用二维谱技术研究相控线阵声波辐射器在充液井孔中产生的声场.pdf(完整版)实用资料.doc
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1、用二维谱技术研究相控线阵声波辐射器在充液井孔中产生的声场.pdf(完整版)实用资料(可以直接使用,可编辑 完整版实用资料,欢迎下载)!月 用二维谱技术研究相控线阵声波辐射器在充液井孔中产生的声场 车小花 ! # ! 乔文孝 ! ! 鞠晓东 ! ! 张海澜! #中国石油大学 $北京 %资源与信息学院 ! 北京 ! $ J I #中国科学院声学研究所 ! 北京 ! $%$! $ $I ! J 收稿 ! $? $! =收修改稿 ! 国家自然科学基金重点项目 $批准号 #! $ =J $J $%和国家自然科学基金项目 $批准号 #J $=&J $J I ! J $ &J $J I %资助 ! ( /7
2、#57R ! 5G M#1:G #5. 摘要 ! 采用二维谱技术对充液井孔中的相控线阵声波辐射器的辐射特性及其产生的声场进行了数 值研究 #结果表明 #在频率波数域中可以清楚地把在时间空间域中难以分开的模式分辨开来 #相控线 阵声波辐射器的阵元个数 $阵元高度以及相邻阵元间激励信号的延迟时间等参数可以控制辐射声束的 角宽和辐射声束的偏转角 #增大井孔中的相控线阵声波辐射器的相邻阵元间的激励信号的延迟时间 #可以使相控线阵辐射的声束入射于井壁上的指向角不断变大 #先后满足滑行纵波临界折射和滑行横波 临界折射条件 #从而使充液井孔中的滑行纵波和滑行横波分别得到加强 #在井孔中采用相控阵声波辐 射器
3、可以提高声波勘探的空间分辨率和信噪比 #关键词 ! 二维谱 ! 相控线阵声波辐射器 ! 偏转角 ! 辐射特性 ! 目前在现场测量中使用的传统声波测井仪采用的声源不能对向井外辐射的声场进行自动控制 ! 使用这 种声源不可避免地导致了声波测井仪器的探测深度浅 和空间测量分辨率低等问题 #当前油气资源勘探的需 求之一是提高探测深度 &增大探测范围 ! 提高对日趋小型化的复杂油气藏的勘探能力 !(! 而对声波辐射方向进行控制是直接的影响因素 #E *. A 等采用边界元 法模拟研究了典型的井下地震声源激励时在井外横向各向同性和周向分层介质中的声波传播 ! =(! 但使用的声源无明显的指向性且激励频率较
4、低 #O . A 创造 性地把偶极子仪器用于反射声波成像测井中 ! 获得了与井孔相交的地层界面的方位 J(! 但因依赖于偶极子 声源的指向性来识别地层界面的方位 ! 因而 ! 其使用 受到偶极子声源指向性的限制 #采用在医学 &雷达和 声呐技术中被广泛应用的相控阵技术来研究充液井孔 中的声波辐射器的辐射特性 ! 有希望从根本上改善声 波辐射器的辐射声场 ! 从而提高对复杂油气藏勘探的 可靠 性 和 精 确 度 #张 海 澜 等 曾 研 究 了 井 孔 声 学 问题 &(! 但未对多阵元辐射器产生的声场展开研究 #乔文孝等曾对在充液井孔中使用相控线阵声波辐射器的可行性进行了分析 %! I(#车小
5、花等采用有限元法研究了充液井孔中的多种声源在井外地层中产生的声场 ! $(! 指出了由井孔向井外地层中定向辐射声波的方法 ! 但由于受到计算条件的限制 ! 仅给出了定性的 结果 #车小花等采用实轴积分方法定量地研究了相控 线阵声波辐射器在井外地层中产生的声场和实现向井外地层中定向扫描辐射声场的方法 ! ! (#本文采用二维 谱技术 ! ! ! ! =(! 通过改变可能影响相控线阵声波辐射器的参数来寻找二维谱中相控线阵的特征 ! 理解和研 究充液井孔中的相控线阵声波辐射器的辐射特性和在 井孔中产生的声场 ! 为新一代相控声波测井仪器所使 用的换能器的设计和应用提供理论依据 #&! 模型和分析方法
6、& &! 数值计算模型! ! 如 图 ! 所 示 !对 半 径 4为 ! $5 的 无 限 长 的 圆 % !图 &! 数值计算模型示意图井孔 ! 建立 G &E 柱 坐 标 系 ! 其 E 轴 与井 孔 中心 线 重 合 ! G 轴沿井的径向 井孔流体的纵波声速 W 8和密度+$分别是 ! $+2和 ! $A + = 井外为均匀的无 限大地层 ! 其纵波声 W B 和横波声速 W 4分别为 J $+2和 $+2! 密度 +为 =$A+ =由 9个半径为 G $! 高度为 S 的刚性圆柱状阵元组成的相控线阵声波 辐射器 O 的中心轴与井轴重合 ! 辐射器 O 的中心位 于 E +$ 先激励辐射
7、器的第 ! 号阵元 ! 然后依次激 励第 号 &第 =号阵元 22! 相邻两阵元激励的延迟 时间为 4! 声 源 的 激 励 波 形 是 高 斯 包 络 调 制 的 正 弦 波 ! 带宽是中心频率的 $ J 倍 由 (个半径为 G $的接 收器组成的接收阵分布在井孔中 ! 其中心轴也位于井 轴上 本文只考虑轴对称问题 & (! 理论分析方法声源的二维谱是指把声源在时间空间域的位移 分布作二维 F *G +/1+变换到频率波数域的声场表示 采用二维谱有两方面的优点 ! 一是可以在频率波数 域中把在时间空间域中难以分开的波动模式波分辨 开来 二是为计算井内外声场作准备 由 9个阵元组成的声源表面的
8、位移是P G $E ! Q %+P $Q $: ! %4%! : $%! S /E /: $%S ! $%: $%! S ! E &: $% S ! !:+! ! ! 2! 9! $!%则可以得到声源的二维谱X G $! ! -%+ 577:77P G$E ! Q %41W M $ /! E . /-Q %:E :Q $%$! %式是时间和空间的函数 ! 对 P G $E ! Q %作二维 F *G +/1+变换就可以得到声源在频率波数域的声场表示 井内声场满足流体的声波方程 ! 且 流 体中 只 有 一个位移位 58为 58$G ! ! ! -%+C $! ! -%I $!%$(8G %.
9、A $! ! -%$(8G %!$=%式中的径向波数 (8满足 ( 8+W 8 ! 井外地层中的声场满足弹性波 方程 ! 因井 外 地层里没有声源 ! 介质中只有扩散波 ! 再考 虑到 声 场 的对称性 ! 可以引入位移位 5和 $表示其中的位移 和相应的应力 ! 5和 $分别为5$G ! ! ! -%+U $! ! -%I $! %$(G %!$J%$G ! ! ! -%+#$! ! -%I $!%$G %!$%两个位移位分别满足纵波和横波波动方程 ( +W B ! ! +W 4 ! 是径向波数 ! U ! #是 ! 和 -的待定函数 根据在井壁 G +4和在仪器表面 G +G $处的边界
10、条件解得58$G ! ! ! -%+X G $! ! -%4I $!%$(8G %. $! ! -%$(8G %(8 I ! ! $(8G $%. $! ! -%! $(8G $%( $?%把 $? %式代入到 58$G ! E ! Q %+ 577:7758$G ! ! ! -%1W M$/! E /-Q %:! :-$&%中 ! 计算 $&%式一类的积分就可以得到井孔中声场的 =% ! ! 第位移位 (! 数值模拟结果与分析! ! 图 所 示 的 是 图 ! 所 示 模 型 的 充 液 井 孔 中 的 二 图 (! 充液井孔中的二维谱维谱 ! 纵坐标表示频率 ! 横坐标表示波数 ! 用灰阶
11、 表示二维谱的 绝对值 ! 颜色越深 ! 强 度 越 大 #图 中 的 =条黑色斜线从左向右斜率依次变小 ! 分别表示 地层的纵波 &横波声速和流体的纵波声速 #最 右 边 的是斯通利波 ! 在代表地层横波和流体声波波速的 斜线之间的是伪瑞利波 ! 在代表地层横波和纵波声 速斜线之间 以 及 纵 波 声 速 斜 线 左 边 还 有 两 组 模 式 ! 它们是漏模 #由 $? %式 知 ! 在 井 孔 中 接 收 信 号 的 二 维谱是声源的二维谱和井孔的响应函数的乘积 #而 从图 可以看出 ! 不同的声源信号在井孔响应函数 的二维谱中有不同的位置 ! 当声源的二维谱在某些 信号对应的位置比较强
