软地层随钻测井仪器偏心情况下低频四极子源 激发波场的数值分析*

为了探索测井仪器偏心对随钻低频四极子波场的影响,利用有限元法(多物理场耦合有限元软件包)对软地层井孔中随钻仪器偏心情况下低频四极子声源激发的波场进行了数值模拟。通过对随钻四极子测井波形的分析可知,当采用低频随钻四极子偏心声源激发时,测井波列中除传播速度与低速地层横波速度相当的地层四极子波模式外,还存在一个幅度非常低、传播速度略高于井孔流体中声速的模式波,该模式被对应钻铤弯曲波模式,且该模式波的幅度随着随钻四极子源偏离井孔中心距离的增大呈二次方规律增大,地层四极子模式波幅度呈三次方规律增加。     

单极随钻声波测井换能器感知信号类型的研究

为了认识测量信号所对应的力学类型及相应类型的钻铤波在钻铤内的分布,该文将理论模拟的随钻声波测井波形与实验波形进行对比。与前人单独考虑压电效应或井孔传播效应不同,该文模拟单极随钻声波测井响应时,将发射器、接收器、光滑钻铤和井孔结构作为一个整体,采用有限元法计算模拟了电压源激励下接收器记录的声压信号和位移信号。将模拟的声压波形与电压信号进行比较,发现二者的钻铤波与斯通利波相对幅值相差较大,而模拟的径向位移波形更接近电压信号。进一步比较理论波形与小模型井内实验测量到的电压信号,证实电压信号更接近位移信号而与声压信号差异明显。这表明当钻铤光滑时,单极随钻声波测井换能器感知的主要是径向位移信号。研究还表明声压信号中的钻铤波能量主要集中在钻铤内壁,径向位移信号中的钻铤波能量主要集中在钻铤外壁。     

随钻单极子声波测井模式优化及远探测

针对非均匀性地层地质力学评价和地质导向钻井的需要,研究了随钻单极子声波的方位特性和反射声场特征,并研制了随钻声波测量装置.建立了不同方向速度模型井和反射声场模型,数值模拟了两个模型的单极子声波传播特征,使用单极子声源发射和偏极子接收器接收的测量模式,分别获得了波速周向变化图和反射波的方位特征.模拟结果表明,纵波对地层方...     

偶极随钻声波测井声压和径向位移响应的差异*

声波测井仪接收到的电信号通常是多个压电片响应的叠加,它主要是由声压还是径向位移响应转化而来,或是两种响应兼有目前未有定论。该文通过实轴积分法和复变函数法计算并对比分析随钻声波测井的声压和径向位移场,发现这两种响应特性有着显著的差异。首先,软地层的偶极随钻测井时,声压信号包含钻铤波和舒尔特波两个波群,而径向位移信号仅有钻铤波波群;其次,单极声源情况下,声压和径向位移信号的钻铤波能量分别集中在钻铤内、外壁,而偶极情况恰好相反,可见,钻铤按照单极情况的分析结果进行刻槽后,高频时的拖尾现象会影响偶极信号中舒尔特波对横波速度的反演。因此,阐明两类信号的差异对横波速度的反演和钻铤波的压制都具有重要意义。     

随钻声波测井圆弧状压电阵子的有限元分析*

圆弧状压电阵子是随钻声波测井仪发射换能器的核心部件。利用有限元法对圆弧状压电阵子进行了设计分析,结果表明20 kHz以下频率范围内主要存在弯曲振动模态及径向振动模态,且径向振动模态能够满足随钻声波单极测量模式的工作频率要求。针对径向振动模态,数值模拟了几何尺寸对压电阵子声学性能参数的影响。圆弧状压电阵子的谐振频率随着陶瓷片厚度的增大而升高;随着陶瓷片高度、半径及张开角的增大而降低。圆弧状压电阵子的最大发射电压级幅值随着陶瓷片厚度、张开角的增大而降低;随着半径的增大而升高;随着陶瓷片高度的增大,最大发射电压级幅值先升高后逐渐降低。以外径为6.75 in的钻铤为例,最优化设计了圆弧状压电阵子的尺寸,使其满足钻铤模式波隔声阻带中心频率的要求,同时保证了压电阵子具有最大发射电压级。数值模拟结果可以对随钻声波测井仪发射换能器设计起到良好的指导作用。     

