CN116335645A - 一种低频偶极声波测井换能器、仪器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低频偶极声波测井换能器、仪器及系统，频率更低、发射能量更大、带宽更宽，能够实现更准确的测量地层横波，扩展更大探测深度和广度。包括金属基板和两个压电陶瓷元件，两个压电陶瓷元件分别设置在金属基板的两个相对的表面，金属基板的两端向外延伸形成未覆盖压电陶瓷元件的第一区域和第二区域；其中，第一区域与第二区域非对称设置，第一区域或者第二区域设置为镂空结构，用于降低对应区域的刚度。

Description

一种低频偶极声波测井换能器、仪器及系统

技术领域

本发明涉及石油地质勘探技术领域，具体为一种低频偶极声波测井换能器、仪器及系统。

背景技术

地球物理测井是利用各种仪器测量井下地层的各种物理参数和井眼的技术状况，对储层空间的油气水特性、沉积环境、地层层序、构造地质等现象进行定量研究，核心是将深埋地下的油气储层“看准、看清、看全”。

声波测井是地球物理测井中的三大测井方法之一。声波测井换能器是一种电能与声能相互转换的换能器件，既是声波测井仪器的信号发射源，也是声波信号的接收器，是声波测井功能得以实现的关键核心部件。当单极声波测井换能器发出的声波从井眼液体倾斜射入井壁地层时，一部分能量继续以纵波模式传播，另有一部分能量由纵波模式转换为横波模式传播，并且它们的传播方向都服从斯奈尔(Snell)折射定律，在硬地层中，地层纵波和横波都将会平行于井眼传播，并有部分能量重新返回井筒液体中被传感器所探测，所以，在硬地层中可同时获得地层纵波和横波的信息。在软地层中，地层纵波将会平行于井眼方向传播并有部分能量重新返回井筒液体中被传感器所探测，而地层横波将离开井筒向地层深处传播而不能被仪器所探测，全波信号缺少横波，在慢地层中单极声源不能激发横波，偶极声源可以有效地估计地层的横波慢度。

偶极声波测井换能器主要激发扰曲波，以及纵波和横波为主的波列测量井筒横波信息。当偶极声波测井换能器在井内振动时，井壁一侧压力增加，而另一侧压力减小，从而产生扰动，在井壁附近产生扰曲波。扰曲波是一种频散界面波，其传播速度随声波频率而变化，在低频(1.0kHz)时趋近横波速度，在高频时低于横波速度。偶极横波测井实际上通过对扰曲波的测量来计算地层横波速度，因此为确保横波速度的测量精度，应尽量降低偶极子声源的发射频率，在井孔中测量地层的横波波速，评价地层的各向异性，还可以用来进行岩性识别、产能预测、岩石机械特性预测、井壁稳定性预测、超压地层预测、压裂效果评价、孔隙流体类别评价和地层渗透率估算等。

随着缝洞性储层已成为碳酸盐岩油气藏的主力产层。声波远探测技术通过对反射声波的提取和处理可以获得井外裂缝、孔洞等地质构造的位置及延展等相关信息，是探测缝洞性储层的利器。受制于现有技术中的偶极声波测井换能器发射功率、频率和带宽等方面的限制，目前存在的声波测井仪器难以准确探测井外更远处的缝洞构造，而这些构造在碳酸岩等储层中普遍发育，需要对井外更远处的地质构造进行准确探测。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种低频偶极声波测井换能器、仪器及系统，频率更低、发射能量更大、带宽更宽，能够实现更准确的测量地层横波，扩展更大探测深度和广度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种低频偶极声波测井换能器，包括金属基板和两个压电陶瓷元件，两个压电陶瓷元件分别设置在金属基板的两个相对的表面，金属基板的两端向外延伸形成未覆盖压电陶瓷元件的第一区域和第二区域；

其中，第一区域与第二区域非对称设置，第一区域或者第二区域设置为镂空结构，用于降低对应区域的刚度。

优选地，所述金属基板设置为镂空结构的一端的长度大于另一端的长度。

优选地，所述镂空结构呈工字型设置。

优选地，所述压电陶瓷元件粘接在金属基板的表面。

进一步地，所述压电陶瓷元件采用树脂类高温胶进行粘接。

优选地，所述压电陶瓷元件采用钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN和改性钛酸铅PT中的一种或多种组合。

