随钻多极子声波测井仪接收换能器的数值模拟

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】P631.83

0 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