声波测井技术的重要进展——偶极横波远探测测井

近年来单井反射声波远探测技术的一个重要进展是利用偶极声波探测仪器来发射和接收地层深部的反射信号。本文首先介绍了单井反射声波成像技术的研究进展。然后,从偶极横波成像原理、充液井孔中偶极远场辐射指向性、偶极声源激励下的井外声场分布、反射横波幅度和反射系数、偶极横波数据中的反射波分析和现场资料处理实例分析等方面详细论述了偶极声波远探测技术。最后,讨论了这门技术今后改进和发展的方向,通过本文读者可以了解偶极横波远探测技术的原理、方法、效果和应用前景。     

横波换能器的研制

本文从压电介质的基本方程出发,推导了厚度切变模横波换能器的梅森等效电路。进一步得出了适于工程应用的等效电路。介绍了有关晶片电弹常数的测量原理和换能器的研制工艺。     

压电复合材料宽带横波换能器的实验研究

本文用实验方法研究了２－２压电复合材料的厚度切变特性,定性地给出了２－２压电复合材料的性能与ＰＺＴ相体积百分比,以及与共振频率牟关系。并用这种材料作为换能元件,制作出高灵敏度窄脉冲横波换能器。     

基于邻井反射的偶极横波远探测验证方法

偶极横波远探测技术已成为探测井外地质构造的一种重要测井技术,需要针对偶极横波远探测的验证迫在眉睫。本文利用三维有限差分数值模拟方法,对比和分析了地层界面和相邻充液邻井产生的反射横波幅值的差别,结合现场实例,提出了偶极横波远探测成像测井的验证方法。在此基础之上,进一步分析了不同反射邻井结构时,反射横波幅度的变化情况,结果表明,采用多井联合方式可以有效的增加反射波的幅值,减小非共面产生的散射效应影响。最后,初步建立了两口试验井,测试数据处理结果与理论分析结果吻合,为下一步实验井方案的优选和完善提供了理论和数据支持。     

偶极横波远探测典型地质体解释模型研究及应用

偶极横波远探测技术是近年来发展起来的一门重要的地球物理测井技术,它把常规测井技术的测量范围从井周1 m左右提高到几十米,在井旁裂缝和孔洞等地质体的探测中取得了较好的应用效果。本文根据偶极横波辐射声场和接收声场的互易性,提出了一种快速计算井旁地质体反射声场的解析方法——远场渐近解,实现井旁孔洞、裂缝等典型地质体反射声场的快速计算,分析了不同地质体的远探测成像特征,在此基础之上,与已有实际井资料结合建立了偶极横波远探测的解释模型,并将其应用于海上实际井旁地质体评价。应用结果表明,偶极横波远探测解释模型可用于海上缝洞型地层识别、井旁断层或断裂带判断等,效果明显。     

对2-2型压电复合材料横波换能器产生的纵波特性的研究

在固体测量中，横波换能器所产生的波列中常伴随有纵波，认识纵波产生的原因可以解释横波测试中出现的现象，以及抑制纵波提供有效的方法，本文利用实验研究的方法，用一对纵波偶极子换能器的对比实验，分析了２－２型压电复合材料厚度切变换能器产生纵波的机理，发现这是一种伴随着晶片厚度切变振动而产生的“偶极子”纵波，并由此解释了这种纵波的伴随性，频率特性及其首波与横波首波位相相反等问题。     

反射波测井的菲涅尔带效应

基于反射波的单井远探测是声波测井发展的一个重要里程碑,可以有效探测距离井数米到数十米的异常反射体如裂缝,极大提升了声波测井的径向探测距离,在碳酸盐岩缝洞储层勘探开发有重要的作用。本文系统考察了有限尺寸裂缝的反射强度与声源频率和反射体距离的变化特征。模拟结果表明,无论是单极子还是偶极子,反射波的幅度都呈现出菲涅尔带效应。在一定距离内,反射波幅度随裂缝某一方向如宽度增大而增大,当宽带增加一定尺寸后,反射波幅度有一定的程度下降,然后小幅震荡。总之,反射波幅度与反射体尺寸不是简单的正相关,因此,基于反射波能量来评价反射体体积和储量是有条件的。     

