陈俊圆, 唐晓明, 苏远大, 刘玉凯, 许松, 庄春喜

(中国石油大学(华东)地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580)

0 引 言

在深水、非常规油气藏勘探开发中,随钻声波测井技术已经广泛使用,并获得了快速的发展[1-2]。近年来,具有方位探测特性的随钻方位声波测井技术已成为新的研究热点,该技术通常采用方位声源激励,并通过钻铤旋转钻进实时获取井外不同方位的地层弹性波速度信息。目前,已投入市场服务的随钻方位声波测井仪器包括哈里伯顿公司的XBAT、威德福公司的CrossWave。Calleja等[3]和Market等[4]详细介绍了哈里伯顿公司XBAT的仪器结构 ——四方位发射声源及四方位的接收阵列,BP石油公司首先将其应用在现场测试中,利用获得的方位纵波成像结果进行了Haynesville页岩气储层水平井的实时地质导向,成像效果与方位随钻侧向电阻率成像结果有较好的一致性。Mickael等[5]介绍了威德福公司具有偏心单极子发射和接收的CrossWave随钻声波测井仪器,该仪器可以在旋转钻进过程中提供井周16个方位的地层速度信息,用以描述井周三维岩石力学特征,该技术已经在美国东北部的页岩储层水平井中进行测试,通过方位声速差异指示该水平井段的页岩达到了50%的各向异性。乔文孝等[6-7]提出了一种随钻地层界面声波扫描测量和随钻方位声波测井装置。目前,中国也已开始立项研究开发类似仪器,但尚未投入现场测试。

对于随钻方位声波测井,其仪器设计的关键在于声源发射功率与指向性。本文从压电-流固耦合多物理场的角度出发,考虑实际换能器的压电效应与材料之间的相互作用,考虑换能器附着于钻铤时的工作载荷产生的影响,利用大型有限元软件ANSYS模拟计算了瓦片状声波发射换能器的电导曲线与水平指向性,考察了谐振频率随换能器尺寸参数的变化规律,进而研究了钻铤及换能器开角对指向性能的影响,为随钻方位声波测井仪器的研制提供理论依据。

1 随钻方位声波换能器模型

本文研究了一种用于随钻方位声波测井的瓦片状复合结构换能器,其结构主要包括瓦片状的压电陶瓷晶体、外层灌封环氧树脂材料的抗振动冲击保护层。为了考察换能器的工作频率及其方位辐射特性,建立随钻方位声波测井换能器的有限元模型(见图1)。该模型同时考虑换能器和钻铤结构及装配方式。其中,绿色表示瓦片状压电陶瓷;黑色表示灌封的环氧树脂层;红色表示钻铤及换能器保护罩;蓝色表示流体区域。

图1 瓦片状随钻方位测井声源有限元模型

仿真模拟时,发射换能器置于钻铤外侧的凹槽内,用厚度2.5 mm的透声保护罩固定在钻铤上,模型各部分的材料及尺寸参数见表1。此外,在外部流体区域半径为0.5 m处设置了吸收单元fluid130,用于模拟无限大水域。由于换能器与钻铤在高度方向上对称,模拟时只需建立1/2模型,可以极大地提高计算效率。

表1 有限元模型中各组件的尺寸及材料

弹性常数矩阵

×1010N/m2

(1)

介电常数矩阵

(2)

压电常数矩阵

(3)

2 仿真与实验测试结果

为验证仿真结果的正确性,将仿真结果与实验测试结果进行了对比(见图2)。其中,黑色和红色曲线分别表示实验与仿真结果。从图2可以看出,空气中实测的谐振频率为13.50 kHz,最大电导值为2.15 mS,仿真谐振频率为13.60 kHz,最大电导值为2.26 mS;水中实测谐振频率为12.95 kHz,最大电导值为0.82 mS,仿真谐振频率为13.00 kHz,最大电导值为0.90 mS。仿真结果显示,在所计算的频率范围内,仿真结果与实验结果吻合很好。与空气中的结果相比,发射换能器在水中的谐振频率与电导值有所下降,这是因为换能器在水中的负载较空气中更大。此外,电导曲线的实验与仿真结果之间的一致性证明了本文采用ANSYS建模方法的正确性,为后续的发射换能器性能分析提供了保障。

