超声成像测井换能器的实验研究_卢俊强.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0832-0838地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P卢俊强，吴金平，车小花，等2023 超声成像测井换能器的实验研究 地球物理学进展，38(2):0832-0838，doi:106038/pg2023GG0390LU JunQiang，WU JinPing，CHE XiaoHua，et al 2023 Experimental study on ultrasonic imaging logging transducer Progress in Geophysics(inChinese)，38(2):0832-0838，doi:106038/pg2023GG0390超声成像测井换能器的实验研究Experimental study on ultrasonic imaging logging transducer卢俊强1，2，吴金平3，车小花1，2，门百永1，2，韩继勇1，2LU JunQiang1，2，WU JinPing3，CHE XiaoHua1，2，MEN BaiYong1，2，HAN JiYong1，2收稿日期2022-09-23;修回日期2022-12-20投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家自然科学基金(42174218，41874210)资助第一作者简介卢俊强，男，1978 年生，博士，副教授，主要从事井下信息采集、测井新方法新探测器等方面的教学和科研工作E-mail:Lujq cup edu cn1 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京1022492 北京市地球探测与信息技术重点实验室，北京1022493 中石化石油工程技术研究院有限公司，北京1022001 State Key Laboratory of Petroleum esources and Prospecting，China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 102249，China2 Key Laboratory of Earth Prospecting and Information Technology，Beijing 102249，China3 SINOPEC Engineering Technology esearch Institute，Beijing 102200，China摘要随钻超声成像测井通过钻铤的旋转实现周向扫描成像，为了提高随钻超声成像测井在周向成像测量的方位覆盖率，需要安装多个换能器同时进行测量，换能器的响应不一致则会产生错误的成像测量结果，本文通过实验测量的方法对随钻超声成像测井换能器的响应特性进行研究 实验测试系统主要由高精度定位控制系统、PXI 采集系统、针形水听器、OLYMPUS5077P 信号源、信号转换器、载物台、示波器等构成，是一个具有 4 自由度的小型声学定位测控系统 实验主要包括超声换能器的轴线声场测量以及指向性测量 对超声换能器的轴线声场进行测量，得到了换能器的远近场临界距离和幅度响应特性，实验表明换能器远近场临界距离在 3 25 cm 附近，各个换能器的幅度响应特性一致性较好 通过对换能器指向性进行测量，表明 3 dB 角宽大致在 12左右，换能器具有较好的聚焦特性 该研究提供一种评价超声成像测井换能器的有效方法，为仪器研制过程中的换能器匹配选择提供依据，可为超声成像测井仪器的研制提供有力支撑关键词超声成像测井;换能器;指向性;轴线声场;实验AbstractLWD(Logging While Drilling)ultrasonicimaging requires circumferential scanning imaging throughthe rotation of the drill collar In order to improve theazimuthal coverage of LWD ultrasonic imaging in thecircumferential imaging measurement，multiple transducersneed to be installed for measurement at the same time，andthe inconsistent response of the transducers will producewrong imaging measurement results This paper studies theresponsecharacteristicsofLWDultrasonicimagingtransducersthroughexperimentalmeasurementTheexperimental test system is mainly composed of high-precision positioningcontrolsystem，PXIacquisitionsystem，needlehydrophone，Olympus 5077Psignalsource，signal converter，objective table，oscilloscope，etc，anditisasmallacousticpositioningandmeasurement system with 4 degrees of freedomTheexperiment mainly includes the measurement of axial soundfield and directivity of ultrasonic transducerThe axialsound field of the