同时发射和接收纵波和横波的压电复合材料换能器

通过控制压电复合材料中压电相的分布形式，本文具有在百度模振动的１－３型压电复合材料和具有扭转模振动的拼接２－２型压电复合材料组合在一起，构成一种混俣模式压电材料，并测试了这种压电材料晶片的性能参数，使用这种晶片作的换能器可以根据使用者的要求，单独产生纵波或横波，也可同时产生这两种波。     

高频空气声换能器研究现状与展望

本首先阐述高频空气声换能器的设计要点，然后介绍空气声换能器在测距、成象、材料特性无损评价等方面的初步应用，最后讨论空气声换能器进一步研究的发展方向及应用前景。     

偶极子接收换能器驻波场校准系统的研究

本文研究了设计偶极子接收换能器的驻波场校准系统,利用该系统可以实现偶极子类型接收换能器的校准,包括接收灵敏度及偶极子方向性的测量,频率范围为２０－２０００Ｈｚ校准误差小于１ｄＢ。     

圆弧片状声源向地层中辐射声场的有限差分模拟

提出了一种可用于随钻声波测井的非对称的圆弧片状声源,旨在发展一种能够在钻井过程中精确确定反射体位置的三维反射声波远探测方法。研究了在复杂的井孔条件(钻铤偏心、各向异性和不规则井孔形状)下,该声源向地层中辐射的声场的特征,进一步分析了不同井况条件对三维随钻远探测声波测井的影响。数值模拟结果表明,在圆形井孔、钻铤居中条件下,无论快速地层还是慢速地层,圆弧片状声源均能够向地层中定向辐射声波信号,其辐射指向性图主瓣3 dB角宽窄,旁瓣级低,方位分辨率较高,适用于随钻三维反射成像测井;井壁粗糙程度、地层各向异性等因素对声场特征影响不大,说明该方法适用于粗糙井壁和各向异性地层情况;钻铤偏心和井壁一侧的破坏对辐射声场的影响较大。对本文的模型而言,在破坏深度小于3 cm或者偏心距离小于2 cm时,声场仍有较好的方位特征,该方法仍然适用。而当破坏深度大于6 cm,声场指向性图出现多个幅值较大的角瓣,可能无法利用其确定反射体的方位。本文的研究结果为三维随钻反射声波仪的设计和研发提供了必备的理论基础。     

单极子声波测井探测器数值模拟优化设计*

单极子探测器是声波测井仪器常用的探测器,其性能直接影响声波测井的数据质量。通过数值模拟建立“水域-透声窗-压电陶瓷圆管-油腔-骨架”模型,计算了探测器在多物理场耦合作用下的振动和辐射特性,重点研究了不同结构参数调整对探测器声学性能的影响,得到性能更优的单极子探测器尺寸参数和更合适的透声窗材料。结果表明,单极子探测器的声学性能受压电陶瓷圆管厚度和内径变化影响较大,对压电陶瓷圆管高度变化不敏感;在一定范围内增大内侧油腔体积能够提升探测器灵敏度;2mm厚度的玻璃钢具有良好的透声效果,同时兼具一定的力学性能,是作为探测器透声窗的合适选择。研究对单极子声波测井探测器的优化具有指导意义。     

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

针对井下前视成像问题, 设计了一种井下前视成像超声阵列换能器。换能器由平面圆环形阵列与凹面聚焦声学透镜组合而成, 通过相控阵发射聚焦声束并控制声束旋转扫描, 在阵元数相对较少的前提下实现了井孔前视方向的声束覆盖探测以及图像获取。推导了换能器的空间声场, 仿真分析了换能器的声场特性及相关参数对换能器聚焦性能的影响, 并据此确定了换能器的各项参数并试制出井下前视成像换能器。实验测试换能器的声场并进行了初步的成像实验, 结果表明, 换能器的实测声场与仿真结果基本符合, 所得前视图像可以反映障碍物的形状和位置信息。

     

