随钻声波测井四极子发射换能器的设计*

提出一种基于金属基片结构的随钻四极子发射换能器,其一阶弯曲模式可用于随钻四极子声源。利用有限元法对该换能器进行了设计分析,结果表明在5kHz附近存在一阶弯曲振动模态,其径向位移分布及发射电压级响应均优于单纯的瓦片状压电阵子,非常适合随钻四极子工作频率及声场的测量需求。针对一阶弯曲振动模态,数值模拟了几何尺寸对换能器性能参数的影响。换能器谐振频率随着陶瓷片厚度、陶瓷片高度、陶瓷片张开角度、金属基片厚度的增大而升高。最大发射电压级幅值随着陶瓷片高度、陶瓷片张开角、金属片厚度的增大而升高;随着陶瓷片厚度的增大,最大发射电压级幅值先升高后逐渐降低。金属基片采用铝片可以使换能器有较大的发射功率。数值模拟结果可以对随钻声波测井仪四极子发射换能器的设计起到良好的指导作用。     

Generalized collar waves in acoustic logging while drilling

Tool waves, also named collar waves, propagating along the drill collars in acoustic logging while drilling(ALWD),strongly interfere with the needed P- and S-waves of a penetrated formation, which is a key issue in picking up formation P- and S-wave velocities. Previous studies on physical insulation for the collar waves designed on the collar between the source and the receiver sections did not bring to a satisfactory solution. In this paper, we investigate the propagation features of collar waves in different models. It is confirmed that there exists an indirect collar wave in the synthetic full waves due to the coupling between the drill collar and the borehole, even there is a perfect isolator between the source and the receiver.The direct collar waves propagating all along the tool and the indirect ones produced by echoes from the borehole wall are summarized as the generalized collar waves. Further analyses show that the indirect collar waves could be relatively strong in the full wave data. This is why the collar waves cannot be eliminated with satisfactory effect in many cases by designing the physical isolators carved on the tool.     

随钻声波测井隔声体刻槽影响的数值模拟研究

针对随钻声波测井中钻铤波干扰以及刻槽后散射波问题,该文利用时域有限差分法模拟钻铤波在随钻隔声体中的传播规律,首先考察在无限大流体中钻铤波在凹槽分界面处的散射特征,利用波场快照直观显示了钻铤波会有一部分能量在刻槽的固液界面转化为斯通利波。同时在有地层时分别对比了均匀内刻槽和外刻槽对钻铤波的衰减效果,发现在选择均匀内刻槽还是外刻槽时结果不仅与频率范围有关,而且与刻槽的深度也有关系。最后对比了槽宽较大的均匀凹槽隔声体和槽宽较小的渐变凹槽隔声体。可以得出结论,在设计随钻隔声体时,在10 kHz以下选择均匀外刻槽方式相对于内刻槽隔声效果会更好。随着刻槽槽深增加,外刻槽在10 kHz以下相比于内刻槽隔声性能优势更加明显。渐变刻槽在满足衰减钻铤波幅度要求的同时,散射波对后续地层波和斯通利波影响也更小。     

Acousto-electric well logging by eccentric source and extraction of shear wave

The nonaxisymmetric acousto-electric field excited by an eccentric acoustic source in the borehole based on Pride seismoelectric theory is considered. It is shown that the acoustic field inside the borehole, converted electric and magnetic fields and coupled fields outside the borehole are composed of an infinitude of multipole fields with different orders. The numerical results show that both the electromagnetic waves and the seismoelectric field in the borehole, and the three components of both electric field and magnetic field can be detected. Measurements on the borehole axis will be of advantage to determining shear velocity information. The components of the symmetric and nonsymmetric acoustic and electromagnetic fields can be strengthened or weakened by adding or subtracting the two full waveforms logged in some azimuths. It may be a new method of directly measuring the shear wave velocity by using the borehole seismoelectric effect.     

声诱导电磁场的赫兹矢量表示与多极声电测井模拟

在假设声场不受电磁场影响的前提下，将Pride声电耦合方程组化为具有电流源的麦克斯韦方程组.与空间位置固定的电流源产生的电磁场不同，孔隙地层中声波诱导的电磁场是由空间波动的电流源产生的.通过引入赫兹矢量，将求解麦克斯韦方程组问题转化为求解关于赫兹矢量的非齐次矢量赫姆霍兹方程组.通过求解该方程组，得出电磁场表达式.利用此方法，针对声电效应测井，分别计算了由单极声源、偶极声源、四极声源激发的井内声场及其诱导电磁场的全波波形. 关键词： 孔隙介质 诱导电磁场 测井 多极声源     

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。     

基于电缆-无线耦合的随钻测井信号传输新方法及其数值模拟研究

信号传输是随钻测井的重要组成部分, 也是随钻测井进一步发展的瓶颈.针对这个问题, 研究了由Novatek^TM提出的基于钻杆内有线传输, 钻杆间电磁耦合传输的随钻信号高速传输方法.首先, 针对钻杆间的电磁耦合结构的对称性, 采用了高效的数值模式匹配法对该耦合结构进行了电磁建模; 然后, 为了优化钻杆间耦合结构的耦合性能, 利用上述的电磁建模方法对该耦合结构进行了仿真分析, 分析了该耦合结构各个参数对耦合性能的影响, 并得出了一些有意义的结论, 该结论能够指导随钻测井信号钻杆间耦合传输的优化设计.另外, 钻杆内传输线利用矩形传输线设计, 设计出了50 Ω 特性阻抗的矩形传输线, 并计算了相关损耗.最后, 通过仿真和实验验证了优化设计的钻杆间耦合传输结构具有非常好的传输性能, 并且仿真和实验结果符合良好. 关键词： 随钻信号传输 数值模式匹配 电磁耦合 矩形传输线     

宽带相控线阵声源在套管井外地层辐射声场的指向性

套管井中的声传播涉及到波在柱状多层介质中的传播问题。通过数值计算对比了宽带相控线阵声源在套管井外均匀地层中产生的纵横波声场的指向性。结果表明,在任意胶结状况下,均可实现向套管井外地层定向辐射纵横波的技术;与地层中纵波的传播特征不同的是在主瓣偏转角方向横波幅度随着偏转角的增大逐渐增加,且在主瓣辐射方向的横波幅度受套管井胶结状况的影响较纵波小;采用玻璃钢套管代替钢套管,会进一步减弱地层声场受胶结状况的影响,这有利于实现在套管井外地层较大范围内的精确定向辐射声波的技术。     

模糊随机参数二维声场数值计算

解决声场参数同时具有模糊性和随机性的问题,实现模糊随机声场声压响应的预测,引入了信息熵理论,利用信息熵的等效转换,将模糊随机声场转化为纯随机声场或者纯模糊声场进行求解,推导了基于摄动法的二维随机声场和模糊声场的有限元计算公式。以模糊随机参数下的二维管道声场模型和某轿车二维声腔模型为例进行了数值计算,所得结果与蒙特卡洛法(Monte Carlo Method)所预测声压变化范围基本一致,同时,转化为纯随机声场和纯模糊声场所求得声压响应变化范围也基本一致,说明了本文方法计算结果的准确性。因此本文方法能很好地应用于模糊随机参数下二维声场的预测,具有重要的工程应用价值。