优选地，所述金属基板采用导电材料制备或者采用电绝缘材料制备，其中，当金属基板采用电绝缘材料制备时，金属基板的两个表面上固定设置有电极。

优选地，所述金属基板采用合金钢、铝、铝合金、铜和铁中的一种或多种组合。

一种低频偶极声波测井仪器，包含上述的低频偶极声波测井换能器。

一种声波测井系统，包含上述的低频偶极声波测井仪器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种低频偶极声波测井换能器，区别于常规偶极声波测井换能器的基板两端对称设置，金属基板的两端向外延伸未覆盖压电陶瓷元件的部分设置为非对称的第一区域和第二区域，同时将第一区域或者第二区域设置为镂空结构来降低对应区域的刚度，使用非对称配置的偶极声波测井换能器有效的激发低频的二阶振动模态，利用二阶振动模态和非对称配置结构进行低频偶极声波测井换能器的设计研发，极大的拓宽了设计的思路，绕开传统常规方式的制约，通过采用非对称结构形式获取更优秀的低频性能，既保证本发明设计的低频偶极声波测井换能器在现有仪器上的使用性能又减少材料浪费，降低声波测井换能器设计研发成本，形成的基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器与常规偶极声波测井换能器相比频率更低、发射能量更大、带宽更宽的偶极声波测井换能器，能更准确的测量地层横波，更大探测深度。

附图说明

图1是常规偶极声波测井换能器示意图；

图2a是常规偶极声波测井换能器一阶振动模态示意图；

图2b是常规偶极声波测井换能器二阶振动模态示意图；

图2c是常规偶极声波测井换能器三阶振动模态示意图；

图3是常规偶极声波测井换能器1v电压激发水中1m处声压值数值模拟频谱图；

图4是本发明低频偶极声波测井换能器示意图；

图5a是本发明实施例中低频偶极声波测井换能器一阶振动模态示意图；

图5b是本发明实施例中低频偶极声波测井换能器二阶振动模态示意图；

图5c是本发明实施例中低频偶极声波测井换能器三阶振动模态示意图；

图6是本发明实施例中低频偶极声波测井换能器1v电压激发水中1m处声压数值模拟频谱与常规频谱对比图；

图7是本发明声波测井仪器示意图；

图8是本发明声波测井系统示意图。

图中，1、天滑轮；2、地滑轮；3、测井地面系统；4、铠装电缆；5、声波测井仪器；5-1、声波测井仪发射声系短节；5-2、声波测井仪接收声系短节；5-3、偶极声波测井换能器组件；5-3-1-1、金属基板，5-3-2-1、第一压电陶瓷元件；5-3-3-1、第二压电陶瓷元件；L1’、第一区域；L2’、第二区域；X、刚度减小区域。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种低频偶极声波测井换能器，如图4所示，包括金属基板5-3-1-1和两个压电陶瓷元件，两个压电陶瓷元件分别设置在金属基板5-3-1-1的两个相对的表面，金属基板5-3-1-1的两端向外延伸形成未覆盖压电陶瓷元件的第一区域和第二区域；

其中，第一区域与第二区域非对称设置，第一区域或者第二区域设置为镂空结构，用于降低对应区域的刚度。

本发明提供一种低频偶极声波测井换能器，区别于常规偶极声波测井换能器的基板两端对称设置，金属基板5-3-1-1的两端向外延伸未覆盖压电陶瓷元件的部分设置为非对称的第一区域和第二区域，同时将第一区域或者第二区域设置为镂空结构来降低对应区域的刚度，使用非对称配置的偶极声波测井换能器有效的激发低频的二阶振动模态，利用二阶振动模态和非对称配置结构进行低频偶极声波测井换能器的设计研发，极大的拓宽了设计的思路，绕开传统常规方式的制约，通过采用非对称结构形式获取更优秀的低频性能，既保证本发明设计的低频偶极声波测井换能器在现有仪器上的使用性能又减少材料浪费，降低声波测井换能器设计研发成本，形成的基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器与常规偶极声波测井换能器相比频率更低、发射能量更大、带宽更宽的偶极声波测井换能器，能更准确的测量地层横波，更大探测深度。

