装置实现方式简单，可快速实现仪器刻度，并极大方便新仪器的调试，提高随钻声波仪器的开发速度， 具有很高的实用价值。基于该实验装置分别开展了随钻声波单极和四极模式的声速测量实验，实验结 果表明，设计的随钻声波测井仪测量的平均纵波速度与采用时差法测得的纵波速度相比，相对误差为 2． 94% ，精度满足现场需要。
多极子阵列声波测井仪
缓冲1 缓冲2 缓冲3 缓冲4
数据采集系统组成结构图
ADC1 ADC2
低字节 FIFO
读低 字节
数据传送 接口
串行数据 总线
ADC3 ADC4
读高 字节
高字节 FIFO
ADC 状态
转
读 数
换 启 动
写 入
复 位
命令译码
采集控制
串行命令总线
MPAL数据采集原理框图
测井仪器原理（一）
??Fp (t) ? xx(t)cos2 ? ? [ xy(t) ? yx(t)]sin? cos? ? yy(t)sin2 ?
? ??S p (t)
?
xx(t)sin2 ?
?[
xy(t) ?
yx(t)]sin?
cos?
?
yy(t)cos2 ?
利用交叉偶极求取地层各向异性实例
测井仪器原理（一）
8
. 6.2 多极子阵列声波测井仪MPAL
测试信号
4
通道 信号 多路 选择 电路
第一组换能器阵 第二组换能器阵 第三组换能器阵 第四组换能器阵
第五组换能器阵 第六组换能器阵 第七组换能器阵 第八组换能器阵
四通道声波 信号接收板 1
四通道声波 信号接收板 2
数据采集通道 1 数据采集通道 2
数据采集通道 3 数据采集通道 4 串行命令总线 数据采集通道 5 数据采集通道 6 数据采集通道 7 数据采集通道 8
? 6.2 多极子阵列声波测井仪 MPAL
? 6.2.1 MPAL 仪器结构
? 仪器主要包括5个部分
? 发射电子线路 ? 发射声系 ? 隔声体 ? 接收声系 ? 主控电子线路
偶极声波接收换能器圆形压电振子振动数值模拟
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｒ － ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｒ ｅ ｏ ｆ ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ｐ ｏ ｌ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ． Ｐｒ ｅ ｖ ｉ ｏ ｕ ｓ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｌ ｙ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ － ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ； ｆ ｅ ｗ ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｉ ｎ ｖ ｏ ｌ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｏ ｕ ｒ ｔ ｈ ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｎ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ． Ｆｉ ｒ ｓ ｔ ｗｅ ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ． Ｔｈ ｅ ｎ，ｂ ｙ Ｆ ＥＭ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ， ｗｅ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｎ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ａ ｌ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｅ ｄ ｇ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｈｓ ｏ ｆ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｖ ａ ｒ ｉ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ． Ｔｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｐ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｅ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｅ ｓ ｔ ， ｗｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｃ ｌ ａ ｍｐ ｅ ｄ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｗｅ ｓ ｔ ． Ｔｈ ｅ ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ａ ｌ ｓ ｏ ｈ ａ ｓ ｇ ｒ ｅ ａ ｔ ｉ ｍｐ ａ ｃ ｔ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ． Ｔｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｉ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｒ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｈ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｌ ｏ ｇ ｇ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｏ ｌ ，ａ ｃ ｏ ｕ ｓ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ｐ ｏ ｌ ｅ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ，ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｐ ｉ ｅ ｚ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ， ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ。ｎ ｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
超声波随钻井径检测仪的数据采集与传输
超声波随钻井径检测仪的数据采集与传输作者：向伟吴凌云陈敬来源：《物联网技术》2013年第02期摘要：为了更好地发挥随钻测井仪检测数据的真实性和使用灵活性等优点，文中基于Actel公司的APA075FPGA数据采集和传输系统所涉及到的AD数据采集、FPGA数据缓存、FPGA中数据的串口发送三部分，在实验室自制的一块FPGA最小系统板上，开发了一种激发换能器来对回波进行采集、缓存和传输。
关键词：随钻井径检测；AD数据采集；FPGA；串口发送中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）02-0032-030 引言在油、气开发过程中，测井是必不可少的。
在开发初期，有勘探测井，在开发中后期，则有生产测井。
传统的电缆测井存在着种种难以解决的问题，如在某些大斜度井或特殊地质环境（膨胀粘土或高压地层）钻井时，电缆测井就无法进行。
除此之外，电缆测井是在钻井完成之后，用电缆将仪器放入井中进行测量，钻井过程中带出的钻碎的岩屑和钻井液会侵入地层，这样测量的数据与真实的数据有一定的差别。
因此，随钻测井技术就应运而生，而无论是在电缆测井还是随钻测井中，数据采集和传输都是必不可少的。
本文所涉及的超声波随钻测井径的基本原理是：沿着油井的径向向井壁垂直发射超声波，当发出的超声波遇到井壁时发生反射，反射的回波被换能器接收。
这样，根据超声换能器发出超声波到反射回波被换能器接收所经历的时间t和已知的超声波在泥浆中的速度v就可以计算井径的长度。
本文运用AD对回波进行采集，运用FPGA对AD转换后的数据进行缓存和传输，FPGA为AD提供片选信号和转换时钟，转换之后的数字量再给FPGA进行串转并、FIFO 存储、串口发送。
在本文中，FPGA采用的是Actel公司的APA075，开发平台采用的是Libero8.5。
1 系统的总体设计2.2 FIFO的设计与实现FIFO的主要功能是实现不同时钟域之间的数据传输。
随钻声波测井技术综述
随钻声波测井技术综述随钻测井的研究从20世纪30年代开始研究，在1978年研究出第一套具有商业价值的随钻测井仪器。
在那以后，随钻测井在国外取得迅速发展并获得广泛应用，我国对随钻测井的重视达到了前所未有的程度。