12、时 ! 接收波形中的这些信号 就得到加强 ! 因而 ! 改善声源的二维谱就有可能改 善井孔中接收信号的质量 #( &! 相邻阵元间激励信号的延迟时间辐射器 O 由 %个 阵 元 组 成 ! 阵 元 高 为 ? $ ! 直 径 为 $ ! 声 源 的 中 心 频 率 为 ! $Y c 图 =图 ! 相邻阵元间激励信号的延迟时间 %变化时辐射器的二维谱 $%4为 $42$R %4为 ! =#=42$5%4为 J #$42$! R ! 5%所示的是相邻阵元间激励信号的延迟时间4分别为 $! ! = =和 J $42时辐 射 器 的 二维 谱 ! 声束主瓣分 别 偏 转 向 地 层 纵 波 和 地 层
13、 横 波 的 方 向 图 J $! R %所 示 的 分 别 是 辐 射 器 的 垂 直 指 向 性 曲 线 ! J (和在源距为 = $条件下在井孔中产生的声波 波形 从图 J $%可以看出 ! 随着 4的不 断 增 大 ! 辐 射 器 产 生 的 声 束 的 偏 转 角 逐 渐 增 大 ! 当 4为 ! = =42时 ! 辐 射 声 束 的 主 瓣 偏 转 角 为 第 一 临 界 角 ! I J &n ! 而当 4为 J $42时 ! 辐射声束的主瓣偏 转角为第二临界角 =? %&n 图 J $R %中到达时间约在 $ ? &2&幅度最低的波为滑行纵波 ! 到达时间约在 ! 2的波为滑行横
14、波 ! 随后到达的是伪瑞利波和 斯通利波 结合图 =和图 J 分析可知 ! 当 辐 射 声 束 的主瓣偏转角接近于第一临界角时 ! 滑行纵波的幅 度得到明显加强 而当辐射声束的主瓣偏转角接近 于第二临界角时 ! 滑行横波的幅度得到明显加强 ( (! 阵元个数图 $! R %所 示 的 是 相 控 线 阵 辐 射 器 的 阵 元 个 数 分 别 为 J ! ! J 时 辐 射 器 的 二 维 谱 ! 其 中 阵 元 直 径J%! ! 第 4+W 82/. &4! 图 ?$%!$R %所 示 的 分 别 是 辐 射 器 的 垂 直 指 向 性曲线和在源距为 =#$的条件下 ! 辐射器的阵元 个数分
15、别为 ! ! J ! %和 ! J 时在井孔中产生的声波波 形 #从指向性曲线上可以看出 ! 随着辐射 器 的 阵 元 个数的不断增多 ! 辐射器产生的声束的角宽逐渐变 窄 ! 而旁瓣个数增多 ! 与从二维谱上观察到的现象 一致 #因辐射器产生的声束的偏转角接近于第一 临% ! ! 第界角 ! 在井孔 中 接 收 到 的 纵 波 的 幅 度 得 到 明 显 增 强 #另外 ! 纵波的幅 度 随 着 辐射 器 阵 元 个 数 的 增 多 而增大 #可见 ! 与 一个 阵元 声 源 相 比 ! 采 用 由 多 个 阵元组成的 相 控 线 阵 声 波 辐 射 器 的 优 势 之 一 在 于 !可以通
16、过优化设计使辐射声束的角宽变窄 ! 以提高 探测的分辨率和接收信号的信噪比 #更为重要的是 ! 通过控制辐射器的参数实现向井外地层中定向扫描 辐射声场 ! 将提高对复杂地质构造的分辨能力 #! 第 # # # ! 第 ! 卷 ! 第 ! 期 !$ # 年 ! 月 !% & ! 数值 研 究 结 果 表 明! 在 研 制 声 波 勘 探 仪 器 时! 采用相控阵技术 来 设 计 和 控 制 声 源 的 辐 射 特 性! 有 可能达到既增大探 测 深 度! 又 提 高 测 量 资 料 信 噪 比 和测量分辨率的效 果! 提 高 对 井 外 地 层 构 造 和 复 杂 油气藏勘探的可靠性和精确度 #
17、 参!考!文!献 !C AC!Y ,1E!S 3. R ! 3 7 * c: M * 6 6. *7 14 1 #L 57 1 / 2 831 2 RG85 # / :Q 0 H! I %! $ ! # ? G 2+1 T7 1 1/ 87 1 !I ! $% ? !E . S! * 2c9 D# *1 *1 2/52 G5 +: 3 . M3 *A O q +67 1 / * +1 / / 2 * 3+ / +.0+1, 23*/ 1/ #; * 6 2 2 ! I ! $ % 1. .3 2127 /*+M 5 : 1 M ,/ ! I ? ! # 5 J I *A G6 . O q +6
