新型多極子陣列聲波聲系的設計分析

熊長偉，熊長華

（中國電子科技集團公司第二十二研究所，河南 新鄉 453003）

新型多極子陣列聲波聲系的設計分析

熊長偉，熊長華

（中國電子科技集團公司第二十二研究所，河南 新鄉 453003）

新型多極子陣列聲波測井儀器由上電子短節、接收聲系、隔聲短節、發射聲系和下電子短節5個相對獨立的部分組成，能夠通過單極、交叉偶極和四極聲波全波信號準確獲得縱波、橫波和斯通利波時差,并分析地層的各向異性特征,求取孔隙度、估算滲透率、識別巖性等。文章主要針對聲波測井儀器中接收聲系、發射聲系及其隔聲的設計進行闡述。

接收聲系；發射聲系；隔聲短節

隨著鉆井工藝的日益復雜，水平井、大斜度井和其他非規則復雜井越來越多，石油測井難度也不斷加大，同時全國各大油田為了提高打井效率，節約打井的成本，井眼口徑也越來越小。測井作業時也常采用泵出式測井。因此，研制一種新型的多極子陣列聲波測井儀器，適用于小井眼泵出式測井非常有必要。本文主要針對陣列聲波聲系的設計進行詳細論述。目前該設計在實際泵出測井實驗中取得良好的效果。

1 結構構成

新型多極子陣列聲波發射聲系連接隔聲短節后從單級發射晶體、斯通利波晶體、交叉偶極子晶體到接收聲系最下端的接收晶體源距分別為7 ft，8 ft，9 ft。接收聲系有效長度為1 736 mm，隔聲短節有效長度1 500 mm，發射聲系有效長度為1 930 mm，如圖1所示。接收聲系和發射聲系儀器結構相近，都是由上接頭、聲系組件、聲系外殼等組成，隔聲短節主要是采用一組隔聲體組件進行隔聲。

接收聲系和發射聲系結構形式基本相似，都是采用膠囊注油平衡的方式，采用相同的注油孔，相似的膠囊保護塊、相近的固定方式、聲系外殼基本尺寸也一樣，外徑為60 mm，內孔直徑為50 mm，都是通過表面徑向刻槽實現對直達波的衰減，槽寬為4 mm，兩槽間距為21.5 mm。

1.1 聲系晶體的封裝及安裝

接收聲系上端安裝42芯插座，下端安裝24芯承壓插頭，聲系里面安裝8個接收晶體，接收晶體封裝好后用螺釘固定在連接桿上，每兩個接收晶體之間安裝固線環用來固定晶體外部的芯線，如圖2所示。

發射聲系上端是24芯插座，下端24芯承壓插頭，內部用螺釘分別定位單級發射晶體、斯通利波晶體、交叉偶極子晶體和變壓器骨架，如圖3所示。

1.2 隔聲短節的設計

隔聲短節通過聲阻抗變換，刻槽來削弱和延遲直達波。在連接體（1）和連接體（2）在表面噴涂了一層PEEK材料，因此當聲波通過刻槽管到連接體（1）到PEEK材料再到刻槽管，重復循環最終到達連接體（2）時，聲波通過低阻抗到高阻抗再到低阻抗，通過聲阻抗的反復變換，聲波被衰減，如圖4所示。另外刻槽管通過刻槽的方式也可以對直達波進行延遲和衰減，在很大程度上也可以提高信噪比。

圖1 接收聲系與發射聲系

圖2 接收晶體封裝

圖3 發射聲系示意

圖4 隔聲短節結構示意

2 計算及其優化分析

由于聲系外殼的聲窗采用大開口形式，因此聲系外殼材料選用為0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼，其材料的屈服強度及拉伸和剪切的許用應力指標為：屈服強度=920 MPa；[σ]=767 MPa；[τ]=460 MPa[3]。

根據圖5聲系外殼聲窗部位的面積計算。

圖5 聲系外殼聲窗部位

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

滿足拉斷力不小于150 kN的要求。

使用mechanica針對聲系外殼受150 kN拉力進行分析，模型采用靜態材料非線性計算，材料模型采用雙線性隨動模型，網格大小1 mm；得出的結果如圖6所示。

（1）外殼受到的最大應力不超過800 MPa；（2）外殼局部最大形變位移不超過0.13 mm。因此4 mm的槽寬和21.5 mm的槽間距是滿足使用要求的。

圖6 聲系外殼隔聲槽應力與形變

針對聲系外殼的關鍵尺寸進行分析，結果如圖7所示。

圖7 聲窗長度和卡塊長度對應力的影響

（1）聲窗的長度10～190 mm對應力的影響不大；（2）卡塊的長度10～20 mm對應力的影響不大。

因此在滿足設計輸入的同時，該聲系外殼的關鍵尺寸選用了最小尺寸。

由于發射聲系長度較長，設計的聲系內部結構比較緊湊，分析聲系在起吊和搬運過程中儀器自重變形是否會對內部晶體產生擠壓影響，經測算儀器總質量在50 kg以下，將外殼兩端固定，中間加力500 N，外殼中心變形撓度不超過0.3 mm，可得聲系在搬運過程中不會對內部晶體產生擠壓影響如圖8所示。

圖8 搬運儀器時外殼中心受力變形

3 結語

新研制的多極子陣列聲波聲系依據以上的驗證分析進行設計，保證了聲波電路安全有效的工作，自投產以來，在我國多個油井及水井的測井作業中安全順利實施，得到用戶的廣泛好評。

[1]尹國平，劉恒，鄒岳元，等.生產測井陣列成像儀在水平井的應用[J].石油管材與儀器，2016（6）：59-62.

[2]徐秉業，劉信聲.應用彈塑性力學[M].北京：清華大學出版社，1995.

[3]周俊波，劉洋.FLUENT6.3流動分析從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]葛玖浩，李偉，陳國明，等.2 000 m超深水水下分離器承壓結構強度分析[J].石油機械，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

熊長偉（1982— ），男，河南新鄉，工程師；研究方向：無線通信與傳輸。