进一步地，所述金属基板5-3-1-1设置为镂空结构的一端的长度大于另一端的长度。

本实施例中，所述镂空结构呈工字型设置。

进一步地，所述压电陶瓷元件粘接在金属基板5-3-1-1的表面。

本实施例中，所述压电陶瓷元件采用树脂类高温胶进行粘接。

优选地，所述压电陶瓷元件采用钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN和改性钛酸铅PT中的一种或多种组合，但不限于此。

优选地，所述金属基板5-3-1-1采用导电材料制备或者采用电绝缘材料制备，其中，金属基板5-3-1-1采用电绝缘材料制备时，金属基板5-3-1-1的两个表面上固定设置有电极。

优选地，所述金属基板5-3-1-1采用合金钢、铝、铝合金、铜和铁中的一种或多种组合，但不限于此。

本发明中所述的低频偶极声波测井换能器是偶极声波测井仪器中的核心传感器，由口字形X、Y正交两组偶极换能器组成。主要激发弯曲波及纵波和横波首波，形成的弯曲波速度近似地层横波速度，解决了在疏软地层的横波测量问题，正交发射，正交接收的声波信号用以研究地层各向异性等。本发明所述一种基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器设计方法，利用计算机数值模拟方式进行换能器设计，使用有限元分析技术进行换能器受力分析和声学性能模拟计算，设计出不同于常规对称振型工作的偶极声波测井换能器，利用更靠近低频非对称配置的二阶振动模态作为主频，二阶振动模态通常被认为是没有净声能量辐射的，本发明专利通过使用非对称结构配置和降低刚度的镂空形式结构设计，形成可在二阶振动模态产生有效声能量辐射的低频偶极声波测井换能器。

本发明中所述基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器，可在约400Hz至约2400Hz范围内的较低频率有效激发弯曲波及纵波和横波首波，形成的弯曲波速度更加近似地层横波速度，解决了在疏软地层的横波测量问题，正交发射，正交接收的声波信号用以研究地层各向异性等。

本发明中所述基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器在约400Hz至约2400Hz范围内的频率覆盖，可以与常规偶极声波测井换能器同时使用不同长度的多个偶极声波测井换能器进行频率带宽补偿。

实施例

具体地，本发明提供一种实施例，并结合现有技术中的常规偶极声波测井换能器对本发明所述的低频偶极声波测井换能器作进一步解释说明。

在井孔中进行电缆声波测井作业，可测量地层的横波波速，评价地层的各向异性，还可以用来进行岩性识别、产能预测、岩石机械特性预测、井壁稳定性预测、超压地层预测、压裂效果评价、孔隙流体类别评价和地层渗透率估算等。

如图1所示，所述常规偶极声波测井换能器包括一个金属基板、第一压电陶瓷元件和第二压电陶瓷元件。其中，所述金属基板由合金钢或者具有所需刚度其它材料制成，金属基板一个作用是换能器运动的载体，另外一个作用是导电的电极，它将电压耦合到压电陶瓷元件上，金属基板也可以是电绝缘体，这时需要有单独的电极固定在金属基板上下表面。

第一压电陶瓷元件使用树脂类高温胶粘结于金属基板的上表面，第二压电陶瓷元件使用树脂类高温胶粘结在金属基板的下表面。第一压电陶瓷元件和第二压电陶瓷元件使用如锆钛酸铅(PZT)或其他压电材料制造。在偶极声波测井换能器进行发射模式工作时，在第一压电陶瓷元件和第二压电陶瓷元件上施加时变电压，由于压电效应，第一压电陶瓷元件在厚度方向发生机械膨胀运动，第二压电陶瓷元件在厚度方向发生机械收缩运动，反之，在第一压电陶瓷元件和第二压电陶瓷元件上施加极性相反的电压时，第一压电陶瓷元件收缩和第二压电陶瓷元件膨胀，这两个交替运动一起带动金属基板向上和向下弯曲运动，从而推动周围流体运动，产生声波能量辐射与传递。

其中，所述金属基板包括沿金属基板长边第一方向上轴向延伸未被两个压电陶瓷元件覆盖的第一区域L1，沿金属基板长边与第一方向相反的第二方向上轴向延伸未被两个压电陶瓷元件覆盖的第二区域L2，如图3所示，常规偶极声波测井换能器的第一区域L1的长度与第二区域L2的长度相等，形成对称配置。

