用二维谱技术研究充液井孔中的相控线阵声波辐射器的辐射特性.pdfVIP

用二维谱技术研究充液井孑L中的相控线阵 声波辐射器的辐射特性 车小花乔文孝鞠晓东 (中国石油大学(北京)资源与信息学院) 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，相控线阵声波辐射器的阵元个数、阵元高 度、激励频率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。改变井孔中的相控线阵声波辐射器的相邻阵元问的激励 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。在井孔中采用相控线阵声波辐射器可以提高反射 声波成像测井和井问声波勘探的空间分辨率和信噪比。 关键词：二维谱技术相控线阵声波辐射器数值模拟 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。当前油气资源勘探形势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。在反射声波成像测井和井间地震勘探等 声波勘探工程中均涉及由井内向井外地层中辐射声场的问题，Dong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低。采用在医学、 雷达和声纳技术中被广泛应用相控线阵技术来研究改善充液井孑L中的声波辐射 器的辐射特性的方法，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。 乔文孝等人从相控线阵声波辐射器的参数与在井孔中产生的声波波形方面 研究了在充液井孔中使用相控线阵声波辐射器的应用效果。张海澜等曾研究了 一96— 井fL声学问题，但未对多阵元辐射器产生的声场展开研究。车小花等采用有限 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 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，未对辐射声场的特征和控制方法进行仔细分析。车小花等采用实轴积分方 法定量地研究了充液井孔中的相控线阵声波辐射器产生的声束的偏转角与其在 井外地层中产生的声场之间的关系以及实现向井外地层中定向扫描辐射声场的 方法。本文将采用二维谱技术，从辐射器的指向性和二维谱研究相控线阵声波 辐射器的辐射特性。 I模型和分析方法 I．1数值计算模型 如图1所示，对半径口为lOcm的无限长的圆井孔，建立坩z柱坐标系，其 ：轴与井孑L中心线重合，r轴沿井的径向。井孔流体的；∞ 纵波声速Of和密度po分别是1500m／s和1000kg／m3；s． ■舅霹 井外为均匀的无限大地层，其纵波声速印和横波声速R， 地分别为4500m／s和2500m／s，密度P为2300kg／m3。 纛：簿 2 由m个半径为r0，高度为^的圆柱状阵元组成的相控T 线阵声波辐射器T位于井轴上，其中心轴和井轴重合， 糕 辐射器T的中心位于z=0。先激励辐射器的第1号阵 元，然后依次激励第2号、第3号阵元……相邻两阵元 滋 激励的延迟时间为r，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0．4倍。由”个半径为70图1数隹澍算模型示意图 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。只考虑轴对称问题。 1．2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傅里叶逆变换到 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模式分辨开来；二是为计算井内外声场作准备。 应用二维谱技术来分析声全波波形可以有利于识别在时域中难以区分开来的模 式波。采用二维谱技术对在充液井孔中的相控线阵声波辐射器及其在井孔中产 生的信号进行了研究，