18、7 2/ / * +1 2 =!E . S! * 5 * 9! * 2c9 D# *1 *1 1 52 G5 + 图 G 在源距为 DS 条件下阵元高度分别为 & C 和 D 2 ! E DSS 时辐射器在井孔中产生的声波波形 : 3 . . 11 /*+M . . *+M / / / 7,+: 23*/ :/ 3*/ 1/ # * . ,1 * 5 2 5 : G :+ 7 1 . * 1 . # 1 M ,/2 ! I ! $ = # = & & 13 :7 A ; * 6 2 ! I ? $ % & J / 5 A 9# A A. R+67 2 G3+ G/A : 13 .7 N / 1
19、+ *1 * . 1 3 5G1 2 + . / 5 * + / J!O . * 2 5H 0 12+ . #; * 6 2 2 $ !? $ % ! & 5G3 1 G1 13 1M ,/ ! $ J I ? # = % / 5 !% =? ! 结论 传统的单阵元声 源 的 辐 射 声 束 角 宽 很 宽! 且 在 声源的物理尺寸确 定 之 后 其 辐 射 特 性 不 可 控 制! 而 要从根本上改变声 波 勘 探 仪 器 的 辐 射 特 性! 最 好 的 办法就是采用相控阵声源 # 本文采用二维谱技 术 对 充 液 井 孔 中 的 相 控 线 阵 声波辐射器的辐 射 效 果 进 行 了 研
20、 究!更 容 易 从 本 质 上 来 分 析和控制充液 井孔中 的相 控线 阵 声 波辐 射 器 的辐射特性!从而把 声 源 及 其 产 生 的 声 场 在 频 率 波 数 域 和 时 间 空 间 域 中 建 立 起 了 联 系 #随 着 相 控 线 阵 声波辐射器的阵 元 个 数 的 不 断 增 多&阵 元 高 度 的 增 高!无论是从指向性 曲 线 还 是 从 二 维 谱 上 均 可 以 看 出辐射声束的主 瓣 的 角 宽 变 窄同 时!井 孔 中 接 收 到的 声 波 幅 度 明 显 增 大 #在 对 特 定 的 问 题 进 行 研 究 时可根据具体要求! 选 择 合 适 的 相 控 线
21、 阵 声 波 辐 射 器参数 #从二 维 谱 计 算 结 果 中 还 可 以 看 出! 调 节 辐 射 器 相 邻阵元间激励 信号的 延迟 时间 可 以 使辐 射 器 产生的声束的主瓣 发 生 偏 转!使 相 控 线 阵 辐 射 的 声 束入射于井壁上 的 指 向 角 不 断 变 大!先 后 满 足 滑 行 纵波临界折射和 滑 行 横 波 临 界 折 射 条 件!从 而 使 充 液井孔中的滑行纵波和滑行横波分别得到加强 # ! 张海澜!王秀明!张碧星 #井孔的声场和波 #北京#科学出版社! $ !?% $J ! ?! 张海澜!萧柏勋 #测井仪器对井孔声场影响的数值研究 #声学 学 报! $ $
22、! # = J I $ $% J = &! 张海澜!王秀明!应崇福 #弹性介质中充液井孔的漏模和井孔 声 场中的分波计算 #中国科学! /* E C1 F / 7 ,* M 53 .* 7 R/ / / . 1+M 1 + 5 G3 +. 3123 5 G3 H77A/A 62:+,* 2 53 2 / + * 2 5 1 A. # / 3 / 7* C /11b; * 6 2 $ ! # & = 6.2 1M , ! $ J $ % & ? ! 3 7 L R +3+ / G * . /* C1 E / I!X S ! 6 .L! G;4 1 # *,2 73 .* * 2 5 H77A/A
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