ultrasonic transducer is measured，andthe far-near field critical distance and amplitude responsecharacteristicsofthetransducerareobtainedTheexperiment shows that the far-near field critical distance ofthe transducer is about 3.25 cm，and the amplituderesponse characteristics of each transducer are consistentThe directivity of the transducer is measured，the resultshows that the 3 dB angular width is about 12，and thetransducers have good focusing characteristics This studyprovides an effective method to evaluate ultrasonic imaging2023，38(2)卢俊强，等:超声成像测井换能器的实验研究(www progeophys cn)中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0390logging transducers，whichprovidesabasisforthematching selection of transducers in the process of tooldevelopment，andprovidesastrongsupportforthedevelopment of ultrasonic imaging logging toolsKeywordsUltrasonicimaginglogging;Transducer;Directivity;Axial sound field;Experiment0引言声波测井是井下信息探测的一种重要方法，其应用范围在近年来得到了进一步的扩展(刘汇鑫等，2021;徐方慧等，2021)超声成像测井能够对井壁进行全方位扫描测量，通过回波幅度成像和回波时间成像对井壁地层进行评价(何允禄，2012)电缆超声成像测井已经经过了多年的发展，现已有多种仪器开展现场服务，并具有良好的应用效果Mobil 公司于 1969 年研制成功了第一代电缆井下声波电视测井仪，随后多家石油公司推出了各自的电缆超声成像测井仪器(胡学红等，2002;刘国权，2008;章俊燕，2005)同时，得益于电子系统、声学换能器以及嵌入式实时处理技术的发展，超声成像测井测量信号的信噪比以及仪器的测量分辨率均得到了提高随钻测井技术能够节省钻井时间，降低成本，提供实时的测量数据指导施工决策，并能够适用于大斜度井和水平井等复杂的测量环境，因为这些优点随钻测量技术得到了快速发展(甘泉等，2017;林剑松等，2021;李彪等，2021;孙甲庆等，2021)近些年来，国外一些专业油气服务公司推出了随钻超声成像测井仪器，并在现场开展了应用和测试(Blyth etal，2021;Li et al，2019)，中石化工程院联合中国石油大学(北京)声波测井课题组在国内率先开展了随钻超声成像测井探测器的研究电缆超声成像测井仪器通常通过单个换能器组件旋转测量实现对井壁周向的扫描成像，随钻超声成像测井需要通过钻铤的旋转实现周向扫描成像，为了提高随钻超声成像测井在周向成像测量的精度和方位覆盖率，需要安装多个换能器进行同时测量，如图 1 所示为一种典型的随钻超声成像测井探测器换能器的布局方案 由此可见，随钻超声成像测井利用多个换能器同时测量，通过数据处理将多换能器测量结果表示为井壁周向的幅度和到时成像，在这种情况下如果多个换能器的响应不一致则会产生成像测量结果的误差，甚至于成像图中反映的井壁地层构造情况是由测量误差产生，并不是实际井壁的构造特性 因此，传感器是井下信息探测的关键部件(苟量等，2022)，在随钻超声成像测井研发过程中，对换能器的评价是关键的研究内容(卢俊强等，2010)，是仪器探测性能的基础保障，本文通过实验测量的方法对 10 个随钻超声成像测井换能器的响应特性进行研究，为仪器设计过程中换能器的匹配选择提供依据1实验装置轴线声场和指向性是超声测井换能器的主要性能指标，实验测量系统需要完成对这些指标的实验测试，图 2 所示为实验测试系统的原理示意图 实验测试系统为一个小型的声学定位测控系统，主要包括高精度定位控制系统、PXI 采集系统、针形水听器、OLYMPUS 5077P 信号源、信号转换器、载物台、示波器等设备图 3 所示为定位控制系统的实物图，主要包括4 自由度的运动控制模块、测控软件以及水池等部件，能够实现直角坐标系中 3 个方向的平动以及沿着轴线的转动，因此，该定位控制系统具有三维空间运动功能 定位系统工作头的移动轨迹可以通过测控软件进行设定，平动控制精度为 0.01 mm，转动控制精度为 0.72，同时测控软件向信号源和采集系统发送同步脉冲信号，控制其工作循环 PXI 数据采集系统是基于 NI 测控系统的 PXI 6115 采集板卡，用于实现多通道高速高精度数据采集 针式水听器具有较高的灵敏度和好的指向性，用于测量超声换能器激发的声场 信号转换器主要实现与水听器的匹配及信号前置放大，将水听器测量的信号转变为与PXI 采集系统匹配的电信号超声换能器的激励信号由 OLYMPUS 5077P信号源产生，根据换能器的主频(大约为 250 kHz)和辐射能量的强度，实验中采用的激励脉冲为负脉冲方波信号，脉冲幅度大约为 100 V，脉冲宽度为2 s，图 4 所示为激励脉冲信号的时域波形2轴线声场测量及分析超声换能器辐射面轴线方向上的声压分布并不338地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)