如图2所示，所述常规偶极声波测井换能器使用有限元分析软件(COMSOL 5.4)进行模态分析，模拟各阶模态的运动位移情况。图2(a)为一阶振动模态示意，偶极声波测井换能器呈现拱形运动，可以看出偶极声波测井换能器中间位置向上弯曲，可进行声波能量辐射。图2(b)为二阶振动模态示意，偶极声波测井换能器呈现S形运动，可以看出偶极声波测井换能器中间位置未弯曲，中间位置相等的两边，一边向上位移，一边向下位移，两端位移相互抵消，没有声波净能量辐射。图2(c)为三阶振动模态示意，偶极声波测井换能器呈现W形运动，可以看出偶极声波测井换能器中间位置向上弯曲，中间位置相等的两边分别同时向下位移，可进行声波净能量辐射。

如图3所示，所述常规偶极声波测井换能器，在1v时变电压激发下，在水中1m处数值模拟计算声压值，在图2所示的模态中，相应的振动模态对应于偶极声波测井换能器结构的固有频率，在这些频率下，从电能到机械能的转换达到最大值，可以有效的进行声波净能量辐射，可得到常规偶极声波测井换能器主频在2500Hz，在1800Hz以下不能有效地辐射可被检测到的声波能量。

如图4所示，本发明所述的基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器包括一个金属基板5-3-1-1、第一压电陶瓷元件5-3-2-1和第二压电陶瓷元件5-3-3-1。其中，所述金属基板5-3-1-1由合金钢或者具有所需刚度其它材料制成。第一压电陶瓷元件5-3-2-1和第二压电陶瓷元件5-3-3-1使用如锆钛酸铅(PZT)或其他压电材料制造。其中，所述金属基板5-3-1-1包括沿金属基板长边第一方向上轴向延伸未被两个压电陶瓷元件覆盖的第一区域L1’，沿金属基板长边与第一方向相反的第二方向上轴向延伸未被两个压电陶瓷元件覆盖的第二区域L2’。其中，第一区域L1’和第二区域L2’的长度不相等，在第一区域L1’带有缕空结构X区域来降低金属基板5-3-1-1的刚度，进行偶极声波测井换能器频率的调节，使用非对称配置的偶极声波测井换能器有效的激发低频的二阶振动模态。

如图5所示，所述基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器使用有限元分析软件(COMSOL 5.4)进行模态分析，模拟各阶模态的运动位移情况。各阶振动模态示中间位置向下弯曲，第一压电陶瓷元件5-3-2-1和第二压电陶瓷元件5-3-3-1中间位置相等的两边，一边向上位移，一边向下位移，位移大小不同，可进行声波能量辐射。在基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器进行发射模式工作时，在第一压电陶瓷元件5-3-2-1和第二压电陶瓷元件5-3-3-1上施加时变电压，由于压电效应，第一压电陶瓷元件5-3-2-1在厚度方向发生机械膨胀运动，第二压电陶瓷元件5-3-3-1在厚度方向发生机械收缩运动，反之，在第一压电陶瓷元件5-3-2-1和第二压电陶瓷元件5-3-3-1上施加极性相反的电压时，第一压电陶瓷元件5-3-2-1收缩和第二压电陶瓷元件5-3-3-1膨胀，这两个交替运动一起带动金属基板5-3-1-1向上和向下弯曲运动，从而推动周围流体运动，产生声波能量辐射与传递。

如图6所示，所述基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器，在1v时变电压激发下，在水中1m处数值模拟计算声压值，如细实线所示。并且与常规偶极声波测井换能器1v电压激发水中1m处数值模拟声压值(如粗实线所示)进行了对比。

在图6所示的模态中，二阶模态对应的频率下，从电能到机械能的转换达到最大值，可以有效的进行声波净能量辐射，可得到基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器主频为1250Hz和3300Hz，尤其是在低频1000Hz到2000Hz二阶振动模态共振处和附近频率段产生了显著的声波能量辐射。非常直观的从图8中所示频谱可得到结果，基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器和常规偶极声波测井换能器组合使用，可得到在约400Hz至约2400Hz范围内的较低频率、发射能量大、带宽宽的偶极声波测井换能器，能有效地辐射可被检测到的声波能量，可以与常规偶极声波测井换能器同时使用不同长度的多个偶极声波测井换能器进行频率带宽补偿。