随钻声波测井也是如此。
1发展随钻测井的意义和随钻声波测井发展现状随钻测井（LWD）是近年来迅速崛起的先进技术。
它集钻井技术，测井技术和油藏描述等技术于一体，在钻井的同时完成测井作业，减少了钻机占用井场的时间，从钻井测井一体化中节省成本[1]。
跟常规电缆测井相比，除了节省成本外，随钻测井有如下优势：（1）从测量信息上讲，随钻测井是在泥浆尚未侵入或者侵入不深时测量地层信息，泥饼和冲洗带尚未形成，所测得到的曲线更加准确，更能反映原始地层的真实信息，如声波时差等。
（2）从对钻井的指导作用来讲,随钻测井可以提前检测到超压地层，以指导钻井泥浆的配制，提高钻井安全系数。
它也可以根据测井信息，分析出有利的含油气方向，确定钻井方向，增强地质导向功能。
（3）从适应环境上讲，在大斜度井，水平井或特殊地质环境（如膨胀粘土和高压地层），电缆测井困难或者风险大以致不能进行作业时，随钻测井可以取而代之。
目前在海上，几乎所有钻井活动都采用随钻技术[2]。
正因为这些优点，作为随钻测井的重要组成部分的随钻声波测井近年来也获得了巨大的发展。
总体而言，国外无论在随钻声波测井的基础理论研究方面还是在仪器研发方面都比较成熟，而国内近年来也对随钻声波测井的相关难题进行了大量的工作。
具体而言，从上世纪90年代起，贝克休斯、哈里伯顿、斯伦贝谢三大公司就率先开始了随钻声波测井的研究，并逐渐占领随钻测井的国际市场份额。
APX随钻声波测井仪,CLSS随钻声波测井仪,sonicVISION随钻声波测井仪的相继出现，更加巩固了他们的垄断地位。
在国内，鞠晓东，闫向宏[等人在随钻测井数据降噪[3]，存储[4]，压缩[5],传输特性[6]和电源设计[7]等方面做出了大量的工作。
随钻冲激声源深探测接收换能器参数模拟
随钻冲激声源深探测接收换能器参数模拟
路媛;尚海燕;吴莎;杜许龙;赵凯雄
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2024(60)1
【摘要】近年来,随钻冲激声源深探测技术成为石油钻井领域的重要技术之一。
接收换能器是随钻冲激声源深探测仪器的重要组成部分,其接收灵敏度不仅影响冲激声源深探测数据的准确性,还影响钻井、测井的可靠性。
基于此,文章从接收换能器的结构参数入手,利用有限元分析法,研究了圆形叠片压电换能器结构参数的变化对其接收灵敏度的影响规律。
研究表明:增加换能器半径可以增大灵敏度平均值;压电陶瓷片厚度越大灵敏度越高;金属基片厚度变化对灵敏度影响不大。
期望本研究的数值模拟计算可为冲激声源深探测接收换能器设计、研制提供技术数据和参考。
【总页数】3页(P54-56)
【作者】路媛;尚海燕;吴莎;杜许龙;赵凯雄
【作者单位】西安石油大学电子工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TB5
【相关文献】
1.随钻多极子声波测井仪接收换能器的数值模拟
2.随钻超深电磁波仪器探测深度及响应特征模拟
3.超深随钻方位电磁波测井探测特性及参数敏感性分析
4.随钻声波深探测技术中声源的研究进展
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随钻多极子声波测井仪接收换能器的数值模拟孙志峰;唐晓明;苏远大;刘西恩;仇傲;张勇【摘要】接收换能器是随钻多极声波测井仪的关键器件,其性能直接影响测量信号的质量.利用有限元法分析了边界条件、金属基片厚度以及封装方式对随钻多极子声波测井仪叠片型接收换能器振动模态和接收灵敏度的影响.模拟结果表明,两端钳定边界条件下换能器一阶伸缩振动模态的谐振频率最高,声波测井工作频率范围内接收灵敏度曲线最平缓、起伏最小,接收灵敏度较高,是随钻多极子声波测井仪最适合的一种机械安装方式.中间金属基片厚度对接收换能器灵敏度有一定影响,接收灵敏度随着金属基片厚度的增加而略有升高,且频率为3 kHz附近的灵敏度跳跃点往高频移动、起伏变大.采用充满硅油的长方体壳体对接收换能器封装,接收灵敏度比无壳体有较大差异,灵敏度曲线在多个频率点存在跳变,工作频段内起伏变大.数值模拟结果对随钻多极子声波测井仪接收换能器设计、制作及正确安装起到良好的指导作用.【期刊名称】《测井技术》【年(卷),期】2019(043)002【总页数】5页(P118-121,128)【关键词】声波测井仪;接收换能器;边界条件;基片厚度;封装方式;接收灵敏度;有限元【作者】孙志峰;唐晓明;苏远大;刘西恩;仇傲;张勇【作者单位】中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580;中海油田服务股份有限公司,北京 101149;中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛266580;中海油田服务股份有限公司,北京 101149;中海油田服务股份有限公司,北京 101149;中海油田服务股份有限公司,北京 101149【正文语种】中文【中图分类】P631.830 引言近年来,随钻声波测井技术被广泛应用于油气田勘探及开发,具有取代电缆声波测井的潜力与趋势[1]。
