Page 95 - 《应用声学》2023年第4期

第 42 卷 第 4 期 孙志峰等： 随钻声波测井四极子发射换能器的设计 757

料封装或利用充油方式安装在钻铤外壁。当相邻两
0 引言
两单元的激励电场相反时，就可以激发四极子振动
近些年，随着油气勘探开发的需要，随钻声波 模态。但是压电圆管的有效机电耦合系数很小，机
测井技术得到了广泛的应用 [1−2] 。尤其在海上油气 电转换能力较差。本文提出的金属基片和压电陶瓷
田开发中，随钻声波仪器可以实时获取地层波的速 片层合结构的方式，可以使压电陶瓷片与金属层应
度，联合其他随钻资料可以进行实时地层孔隙压力 变的差异引起剪切形变，从而有效地激发复合圆管
预测，为钻井安全提供技术保障 [3−5] 。而随钻四极 的弯曲振动模态，提高换能器的发射电压响应。
子发射换能器作为仪器的核心部件在国际上属于
1.1 随钻四极子换能器有限元模型
核心商业机密，国外文献尚未公开其详细结构。
随钻四极子发射换能器采用压电陶瓷片与金
国内刘玉凯等 [6] 研究了钻铤存在对随钻多极
属基片层合构成辐射核心部件，再利用 PEEK 和环
发射换能器的影响。吴金平等 [7−8] 研制了圆弧片状
氧树脂等材料对其进行封装，最后用橡胶进行去耦
随钻多极子发射换能器，并进行了声学性能的实验
及密封。本文主要研究换能器辐射核心部件的声学
研究。陈俊圆等 [9] 采用有限元方法研究了适用于
特性，暂不考虑粘胶及封装材料的影响。图 1 为随
随钻方位测井的瓦片状声波发射换能器，考察了钻
钻四极子发射换能器结构的 1/4 模型。压电陶瓷片
铤及换能器尺寸对声源谐振频率及水平指向性的
的极化方向为径向，金属片基片粘接在压电陶瓷片
影响。Fu 等 [10] 提出通过激励瓦片状压电陶瓷片和
金属片层合结构的弯曲振动来设计随钻单极子换 内侧，压电陶瓷片的内外表面分别施加正负电压。
能器，但没有进一步探讨四极子换能器的设计。魏 在外加电压信号的激励下，压电陶瓷片在径向上
倩等 [11] 提出了一种三叠片圆形随钻四极子发射换 进行膨胀收缩，从而产生弯曲振动并向外辐射声波
能器，研究了基片材料对其声学特性的影响。孙志 能量。
峰等 [12] 对随钻声波发射换能器的圆弧状压电晶体 ༏ҵႃԍ᠇ౝ ᬝၬྟ
进行了理论模拟，模拟结果表明在声波测井频率范 ༏ҵႃԍ൤ౝ
围内存在弯曲振动模态及径向振动模态，通过优化
H D
晶体几何尺寸，可以设计满足晶体在13 kHz附近有
最大径向振动响应，然而晶体在低频 4 kHz 附近弯
曲振动效率较低，不适合用作随钻四极子声源。随
α R
钻四极子横波测井需要四极子换能器在低频具有
较高的发射效率，尤其在软地层才能避免四极子钻 (a) ဘၹᄊᬤᨛپౝߕԧ࠱૱ᑟ٨
铤波对测量信号的影响 [13] 。 ༏ҵႃԍ᠇ౝ ᬝၬྟ
本文提出了一种基于金属基片和压电陶瓷片 ༏ҵႃԍ൤ౝ
层合结构弯曲振动的随钻四极子声波换能器，瓦片 D
H
结构由金属基片和陶瓷片层合而成，其中基片两端 ᧛࡛ྟ
采用螺钉固定在钻铤上，实现钳定边界，这种设计既
能激励出满足工作频率的弯曲振动，又能通过对加 T
α R
载电压的控制激励出四极子声场，同时还易于机械
(b) ᧛࡛۳ྟፇ౞૱ᑟ٨
安装和维修保养。本文采用COMSOL Multiphysics
有限元分析软件，模拟分析了压电陶瓷片、金属基 图 1 随钻四极子发射换能器结构示意图
片等结构参数对换能器振动模态、谐振频率、位移 Fig. 1 LWD quadrupole transmitting transducer
值分布及发射电压响应等因素的影响，为该类型换 with metal substrate structure
能器的设计研发提供理论依据。
现用的随钻四极子发射换能器核心一般是瓦
片状压电晶体，如图 1 所示。图 1(b) 是本文提出的
1 随钻四极子换能器的有限元分析
金属基片结构随钻四极子发射换能器的示意图。本
现用的随钻四极子发射换能器一般把径向极 节数值模拟现用的随钻四极子发射换能器和基于
化的压电圆管周向上均匀分割 4 组，采用非导电材 金属基片结构随钻四极子发射换能器的声学性能