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。     

压电换能器导纳的研究

本对压电换能器的等效电路及导纳圆测定方法进行了介绍．对于提供压电换能器与所在电路间的阻抗匹配有重要意义。     

压电陶瓷复合换能器固有频率的有限差分法*

为丰富换能器固有频率的研究理论,以及提供一种新的计算方法供工程人员选择,提出了计算其固有频率的有限差分法。以由径向极化的压电陶瓷圆管与金属预应力管沿径向复合而成的二元压电陶瓷复合换能器为例,建立并推导了其向振动的数学模型及其有限差分形式,给出了换能器径向振动的特征方程。利用MTALAB对计算实例的径向振动的固有频率进行编程计算,理论计算结果与已有实验结果符合很好,验证了有限差分法计算压电陶瓷复合换能器固有频率的可行性及准确性。通过仿真计算,给出了换能器径向振动固有频率与其结构尺寸的影响关系：换能器径向振动的固有频率随压电陶瓷圆管内径的增大而降低,随换能器壁厚比的增大而降低。该文所建立的换能器径向振动固有频率的有限差分法同样适用于结构形式相近的换能器及其他元器件。     

正交偶极声波测井换能器有限元分析*

三叠片型换能器是正交偶极声波测井仪器的重要组成部分。换能器的性能直接影响声波测井数据的质量。本文在前人工作基础上,针对三叠片型声波测井发射换能器长度方向的一阶弯曲振动工作模式,利用有限元方法,模拟了换能器结构尺寸和边界条件变化对换能器性能的影响。结果显示,结构尺寸和边界条件对换能器的谐振频率和电导值均有不同程度的影响。参考数值模拟结果,选取合适的结构尺寸参数和边界固定方式,可以调整和选择正交偶极声波测井仪器发射换能器工作频率和最大发射效率。本文研究结果对三叠片型换能器的优化设计有较好的指导意义。     

压电式摆动圆柱形偶极发射换能器优化研究

为了实现偶极信号有效辐射,获得足够高的信噪比,全面分析弯曲波频散,本文提出了一种新型的频带范围为0.5–5 k Hz的压电式摆动圆柱形偶极声波测井换能器,并采用有限元方法对其进行了模拟和优化设计。此外,论文还对换能器进行了实验样机制作和实验测量,将实验测量与数值模拟结果进行了对比。研究表明,提出的新型偶极声波换能器比传统换能器具有更高的发射灵敏度,尤其是在低频响应范围。本文为新型偶极声波测井换能器的研发工作奠定了基础。     

超声反射成像测井的有限元分析*

利用有限元方法研究了有限长换能器激发的超声波在套管井多层介质中的传播规律。数值模拟了换能器长度及套管曲率对反射回波的影响。随着换能器长度增加,反射回波频谱谱陷个数由单一向多个变化;套管共振透射窗的反射波相对能量先逐渐减小后振荡变化,较小长度的换能器对套管与水泥环界面的声阻抗区分能力优于较大长度的换能器。随着套管曲率的增大,套管共振透射窗的反射波由单一模式的厚度振动纵波向其他模式波变化。数值模拟结果对超声脉冲反射声波测井仪器的换能器结构优化设计起到了良好的指导作用。     

2019年中国声学学会青年人才托举工程项目交流会在南昌召开

为改善电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)激发横波的特性,提出一种基于正交试验的优化方法,并利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立了横波EMAT的有限元模型,应用正交试验和极差分析法,分析了线圈各参数对电磁超声横波的近场长度和半扩散角的影响,比较了线圈各参数影响程度的大小。结果表明,激励电流的频率和线圈的尺寸对横波的传播特性有着明显影响,提高频率会使得横波的近场长度增大及半扩散角减小;其次,减小导线的宽度及间距,以缩小线圈尺寸能有效改善横波的传播特性。     

混合激励纵振换能器的研究

纵振式换能器是水声领域中不可或缺的一类中频段换能器,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷材料PZT作为驱动元件设计混合激励纵振式换能器。利用ANSYS有限元软件建立了有限元模型,对换能器的电声参数进行了优化,并制作一宽带混合激励纵振式换能器,实验测得的换能器与仿真的结果较为吻合,实测换能器的最大发送电压响应为145dB,其工作频带为4kHz-16kHz,频带内发送电压响应起伏为±4.5dB。     

声波测井新理论和方法进展

在对声波测井的应用背景、基础方法的推出和理论发展过程进行综述的基础上,着重介绍了近10多年声波测井理论和方法的新进展.结合偶极声波测井技术的兴起和地层各向异性的探测,就相关的基础理论新成果和典型新方法的应用分别进行了评述,也对井孔倏逝波机制和声（震）电效应这类更着眼于进一步应用的物理问题做了概述.文章每一部分都对存在的问题和值得开展的工作提出了建议,并提供了较详细的参考文献,供有兴趣的读者方便查阅.     