本发明中所述基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器设计，极大的拓宽了设计的思路，绕开传统常规方式的制约，“打破”常规偶极声波测井换能器二阶振动模态无有效声能量辐射的认识，从而使低频偶极声波测井换能器可以采用更加多样的结构形式和更优秀的低频性能，既保证本发明设计的低频偶极声波测井换能器在现有仪器上的使用性能又减少材料浪费，降低声波测井换能器设计研发成本，形成的基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器与常规偶极声波测井换能器相比频率更低、发射能量更大、带宽更宽的偶极声波测井换能器，能更准确的测量地层横波，更大探测深度。

本发明所述的基于二阶振动模态的低频偶极声波测井换能器，主要激发扰曲波，以及纵波和横波为主的波列测量井筒横波信息。当偶极声波测井换能器在井内振动时，井壁一侧压力增加，而另一侧压力减小，从而产生扰动，在井壁附近产生扰曲波。扰曲波是一种频散界面波，其传播速度随声波频率而变化，在低频(1.0kHz)时趋近横波速度，在高频时低于横波速度。偶极横波测井实际上通过对扰曲波的测量来计算地层横波速度，因此为确保横波速度的测量精度，应尽量降低偶极子声源的发射频率，在井孔中测量地层的横波波速，评价地层的各向异性，还可以用来进行岩性识别、产能预测、岩石机械特性预测、井壁稳定性预测、超压地层预测、压裂效果评价、孔隙流体类别评价和地层渗透率估算等。

本发明还提供一种包含所述低频偶极声波测井换能器的低频偶极声波测井仪器5，如图7所示，低频偶极声波测井仪器5包括发射电路短节、发射声系短节5-1、柔性短节、接收声系短节5-2和接收控制采集电子线路短节五部分组成，其中发射电路短节和接收控制采集电子线路短节有各自的供电单元。其中，所述发射声系短节5-1由一个单极子发射换能器组件、一个四极子发射换能器组件和两个相互正交的偶极子声波换能器组件5-3组成。

本发明还提供一种包含所述低频偶极声波测井换能器的声波测井系统，如图8所示，声波测井系统主要包括：天滑轮1、地滑轮2、测井地面系统3、铠装电缆4和声波测井仪器5，天滑轮1和地滑轮2两个滑轮为定滑轮，用于改变铠装电缆4的受力方向，铠装电缆4地面上连接测井地面系统3并伸入地下不同地层深度连接声波测井仪器5，实现测井地面系统3与声波测井仪器5之间的连通与控制。

为实现上述目的,在本发明中采取的主要技术手段。要清楚、完整、准确地加以描述，要对发明的实质内容加以说明，公开的程度以所属技术领域的普通技术人员能够理解技和实现为准。

Claims (10)

1.一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，包括金属基板(5-3-1-1)和两个压电陶瓷元件，两个压电陶瓷元件分别设置在金属基板(5-3-1-1)的两个相对的表面，金属基板(5-3-1-1)的两端向外延伸形成未覆盖压电陶瓷元件的第一区域和第二区域；

其中，第一区域与第二区域非对称设置，第一区域或者第二区域设置为镂空结构，用于降低对应区域的刚度。

2.根据权利要求1所述的一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，所述金属基板(5-3-1-1)设置为镂空结构的一端的长度大于另一端的长度。

3.根据权利要求1所述的一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，所述镂空结构呈工字型设置。

4.根据权利要求1所述的一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，所述压电陶瓷元件粘接在金属基板(5-3-1-1)的表面。

5.根据权利要求4所述的一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，所述压电陶瓷元件采用树脂类高温胶进行粘接。

6.根据权利要求1所述的一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，所述压电陶瓷元件采用钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN和改性钛酸铅PT中的一种或多种组合。

7.根据权利要求1所述的一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，所述金属基板(5-3-1-1)采用导电材料制备或者采用电绝缘材料制备，其中，当金属基板(5-3-1-1)采用电绝缘材料制备时，金属基板(5-3-1-1)的两个表面上固定设置有电极。

8.根据权利要求7所述的一种低频偶极声波测井换能器，其特征在于，所述金属基板(5-3-1-1)采用合金钢、铝、铝合金、铜和铁中的一种或多种组合。

9.一种低频偶极声波测井仪器，其特征在于，包含权利要求1-8任一项的低频偶极声波测井换能器。

10.一种声波测井系统，其特征在于，包含权利要求9的低频偶极声波测井仪器。

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