过钻头正交偶极子声波测井换能器研究

Analysis and evaluation for Stratum rock properties are the bottleneck problems for correct identifying the best hydraulic cracking interval in a long horizontal well section in shale gas exploration and development in China. At present, Through Bit Cross Dipole Acousitc Logging (TBCDAL) is preferred to figure out this problem. However, the kernel component - transducer has not been conquerred. The main problem is the contradiction among small volume, low frequency and high emitting energy of TBCDAL transmitters. Therefore, early researching work on new models of TBCDAL transmitters shows important academic value and strong application background. This proposal is put forward on our preliminary basis of breaking the foreign technical monopoly and implementing the independent research and development of cross dipole acoustic logging transducers, and also combined characteristics of through bit logging (TBL) technology. Firstly, the new physical model of bender bar will be established. Secondly, the new model will be numerically simulated and optimally designed using the theoretical and numerical analysis methods. Thirdly, transducer samples will be made and their performances will be also measured. Further investigations will be concerned on the effects of materials, structure and boundary conditions on the vibrational modes, frequency response, impedance characteristics, directivity and sensitivity etc. Afterwards, the main factor influencing the emitting energy of transducers will be analyzed, and optimized solutions are obtained. The proposal above will provide theoretical references and forceful experimental data for early settling TBL bottleneck problems.

地层岩石属性分析与评价是制约我国长井段水平井页岩气开发中最佳水力压裂层段准确识别的技术瓶颈。目前，过钻头正交偶极声波测井技术是解决这一问题的首选测量方式，但其核心部件-换能器尚未攻克，主要问题是弯曲振子正交偶极声波换能器的微小体积与其低频、强发射能量之间的矛盾。因此，及早深入开展过钻头正交偶极声波换能器研究，具有重要的学术价值和较强的应用背景。 本申请在项目组已打破国外技术垄断、实现自主研发正交偶极声波换能器的基础上，结合过钻头测井技术特点，首先建立新型弯曲振子偶极声波换能器物理模型。其次，采用理论和数值分析方法对新模型进行仿真和优化设计。再次，对试制样件进行性能测试，并与理论结果对比，考察换能器材料、结构、边界条件等对振动模态、频响、阻抗、指向性、灵敏度的影响，分析影响换能器辐射能量的主控因素，并优化解决方案，为国际上尽早解决过钻头测井技术瓶颈问题提供一定的理论指导和强有力的实验数据。

过钻头正交偶极声波测井技术是水平井页岩气开发的首选测量方式，但其核心部件-换能器尚未攻克，主要问题集中在弯曲振子正交偶极声波换能器的微小体积与其低频、强发射能量之间的矛盾。因此，开展过钻头正交偶极声波换能器研究，具有重要的学术价值和较强的应用背景。项目主要研究内容包括小井孔声场分析，换能器模型建立、优化设计、样件制造、性能测试以及理论结果与实验结果对比分析等。具体内容包括：数值分析了小井孔环境下不同地层的多极子声源产生的声场；建立了换能器物理模型，并进行了理论分析和数值仿真与优化设计；优选了换能器样件材料，精密加工了实验零件，研究了换能器的制作工艺流程，制作了换能器试件；测量了换能器样件的电学性能、声学性能，考察了换能器材料、结构、边界条件等对振动模态、频响、阻抗、指向性、灵敏度的影响，分析了影响换能器辐射能量的主控因素，与理论结果对比，从而提出了进一步优化的解决方案。另外，还考察了温度等环境因素对性能的影响。得到的重要结果包括：1）从Woolleet提出的弯曲振子换能器设计获得启发，结合过钻头测井技术特点，创新性地建立了分段结构正交偶极声波测井换能器物理模型；2）数值分析并优化设计了分段结构正交偶极子换能器；3）制造了分段结构正交偶极子换能器样件，并进行了性能测试；4）给出了适用于小井孔环境下换能器工作频率范围。其中，关键数据包括：换能器最大发射电压响应级可达108.5dB，最大宽度20mm，最高耐温175℃，可用于外径54mm的过钻头声波测井仪器。通过本项目的研究，探索建立了小尺寸高效能正交偶极声波测井换能器物理模型，分析了换能器结构参数与性能之间的特征关系，实验验证了理论分析结果的正确性，为国际上尽早解决过钻头声波测井技术瓶颈问题提供一定的理论指导和强有力的实验数据。