CN1566987A - 井下方位角方向指向性可控圆弧阵声波辐射器 - Google Patents

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Abstract

一种井下相控圆弧阵声波辐射器，为阵列式换能器，由10个以上作弯曲振动的条形压电型偶极子振子(或其它类似于点声源的换能器)沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵，各换能器(阵元)之间留有间隙以进行声电隔离。对其中每个阵元进行精密的激发相位和幅度控制，可以调整各个阵元的发射相移从而获得相控圆弧阵声波辐射器辐射的合成主波束的偏转，使其具有方位角可以控制的指向性和辐射主瓣角宽。

Description

井下方位角方向指向性可控圆弧阵声波辐射器
技术领域
本发明涉及一种既可用于声波测井仪器又可用于用于井间声波勘探的井下方位角方向指向性可控圆弧阵声波辐射器。它属于应用地球物理勘探技术的创新，它主要是通过采用相控阵声波辐射器的指向性是由其各阵元发射的声波在场区干涉叠加原理与各阵元的分布和施加在阵元上信号的相位和幅度有关的理论，对多个阵元中每个阵元进行精密的激发相位和幅度控制，从而可以在井下实现具有方位角分辨的声波测量和提高声波测井和井间声波勘探的探测能力及信噪比的目的。
现有技术
在石油工业的应用地球物理勘探工作中，现有声波测井仪器和井间地震勘探所用的声源类似于点声源，它向四周均匀地辐射能量，即其辐射无明显的指向性并且探头在使用过程中无法控制指向性。这种辐射无指向性的发射探头会导致井下测量仪器的以下几个主要缺点：只有少部分能量是向接收探头一侧的地层中辐射进而形成有用的信号，而大部分辐射能量将向与接收探头相反一侧的方向辐射从而形成无用信号；这种辐射器在井眼泥浆中激发起很强的斯通利波，斯通利波往往是地层有用信号的干扰信号。实用新型专利ZL01268574.7提出了两个阵元以上的相控线阵声波辐射器，可以用来实现声波的定向辐射，使发射探头的辐射的声波能量向接收探头一侧传播。但是它所辐射的声场仍然具有轴对称性，利用这种探头不能评价地层的方位特性和各向异性，仍不能满足井间地震勘探和新兴的反射声波成像测井等石油工程的需要。
发明内容
本发明的目的就在于避免上述现有技术的不足之处而提供了一种可以在井下使用的、方位指向性和辐射主瓣角宽均可控制的井下方位角方向指向性可控圆弧阵声波辐射器。它主要是通过采用相控阵声波辐射器的指向性是由其各阵元发射的声波在场区干涉叠加原理与各阵元的分布和施加在阵元上信号的相位和幅度有关的理论，对多个阵元中每个阵元进行精密的激发相位和幅度控制，其特征上是将10个以上作弯曲振动的条形压电型偶极子振子沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵，并使得换能器阵元各阵元之间留有一定间隙以便进行声电隔离。
为了更好地实现本发明的上述目的，发明者将所说的换能器阵元设计成可以是压电型偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器，并使其圆弧阵的外直径范围为60～90毫米，工作频率范围为5～35千赫兹。对于工作模式，其一是整个圆弧阵上的所有阵元按一定的幅度和相位加权参与振动，另一种方式是圆弧阵上的若干个(偶数个或奇数个均可)相邻(或不相邻)阵元按一定的幅度和相位加权参与振动。其圆弧阵可通过幅度加权来减小辐射主瓣角的角宽和压制旁瓣。
附图说明
附图1是现有技术中一个圆管状振元的声波辐射指向性图。
附图2是换能器阵的结构示意图。
附图3是部份阵元工作的换能器结构示意图。
附图4是单个阵元结构示意图。
附图5是换能器阵辐射指向性图。
具体实施方式
本发明的目的是这样实现的，井下方位指向性可控圆弧阵声波辐射器为阵列式换能器，它是由若干个作弯曲振动的条形偶极子振子沿一个圆周或一段圆弧排列而成。每一个条形偶极子振子为一个阵元，其两端处于嵌定条件，各阵元之间进行声电隔离。各个阵元可以是压电型的偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器。圆弧阵的外直径范围为60～90mm，各个阵元的工作频率范围为5kHz～35kHz。本声波辐射器可采用两种工作模式，其一是整个圆弧阵上的所有阵元按一定的幅度加权和相位加权参与振动，另一种方式是圆弧阵上的若干个(偶数个或奇数个均可)相邻(或不相邻)阵元按一定的幅度和相位加权参与振动。幅度加权的目的在于减小辐射主瓣角的角宽和压制旁瓣，以提高辐射器所辐射声波的空间分辨能力。
本发明所提出的声波辐射器为阵列式换能器，如图2(a)、(b)所示，由10个以上条形压电型偶极子振子(阵元)沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵，各阵元之间留有间隙以实现相邻阵元之间的声电隔离。各个阵元可以是如图2(c)所示的压电型条形偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器。根据声场理论，相控阵声波辐射器的指向性是由其各阵元发射的声波在场区干涉叠加的结果，与各阵元的分布和施加在阵元上信号的相位和幅度有关。对其中每个阵元进行精密的激发相位和幅度控制，以调整各个阵元的发射相移从而获得相控圆弧阵声波辐射器辐射的合成主波束的偏转，使其具有可以控制的空间指向性和辐射主瓣宽度。
由于井下相控圆弧阵声波辐射器由多个振动元件构成，各个振动元件之间被声电隔离且加载不等幅相移信号，从而可以在井下使用过程中随时调整辐射器的指向性和辐射主瓣角的角宽，使声波能量集中向任一方位角方向辐射，从根本上解决辐射声波能量的方位方向可控的问题。
发明效果
本发明提出的井下相控圆弧阵声波辐射器，即可以使声波辐射器的声束方向和辐射主瓣角宽得以控制，又能保证辐射器可以辐射足够的能量，从而可以用于实际的声波勘探。
本发明所提出的井下相控圆弧阵声波辐射器既可用于现有声波测井仪器在裸眼井和套管井中测井，又可用于井间声波勘探的声波信号发射。
利用这种相控圆弧(线)阵声波辐射器可以从根本上克服现有声波勘探仪器探头的无指向性及指向性无法控制的缺点，在井下实现具有方位角分辨的声波测量，提高声波测井和井间声波勘探的探测能力和信噪比。

