200℃偶极发射换能器研究

高温偶极子发射换能器是200℃高温多极子阵列声波测井仪器研发需要攻克的主要核心关键技术问题之一。针对这一问题,该文从材料选型和工艺改良两个方面开展技术攻关,研发了耐温达200℃偶极子发射换能器,样机耐温性能测试表明其能够在200℃下连续工作12 h而不损坏,声性能测试样机最大发射电压响应为124 dB,具有与现用换能器相当的辐射性能,样机尺寸及工作频率与现用换能器几乎完全一致,可以方便地对现用仪器进行升级。目前搭载该样机的仪器已经通过孤古8实验井测试,并在新疆顺北油田现场近9000 m井下取得高质量数据,达到设计目的。该文为开展更高温换能器研发提供了详细的研究思路。     

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。     

正交偶极声波测井换能器

正交偶极声波测井仪器是国内外油气勘探和开发中广泛使用的、较为先进的声波测井仪器,利用这种仪器,可以比较全面地获得井眼和地层纵、横波和斯通利波等全波信息,并进一步开展储层评价和预测,如识别地层岩性、判断气层、识别裂缝、估算地层渗透率、计算工程力学参数和确     

声发射研究中的宽频带接收换能器

文章总结了作者在宽频带声发射换能器方面的一些工作和体会,并给出了若干换能器灵敏度估算的数学推导。     

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。     

由辐射膜同空气耦合的200kHz超声换能器

Matjaz Babic报道了一种新型的空气中发射用200kHz超声换能器。为改善声源与空气之间声阻抗的严重失配问题,通常采用的方法是:对高频超声(如200kHz以上的超声),多应用声阻抗匹配技术;对较低频的超声(如50kHz以下),多应用弯曲振动换能器,例如将压电品片与金属膜片粘在一起,使其产生复合弯曲振动。     

基于ZnO压电薄膜的弯曲振动硅微压电超声换能器的研究

对所研制的硅微压电超声换能器（PMUT）的振动特性进行了研究分析。对硅微压电超声换能的振动膜薄板的厚度相对于薄板的尺度（边长）而言较薄的情况,理论分析与实验结果均表明残余应力对换能器的谐振频率影响较大:不考虑残余应力的理论分析得出的换能器谐振频率与器件的实验测量的结果相差较大,而考虑残余应力的分析给出的谐振频率结果与实验结果是符合的。本文还对所制作的硅微压电超声换能器的谐振频率及导纳进行测量,并给出其等效电路参数。其中振动膜边长为1mm的换能器的谐振频率为71.25 kHz。最后对其进行了简单接收发射实验,测得谐振频率处的接收灵敏度为-201.6 dB（ref 1 V/μPa）,发射电压响应约为137 dB（ref 1 μPa·m/V）。     

向空气辐射的弯曲振动型超声换能器的研制

以“弯曲”振动阶梯盘作为辐射面的超声换能器具有高的效率和方向性.本文叙述了阶梯辐射盘的振动方式,理论及计算公式.设计了20kHz具有阶梯辐射盘的超声换能器,并对轴向声压进行了测试.该换能器结构简单,制作方便,在实际工作中有一定的应用价值.     

偶极天线用于高功率微波功率测量的研究

为了减小高功率微波尤其在低频段功率测量采用的接收天线的增益,本文设计了一种低增益的L波段偶极天线.通过理论分析和数值模拟,得到该天线的优化结果为:中心频率为1.75GHz,相应的增益为-5.55dB;在1.70GHz-1180GHz频带内,增益变化不超过1.1dB,功率容量的估算值为0.1MW,可以满足相应测量要求.     

压电管堆式宽带换能器*

研究了一种具有管状叠堆结构的圆管换能器,其敏感元件是由纵向极化压电陶瓷单元组成的薄壁管状压电叠堆,探讨利用管状叠堆纵向和径向振动耦合实现宽带发射。利用压电柱壳振动理论推导了管堆的频率方程,分析了换能器的纵向和径向模态的振动耦合特性。在理论分析的基础上利用有限元方法对换能器的带宽和发射电压响应进行优化并研制换能器样机。测试结果表明,纵向极化的管状压电叠堆结构具有良好的发射电压响应和宽带特性,与理论及仿真结果相符。     

声波测井压电振子的有限元分析

压电振子是新一代方位声波测井仪器中相控圆弧阵声波辐射器的重要组成部分。利用有限元法对构成圆弧阵的压电振子进行了设计分析,结果显示了压电振子存在多阶弯曲振动模态,且长度方向一阶弯曲振动能够满足方位声波测井的工作频率要求。针对长度方向一阶弯曲振动模式,数值模拟了几何尺寸对压电振子性能参数的影响。压电振子的谐振频率随着陶瓷片长度、基片或陶瓷片厚度的减小而降低;压电振子的辐射声功率随着陶瓷片长度或压电振子宽度的增加、基片或陶瓷片厚度的减小而增大;合理地选取长度和厚度可使压电振子具有较高的机电耦合系数。数值模拟结果可以对圆弧阵结构优化设计起到良好的指导作用。     

