新型多极子阵列声波声系的设计分析

熊长伟，熊长华

（中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡 453003）

新型多极子阵列声波声系的设计分析

熊长伟，熊长华

（中国电子科技集团公司第二十二研究所，河南 新乡 453003）

新型多极子阵列声波测井仪器由上电子短节、接收声系、隔声短节、发射声系和下电子短节5个相对独立的部分组成，能够通过单极、交叉偶极和四极声波全波信号准确获得纵波、横波和斯通利波时差,并分析地层的各向异性特征,求取孔隙度、估算渗透率、识别岩性等。文章主要针对声波测井仪器中接收声系、发射声系及其隔声的设计进行阐述。

接收声系；发射声系；隔声短节

随着钻井工艺的日益复杂，水平井、大斜度井和其他非规则复杂井越来越多，石油测井难度也不断加大，同时全国各大油田为了提高打井效率，节约打井的成本，井眼口径也越来越小。测井作业时也常采用泵出式测井。因此，研制一种新型的多极子阵列声波测井仪器，适用于小井眼泵出式测井非常有必要。本文主要针对阵列声波声系的设计进行详细论述。目前该设计在实际泵出测井实验中取得良好的效果。

1 结构构成

新型多极子阵列声波发射声系连接隔声短节后从单级发射晶体、斯通利波晶体、交叉偶极子晶体到接收声系最下端的接收晶体源距分别为7 ft，8 ft，9 ft。接收声系有效长度为1 736 mm，隔声短节有效长度1 500 mm，发射声系有效长度为1 930 mm，如图1所示。接收声系和发射声系仪器结构相近，都是由上接头、声系组件、声系外壳等组成，隔声短节主要是采用一组隔声体组件进行隔声。

接收声系和发射声系结构形式基本相似，都是采用胶囊注油平衡的方式，采用相同的注油孔，相似的胶囊保护块、相近的固定方式、声系外壳基本尺寸也一样，外径为60 mm，内孔直径为50 mm，都是通过表面径向刻槽实现对直达波的衰减，槽宽为4 mm，两槽间距为21.5 mm。

1.1 声系晶体的封装及安装

接收声系上端安装42芯插座，下端安装24芯承压插头，声系里面安装8个接收晶体，接收晶体封装好后用螺钉固定在连接杆上，每两个接收晶体之间安装固线环用来固定晶体外部的芯线，如图2所示。

发射声系上端是24芯插座，下端24芯承压插头，内部用螺钉分别定位单级发射晶体、斯通利波晶体、交叉偶极子晶体和变压器骨架，如图3所示。

1.2 隔声短节的设计

隔声短节通过声阻抗变换，刻槽来削弱和延迟直达波。在连接体（1）和连接体（2）在表面喷涂了一层PEEK材料，因此当声波通过刻槽管到连接体（1）到PEEK材料再到刻槽管，重复循环最终到达连接体（2）时，声波通过低阻抗到高阻抗再到低阻抗，通过声阻抗的反复变换，声波被衰减，如图4所示。另外刻槽管通过刻槽的方式也可以对直达波进行延迟和衰减，在很大程度上也可以提高信噪比。

图1 接收声系与发射声系

图2 接收晶体封装

图3 发射声系示意

图4 隔声短节结构示意

2 计算及其优化分析

由于声系外壳的声窗采用大开口形式，因此声系外壳材料选用为0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢，其材料的屈服强度及拉伸和剪切的许用应力指标为：屈服强度=920 MPa；[σ]=767 MPa；[τ]=460 MPa[3]。

根据图5声系外壳声窗部位的面积计算。

图5 声系外壳声窗部位

拉伸应力：σ=150 000 N/287 m2=522 MPa＜[σ]=920 MPa

满足拉断力不小于150 kN的要求。

使用mechanica针对声系外壳受150 kN拉力进行分析，模型采用静态材料非线性计算，材料模型采用双线性随动模型，网格大小1 mm；得出的结果如图6所示。

（1）外壳受到的最大应力不超过800 MPa；（2）外壳局部最大形变位移不超过0.13 mm。因此4 mm的槽宽和21.5 mm的槽间距是满足使用要求的。

图6 声系外壳隔声槽应力与形变

针对声系外壳的关键尺寸进行分析，结果如图7所示。

图7 声窗长度和卡块长度对应力的影响

（1）声窗的长度10～190 mm对应力的影响不大；（2）卡块的长度10～20 mm对应力的影响不大。

因此在满足设计输入的同时，该声系外壳的关键尺寸选用了最小尺寸。

由于发射声系长度较长，设计的声系内部结构比较紧凑，分析声系在起吊和搬运过程中仪器自重变形是否会对内部晶体产生挤压影响，经测算仪器总质量在50 kg以下，将外壳两端固定，中间加力500 N，外壳中心变形挠度不超过0.3 mm，可得声系在搬运过程中不会对内部晶体产生挤压影响如图8所示。

图8 搬运仪器时外壳中心受力变形

3 结语

新研制的多极子阵列声波声系依据以上的验证分析进行设计，保证了声波电路安全有效的工作，自投产以来，在我国多个油井及水井的测井作业中安全顺利实施，得到用户的广泛好评。

[1]尹国平，刘恒，邹岳元，等.生产测井阵列成像仪在水平井的应用[J].石油管材与仪器，2016（6）：59-62.

[2]徐秉业，刘信声.应用弹塑性力学[M].北京：清华大学出版社，1995.

[3]周俊波，刘洋.FLUENT6.3流动分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4]葛玖浩，李伟，陈国明，等.2 000 m超深水水下分离器承压结构强度分析[J].石油机械，2015（2）：60-64.

Design and analysis of a novel multipole subarray acoustic wave system

Xiong Changwei, Xiong Changhua
（22nd Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Xinxiang 453003, China）

The new multipole array acoustic logging instrument consists of 5 independent parts, the upper electronic short segment, the receiving sound system, the sound insulation joint, the emission acoustic system and the lower electronic joint, which can accurately obtain compressional wave, shear wave and stone wave time difference through cross monopole, dipole and quadrupole acoustic full wave signal, and analyzes the anisotropic characteristics of formation, then calculates porosity, estimates permeability and recognize lithology, the design of receiving sound system, launching sound system and its sound insulation of acoustic logging tool are mainly discussed in this paper.

receiving sound system; launching sound system; sound insulation joint

熊长伟（1982— ），男，河南新乡，工程师；研究方向：无线通信与传输。