Claims (6)

1.一种井下方位角方向指向性可控的圆弧阵声波辐射器，它主要是通过采用相控阵声波辐射器的指向性是由其各阵元发射的声波在场区干涉叠加原理与各阵元的分布和施加在阵元上信号的相位和幅度有关的理论，对多个阵元中每个阵元进行精密的激发相位和幅度控制，其特征上是将10个以上作弯曲振动的条形压电型偶极子振子沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵，并使得换能器阵元各阵元之间留有一定间隙以便进行声电隔离。
2.根据权利要求1所述的井下方位角方向指向性可控的圆弧阵声波辐射器，其特征是所说的换能器阵元可以是压电型偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器。
3.根据权利要求1所述的井下方位角方向指向性可控的圆弧阵声波辐射器，其特征是所说圆弧阵的外直径范围为60～90毫米，工作频率范围为5～35千赫兹。
4.根据权利要求1所述的井下方位角方向指向性可控的圆弧阵声波辐射器，其特征是所说圆弧阵的工作模式，可以是整个圆弧阵上的所有阵元按一定的幅度和相位加权参与振动，
5.根据权利要求1所述的井下方位角方向指向性可控的圆弧阵声波辐射器，其特征是所说圆弧阵的工作模式，可以是圆弧阵上的阵元按偶数或奇数以一定的幅度和相位加权参与振动。
6.根据权利要求1所述的井下方位角方向指向性可控的圆弧阵声波辐射器，其特征是所说的圆弧阵可通过幅度加权来减小辐射主瓣角的角宽和压制旁瓣。
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