多极子阵列声波成像测井技术研究*

多极子阵列声波成像测井已经成为测井中主要方法之一,在地层评价与油气田开发中有重要作用。在已有理论与数值模拟的基础上,经过近十年的技术攻关,我们已经在多极阵列声波成像仪器制造、测试与数值处理等主要关键技术方面都取得了长足的进展,具体包括高温正交偶极子发射换能、高温低频单极子换能器、声系测试、多极子阵列声波测井高温电路及仪器集成、资料处理及解释等主要方面。所研制的仪器及资料处理方法,经过与国外同类仪器的测井结果进行了对比分析,验证了所研发的仪器的可靠性和处理方法的正确性,这些关键技术为我国声学测井仪器装备技术研发和快速发展打下了基础,提供了技术支撑。     

声波测井新理论和方法进展

在对声波测井的应用背景、基础方法的推出和理论发展过程进行综述的基础上,着重介绍了近10多年声波测井理论和方法的新进展.结合偶极声波测井技术的兴起和地层各向异性的探测,就相关的基础理论新成果和典型新方法的应用分别进行了评述,也对井孔倏逝波机制和声(震)电效应这类更着眼于进一步应用的物理问题做了概述.文章每一部分都对存在的问题和值得开展的工作提出了建议,并提供了较详细的参考文献,供有兴趣的读者方便查阅.     

Circuit-field coupled finite element analysis method for an electromagnetic acoustic transducer under pulsed voltage excitation

This paper presents an analytical method for electromagnetic acoustic transducers (EMATs) under voltage excitation and considers the non-uniform distribution of the biased magnetic field. A complete model of EMATs including the non-uniform biased magnetic field, a pulsed eddy current field and the acoustic field is built up. The pulsed voltage excitation is transformed to the frequency domain by fast Fourier transformation (FFT). In terms of the time harmonic field equations of the EMAT system, the impedances of the coils under different frequencies are calculated according to the circuit-field coupling method and Poynting’s theorem. Then the currents under different frequencies are calculated according to Ohm’s law and the pulsed current excitation is obtained by inverse fast Fourier transformation (IFFT). Lastly, the sequentially coupled finite element method (FEM) is used to calculate the Lorentz force in the EMATs under the current excitation. An actual EMAT with a two-layer two-bundle printed circuit board (PCB) coil, a rectangular permanent magnet and an aluminium specimen is analysed. The coil impedances and the pulsed current are calculated and compared with the experimental results. Their agreement verified the validity of the proposed method. Further- more, the influences of lift-off distances and the non-uniform static magnetic field on the Lorentz force under pulsed voltage excitation are studied.     

基于电磁超声换能器的火车轮探伤研究

利用电磁超声探伤方法对检测火车轮表面及近表面缺陷进行实验探究,从而保证车轮质量,避免事故发生。文章介绍了火车车轮电磁超声探伤的原理和方法。根据电磁超声表面波辐射扩散角的分布情况,得出利用电磁超声表面波进行车轮踏面探伤的可行性。将制作的小巧换能器探头与便携式电磁超声探伤仪配合,能够实现对车轮的快速探伤检测。通过大量的车轮探伤实验,检出了典型车轮踏面缺陷。根据检测波形特点并结合生产工艺情况,分析得出产生缺陷的原因。研究表明:电磁超声无损检测方法能够快速、有效检出车轮踏面缺陷。     

任意阵形水声换能器阵辐射声场计算

本文用边界元的方法计算了阵形任意的水声发射换能器共形阵的辐射声场。在详细研究了边界元方法基本理论的基础上，采用Pro／ENGINEER软件与ANSYS软件相结合来建立换能器阵的边界元模型，再用SYSNOISE软件计算其辐射声场和辐射阻抗。这种声场计算方法可用于发射换能器阵设计阶段对设计结果进行预报。