压电声透通信的研究进展*

由于电磁屏蔽效应,传统的无线通信技术受限于金属障碍物的遮挡而无法应用。压电声透通信能够克服电磁无线通信方式的这一缺陷,在不破坏金属障碍物物理结构的前提下,通过声波穿透障碍物实现通信。本文在介绍金属隔物通信的基本原理和实现方式的基础上,总结阐述了压电声透通信目前国内外的研究进展,包括传输系统模型的建立、参数的设计、系统的搭建以及该技术中独特的能量传输方式,最后对影响压电声透通信系统性能的因素进行了分析。     

High-overtone self-focusing acoustic transducers for high-frequency ultrasonic Doppler

This work reports the potential use of high-overtone self-focusing acoustic transducers for high-frequency ultrasonic Doppler. By using harmonic frequencies of a thick bulk Lead Zirconate Titanate (PZT) transducer with a novel air-reflector Fresnel lens, we obtained strong ultrasound signals at 60 MHz (3rd harmonic) and 100 MHz (5th harmonic). Both experimental and theoretical analysis has demonstrated that the transducers can be applied to Doppler systems with high frequencies up to 100 MHz.     

声腔对电动式换能器工作特性的影响

传统的电动式换能器设计理论中,未考虑压力补偿系统等声腔结构对声学性能的影响,声源级理论设计结果与实测结果存在较大差别。研究中将电动式换能器内部的三段气腔视为突变截面声腔结构,给出了声腔的四端网络等效电路,将其作为辐射面的负载添加到电动式换能器的传统等效电路中,获得了电动式换能器改进的等效电路。基于改进的等效电路求解了带有声腔结构的电动式换能器声源级曲线,该曲线与有限元仿真分析结果基本一致,验证了该改进的等效电路在预报电动式换能器声源级方面的正确性。基于该等效电路研究了声腔的结构尺寸、末端声学边界及腔内气体声学参数对声源级起伏特征的影响。结果显示,在声腔末端敷设吸声材料或在声腔内充入特性阻抗较小的气体对于抑制或消除声源级起伏具有明显作用。     

低声阻抗复合压电陶瓷的研究及应用

本文研究了我们所配制夹心结构复合压电材料低声阻抗的特性。实验表明，夹心复合压电陶瓷材料的声阻抗，与所用陶瓷材料的种类，气孔率，孔径，样品厚度以及工艺制备过程有关。实验证明，研制特定阻抗的材料是可行的，最后，用研制的新材料成功地应用于混凝土、Ｃ／Ｃ复合材料等非金属材料的超声检测中。     

Equalization of acoustic source using multi-pole sources and source strength estimation using inverse method

Sound measured at various points around the environment can be evaluated by a series of multi-pole sources and their acoustic strength can be acquired. In this numerical study, a method, called the inverse method, was examined to achieve this goal. A variety of arrangements of different sources were considered and the acoustic strength of these sources was acquired. Through the application of the mismatch criterion, good conformity was observed between these sound models and the original sound. Furthermore, with regard to results, sound was generated via different source arrangements which showed acceptable agreement with the original sound. Finally, an arrangement named ‘sources vertical arrangement’ was selected as the best approach.     

Properties and characteristics of P(VDF/TrFE) transducers manufactured by a solution casting method for use in the MHz-range ultrasound in air

Highly effective piezoelectric polymer transducers operating in air at high frequencies have been successfully made by casting a solution of ferroelectric poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) P(VDF/TrFE) directly on a backing metal plate, and their performance has been evaluated. By utilizing this method, it has been possible to develop the three kinds of transducers that operate respectively at 4, 6 and 10 MHz in air. For precise evaluation of the performance of the P(VDF/TrFE) transducers, the absorption loss in air was measured up to 10 MHz. It was confirmed that the empirical formula obtained from the measured absorption values in air at high frequencies was in alignment with its theoretical value. In addition, a high lateral resolution acoustic image of a ROM-Chip (amplitude-image) at 6 MHz in air was successfully displayed using an air coupled concave type P(VDF/TrFE) transducer by bonding an epoxy adhesive.