Axial vibration characteristics of a cylindrical, radially polarized piezoelectric transducer with different electrode patterns

A circular cylindrical piezoelectric transducer with radial polarization is proposed. The axial vibration characteristics of the transducer are studied by three different methods: analytical calculation, FEM simulation and experiment. The symmetric and asymmetric excitation conditions are discussed in the Haskins and Walsh model. For the resonance frequencies of the transducer, the results from the above three methods coincide well with each other. For the vibration amplitude, there are some deviations between the FEM simulation and measurement results; some possible reasons for this are discussed. The influence of the electrode patterns on the excitation modes are also investigated in detail. Based on the study described in this paper, the research methodology for a cylindrical piezoelectric transducer is clarified.     

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。     

Power-mode theorems for guided acoustic waves in piezoelectric media

Relationships between complex power flow pseudo energy, propagation constant and complex frequency are presented for acoustic waves in piezoelectric media. These relationships are essentially energy-power equations which apply to anisotropic, nonconservative, dispersive, linear systems, analogous to those obtained by Chorney and Penfield for guided electromagnetic waves. At vanishing piezoelectric coupling the powermode theorems split into a proper electromagnetic set and a proper mechanical set. By differentiating the power-mode equations with respect to the complex frequency further results are obtained linking the group velocity with power flow and energy storage. Conclusions may be drawn from these expressions regarding the signature of the dispersion (forward or backward waves). The equipartition of pseudo energy is established at cut-off, and the vanishing of the complex power flow at resonance. Examples including wave propagation in lossless and lossy media are included.     

偶极子声波在疏松砂岩地层井孔中的传播特性研究

对偶极子声源在疏松砂岩井孔中的声波传播机制进行研究具有重要的理论和实际应用价值,可以指导实际测井过程中仪器工作参数的选择及提高资料的处理和解释水平。本文针对实际正交偶极子声波测井中遇到的疏松砂岩超软地层横波测量问题进行了理论分析与数值模拟,计算模拟了偶极子声源在一般软地层和疏松砂岩地层井孔中的传播情况,并对比分析了声场波形与井孔中激发的弯曲波和激发谱的特征之间的内在联系,还根据疏松砂岩地层井孔中的声波传播特点,提出了在这类地层条件下应用偶极子声波测井应注意的若干问题,并指出,在超软地层横波测量中,偶极子声源的中心频率应适当降低,但也不是越低越好,否则达不到预期的效果。本文的研究结果无疑对正交偶极子声波测井声源的设计具有指导作用。     

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。     

声波测井存储模块的快速检测系统和补偿方法*

筛选高温下稳定的存储器并设计有效的温度补偿算法是实现井下声波测井数据存储的关键。为了快速测试不同存储器在高温下的故障情况以及错误校验纠错算法的温度补偿效果,该文设计了基于通用测试座的硬件系统,编写了基于MSComm控件的上位机控制软件,开发了模拟实际测井温度环境的测试策略,并对几种存储器进行了高温老化实验。结果表明,存储器在高温下(175℃)会出现彻底损坏、比特位翻转等故障,错误校验纠错算法可以提高存储器的使用温度。该设计不仅可以对符合开放NAND闪存接口协议的同类存储器进行快速的高温老化与筛选,而且对井下存储系统的设计有重要的参考意义。     

声波远探测测井与地震缝洞精细评价技术研究*

地震勘探探测范围广、空间尺度大,数据采集、处理、解释体系完善,资料运用率高,但纵向分辨率低。声波远探测可实现井周数十米范围内的异常体探测,克服了常规测井方法探测深度浅的局限,具有很高的纵向、周向、径向分辨率,但偶极横波远探测具有180°方位不确定性,径向探测范围不及地震勘探。本研究将两者优势结合,通过对缝洞型地质异常体远探测和地震响应特征进行综合分析,约束远探测方位解释结果,精细刻画地质异常体形态及发育情况,完善远探测测井的横向延伸信息,有效提高远探测解释的精准度,最终形成声波远探测测井与地震一体化缝洞综合评价技术,提升缝洞油气藏钻遇率和开发效率。在塔河等缝洞发育地区进行应用,实现多尺度、全方位和高精度的地质异常体描述与解释,为解决油气勘探过程中由于地震分辨率不足造成的脱靶等现象提供了新的思路。