斯伦贝谢公司研制的SonicScope随钻多极子声波测井仪可测量高质量的地层波信息[2],信号质量完全可以与电缆声波测量信号相媲美,该技术极大地推动了随钻声波测井技术的发展。
接收换能器是随钻声波测井仪的核心部件之一,其性能直接影响到随钻声波测井信号的采集质量。
目前,国际上新型的随钻多极子声波测井仪中均采用叠片型声波接收换能器,这种换能器结构与电缆多极子阵列声波测井仪的接收换能器结构相仿。
电缆多极子阵列声波测井仪的接收换能器一般采用橡胶皮囊封装,皮囊里面充满硅油保证声系内外的压力平衡。
换能器通过金属基片的突出部分悬挂于接收声系骨架上,可近似认为是自由边界条件[3]。
然而,随钻声波测井仪实际钻井环境复杂恶劣,仪器在测量过程中剧烈振动,常规的电缆多极子阵列声波测井仪接收换能器的悬挂安装以及橡胶皮囊封装方式不再适用于随钻声波测井仪。
所以,随钻多极子声波测井仪设计制作时需要考虑接收换能器的固定以及封装方式,使其满足实钻振动环境所需要的振动模态和接收灵敏度。
此外,由于随钻声波测井仪接收声系槽深度空间有限,换能器的厚度大小需满足仪器机械强度设计要求,因此,需要选择合适厚度的金属基片。
李振等[4]研究了随钻声波测井仪叠片型接收换能器晶体厚度与接收灵敏度的关系。
国外对这方面的研究工作很少报道。
本文利用大型有限元分析软件COMSOL Multiphysics[5-7]模拟了叠片型随钻声波接收换能器在3种不同机械边界条件下的振动模态及接收灵敏度,并研究了接收换能器金属基片厚度及外壳封装材质对其接收灵敏度的影响。
研究为随钻多极子声波测井仪器接收换能器的设计提供了理论依据。
1 数值模拟与分析1.1 接收换能器结构和边界条件随钻多极子声波测井仪叠片型接收换能器的基本结构如图1所示。
接收换能器由上下2片极化方向相反的压电陶瓷与3片金属基片粘结而成。
压电陶瓷片及金属基片均采用矩形板状结构。
工作方式采用并联结构,中间的金属基片接电源负极,2片压电陶瓷外侧面接电源正极,2片压电陶瓷片以相同的方式振动。
图1 随钻多极子声波测井仪叠片型接收换能器示意图采用的压电陶瓷材料为PZT-5A,金属基片材料为铜,数值计算忽略了粘胶及引线等装配结构。
参考模型中2片压电陶瓷片尺寸一致,长度50 mm、宽度25 mm、厚度2.5 mm。
上下2片金属片的长度和宽度与压电陶瓷片的尺寸一致,厚度0.2 mm。
考虑到中间金属基片两端均需打孔并以螺栓固定在接收声系骨架上,中间金属基片的长度55 mm,宽度与另外2片金属片一致,厚度0.2 mm。
换能器的机械边界条件一般有自由、简支和钳定3种[8],由于随钻声波测井仪在井下承受剧烈振动,工程上很难实现简支机械安装方式。
本文数值算例仅考察自由、一端钳定一端自由和两端钳定3种边界条件。
3种边界条件下的模型示意图见图2。
图2 3种边界条件下接收换能器的模型示意图1.2 边界条件对接收换能器伸缩振动模态影响在COMSOL Multiphysics软件固体力学模块中选择压电设备物理场接口,利用特征频率研究方法可对压电设备进行模态分析。
由于叠片型接收换能器的结构具有对称性,因此,只需构建1/4有限元模型以节省内存资源和提高计算速度。
图3为1/4有限元模型在空气中的网格剖分结果,采用映射及扫掠方法进行网格剖分,共有10 440个六面体单元,12 138个网格顶点。
图3 1/4有限元模型网格剖分结果数值计算表明,叠片型接收换能器的振动模式比较丰富,主要存在伸缩振动模式及弯曲振动模态,且每种振动模式存在多个阶数。
声波测井仪器的测量频段一般在20 kHz以下,接收换能器的工作模式为伸缩振动模式。
当接收换能器测量到声压场信号时,长度方向的周期性伸缩振动引起换能器厚度方向的振动,进而产生交变电压信号。
图4为3种边界条件下接收换能器的一阶伸缩振动形态图。
由图4可见,不同的边界条件影响同一振动模态的振动形态及谐振频率。
从图4(a)可以看出,自由边界条件下换能器一阶伸缩振动的谐振频率为29.764 kHz,换能器长度方向产生伸缩振动。
从图4(b)可以看出,一端钳定一端自由边界条件下换能器一阶伸缩振动谐振频率为14.056 kHz,换能器钳定端位移很小,而自由端位移最大。