图2 瓦片状发射换能器实测与模拟电导曲线对比结果

3 结构参数对谐振频率影响

声波测井中,以换能器谐振频率进行声源激发是获得大功率声源的方法之一。因此,为考察随钻方位声波换能器的谐振特征,以一种常规尺寸随钻声波仪器的换能器为例,在保持钻铤及换能器结构不变基础上,考察了换能器开角角度、高度对瓦片状方位声波发射换能器谐振频率的影响,探究谐振频率与结构变量之间的变化规律。计算时发射换能器尺寸及物理参数与表1一致。

图3(a)是采用2种开角(80°、90°)及换能器高度(88、98 mm)时所计算的电导曲线。从图3(a)可以看出,随着换能器高度的增加,相同开角的换能器谐振频率降低,最大电导值增大;随着换能器开角的增加,相同高度换能器的谐振频率略有降低,最大电导值变化不大。进一步计算了4个开角70°、80°、90°、100°及4种高度78、88、98、108 mm情况下换能器的电导曲线,提取了谐振频率随换能器高度和开角的变化规律[见图3(b)]。从图3(b)看出,瓦片状发射换能器的谐振频率随着换能器高度增加、开角增加而降低,且高度对谐振频率的灵敏度较开角更高。

图3 换能器在不同高度、不同开角的电导曲线及变化趋势图

4 方位指向性影响因素分析

重点模拟了常规钻铤尺寸下随钻方位声波发射换能器的水平指向性,考察了换能器的不同开角对方位指向性的影响。此外,在随钻声波测井中钻铤占据了井内大部分空间,要考察随钻发射换能器的辐射指向性特征,钻铤和换能器结构的影响都应当被考虑在内。

图4 有钻铤、无钻铤情况下换能器声压分布图与指向性对比图

为与钻铤存在的情况作对比,首先考察无钻铤存在时换能器的声场辐射特性。图4(a)为无钻铤存在时瓦片状发射换能器在流体中处于自由状态下的声压辐射图,从声压辐射图中可看出,90°瓦片状的发射换能器在自由状态下无明显的方位辐射指向性。图4(b)为有钻铤存在的情况下发射换能器的声压辐射图,该结果与吴金平等[12]实验测得的指向性形态相似,可看出由于大尺寸钻铤的存在以及保护罩的固定作用,使换能器的声场辐射特征发生了很明显的变化,声波能量透过保护罩主要向换能器一侧定向辐射,而钻铤背面一侧辐射出的能量较少,这表明钻铤起到了对声波的阻挡作用。图4(c)为换能器的水平辐射指向性图,粗实线为有钻铤存在时的水平指向性曲线,虚线为无钻铤时的指向性曲线。从图4(c)指向性图上可以看到,存在钻铤时指向性主瓣清晰,位于发射换能器正对辐射方向(θ=45°)上,声幅较大且旁瓣较小,表明钻铤存在时发射换能器的方位分辨率较无钻铤时明显提高。

进一步考察换能器结构参数对方位指向性的影响,保持钻铤结构参数及换能器的其他参数不变,计算换能器开角角度θ分别为70°、80°、90°、100°等4种情况下的换能器水平指向性,其幅度归一化后的指向性曲线见图5。模拟时固定声源主频为14 kHz。从图5可以看到,4种开角换能器均具有良好的方位指向特征,在目的方位θ=45°方向上均显示了明显主瓣,同时随着开角增大,主瓣角逐渐变宽,方位分辨率逐渐降低,旁瓣则无明显变化规律。产生上述现象的原因是开角的增大降低了换能器两侧钻铤对声场的阻挡作用,使之在其余方向也辐射了声场,导致主瓣角变宽。由模拟结果可知,为满足随钻方位高分辨率的测量要求,在换能器设计时可考虑降低换能器的开角角度。

图5 不同开角换能器的水平指向性图

5 结 论

(1) 瓦片状方位换能器的高度和开角是换能器谐振频率的重要影响因素,随着换能器高度或开角增加,换能器的谐振频率向低频移动,且高度对谐振频率的影响较角度的影响大。

(2) 随钻测量环境下,钻铤的存在阻挡了声信号向钻铤方向传播,使换能器辐射指向的方位分辨率大大提高。此外,瓦片状随钻方位换能器的辐射指向性还受到换能器开角大小的影响,当换能器开角减小时,指向性图上的主瓣角宽变窄,方位分辨率提高。

参考文献:

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