从图4(c)可以看出,两端钳定边界条件下换能器一阶伸缩振动的谐振频率为48.665 kHz,由于换能器两端钳定,限制了长度方向的伸缩振动,两端位移较小,导致换能器中部在y方向产生收缩振动。
1.3 边界条件对接收换能器灵敏度的影响在COMSOL Multiphysics声学模块中选择声压电相互作用物理场接口,利用频率研究方法可对压电设备进行接收灵敏度计算。
首先对上述叠片型接收换能器在流体域中建立几何模型,流体域为半径50 mm的球体,流体材料为水。
为了保证换能器的激励信号在球域边界没有反射,需在球域增加厚度10 mm的完全匹配层。
由于模型具有对称性,因此,只需构建1/4有限元模型以节省内存资源和提高计算速度。
图5为流体域中自由边界条件下1/4有限元模型的网格剖分结果。
由于金属片及压电陶瓷尺寸相对计算域很小,需对金属片及压电陶瓷单独采用映射及扫掠方法进行网格剖分。
模型共有22 812个六面体单元,6 410个网格顶点。
对接收换能器施加1 V的正弦电压信号,根据球面波互易原理[9],可以分别计算不同边界条件的接收换能器灵敏度曲线。
图6是3种边界条件接收换能器接收灵敏度对比结果。
由于随钻声波测井的工作频率范围低于20 kHz,因此,仅讨论20 kHz以下频率范围内接收灵敏度的变化情况。
从图6中可以看出,自由边界条件下接收灵敏度先降低,在频率为13.1 kHz出现最低值-220.2 dB,之后不断升高,频率20 kHz处的接收灵敏度为-204.5 dB,起伏为15.7 dB。
一端钳定一端自由边界条件接收灵敏度先降低,在频率9.2 kHz处出现最低值-238.6 dB,之后不断升高,在频率为13.5 kHz处出现最高值-193.7 dB,之后再不断降低,频率为20 kHz处的接收灵敏度为-220.3 dB,起伏为44.9 dB。
两端钳定边界条件下接收灵敏度在2.6 kHz处急剧上升,最高值达-204.1 dB,然后迅速下降并逐渐降低,19.6 kHz出现最低值-214.9 dB,起伏为10.8 dB。
由以上分析可知,随钻声波测井仪宜采用两端钳定机械边界条件,该边界条件接收换能器灵敏度曲线变化起伏最小,整个工作频段范围内灵敏度曲线变化最平缓,接收灵敏度相对较高,可以保证测量的信号稳定可靠。
图4 3种边界条件下接收换能器的一阶伸缩振动模态图5 自由边界条件1/4有限元模型网格剖分结果图6 3种边界条件下换能器接收灵敏度曲线1.4 金属基片厚度变化对接收换能器灵敏度的影响随钻声波测井仪接收换能器中间金属基片固定到接收声系骨架上,中间的金属基片厚度必须满足井下剧烈的机械振动条件。
图7是两端钳定边界条件金属基片厚度H分别为0.2、0.6 mm及1.0 mm时的接收灵敏度曲线对比。
从图7中可以看出,不同的金属基片厚度,接收灵敏度曲线变化规律相似,均在频率为3 kHz附近出现急剧跳变点,然后逐渐降低。
随着中间金属基片厚度的增加,灵敏度急剧跳变点对应的频率往高频移动,且灵敏度变化起伏增大。
整个工作频段范围内换能器的接收灵敏度随着中间金属基片厚度的增加而略有升高。
图7 两端钳定边界条件不同金属基片厚度的接收灵敏度曲线1.5 外壳材料属性对接收换能器灵敏度的影响电缆声波测井仪接收换能器一般采用橡胶皮囊封装,皮囊里面充满硅油保证声系内外的压力平衡。
而随钻声波测井仪测量环境恶劣,钻井液中的岩屑对测井工具的冲刷严重,如果接收换能器采用橡胶封装,极易导致橡胶皮囊破损漏油。
因此,必须采用新的接收换能器封装方式,本文采用长方体外壳封装随钻接收换能器,壳内充满硅油,数值模拟几种不同的外壳材料对接收换能器灵敏度的影响。
模型中长方体壳体材料分别为水、PEEK及金属铝,壳体长度60 mm,宽度30 mm,高度9.6 mm,壳体壁厚0.5 mm。
接收换能器在壳体中居中放置,同样把该模型放置在球体流体域中,可计算其接收灵敏度曲线。
计算所需的物理场接口、吸收边界条件、网格剖分等设置均与本文1.3所述方法一致。
图8为两端钳定边界条件不同材质外壳的接收灵敏度对比曲线。
从图8可见,换能器放置在充满硅油的壳体中,如果外壳材料为水(模拟理想情况,实际无法实现该材料),整个频段内接收换能器灵敏度曲线的变化趋势较为平坦,与图6中两端钳定无外壳材料的接收灵敏度曲线基本一致。
但是如果外壳材料为PEEK或金属铝,整个频段内接收换能器灵敏度曲线在很多频率点都出现了急剧跳跃。
考虑声波测井工作频段内(20 kHz以下),外壳材料为PEEK时,频率13.9 kHz处出现最低值-224.2 dB,而频率14.3 kHz处出现最高值达-167.6 dB,起伏56.6 dB;外壳材料为金属铝时,频率14.4 kHz处出现最低值-221.8 dB,而频率18.4 kHz处出现最高值达-183.2 dB,起伏38.6 dB。