偶極子聲波測井儀發射聲系性能快速檢測方法?

劉樹鍵 陳德華 曹雪砷 陳 浩

(1 中國科學院聲學研究所 北京 100190)

(2 中國科學院大學 北京 100049)

(3 北京市海洋深部鉆探測量工程技術研究中心 北京 100190)

0 引言

偶極聲波測井可用于孔隙度、滲透率和流體飽和度等地層參數的估算以及地層各向異性評價[1?4]，在油氣勘探開發過程中其應用越來越廣。為了提高生產效率，保障測井作業質量，必須在下井前對偶極聲波測井儀器性能(尤其是發射聲系)進行必要的檢測，快速確定儀器發射聲系在經過長距離運輸后仍能工作正常。對其發射聲系性能的檢測工作一般需要采用比較笨重、復雜、昂貴的專門檢測裝置，測井前線基地由于條件相對簡陋而且地點不太固定，很難配備這些裝置，因而對發射聲系的檢測主要在儀器生產基地進行。黃理琴[5]提出了一種聲波測井儀器測試系統實現方案，利用聲系仿真模塊生成測試信號，對儀器井下電路進行測試。該方案僅針對儀器井下電路部分，缺乏對換能器的檢測。劉棟等[6]基于嵌入式系統框架研制出了可用于聲波測井儀聲系的測試系統。該系統主要由聲波信號發射裝置和聲波接收裝置兩部分組成，可分別用于對測井儀接收聲系和發射聲系進行較為全面的調試和檢測。該系統仍比較繁瑣，不便于在測井前線基地運用。

本文提出了一種針對偶極聲波測井儀器發射聲系性能進行快速檢測的方法。首先，在生產場地對經過檢測裝置檢驗后的聲波測井儀器發射聲系激發的聲場進行測量，提取出聲源主頻、聲場強度和空間分布對稱性特征，作為評價依據；在測井前線基地，再次對儀器激發聲場進行測量，提取出相應的聲場特征并與評價依據進行對比，當兩者一致時，即可認為儀器發射聲系性能完好。本方法可以在儀器下井前對發射聲系性能進行高效、便捷的檢測。本文介紹了偶極聲波測井儀器發射聲系激發聲場的測量、聲場特征提取以及發射聲系性能評價依據獲取方法；針對偶極橫波遠探測測井儀的偶極發射聲系開展了相應的測試實驗，測量了其激發的三維聲場，得到了聲源主頻、聲源強度以及空間分布對稱性特征，可用于該儀器發射聲系的性能評價。

1 偶極橫波遠探測測井儀器偶極發射聲系結構及聲場信號采集裝置

1.1 偶極橫波遠探測測井儀器偶極發射聲系結構

偶極橫波遠探測測井儀偶極發射聲系包含上下換能器陣列，每個換能器陣列由4 個正交分布的三疊片換能器組成，相互平行的兩個三疊片換能器構成一個偶極子聲源(即每個陣列包含兩個偶極子源)。正對三疊片換能器中心的4 個方向依次記為X-1、Y-1、X-2、Y-2；沿X方向分布的偶極子記為X-偶極子，沿Y方向分布的偶極子記為Y-偶極子。圖1 為偶極發射聲系結構圖。儀器工作時，陣列中的X-偶極子源和Y- 偶極子源交替發射聲波。特別說明，這里的“上”和“下”指的是兩個換能器陣列之間的相對位置，上換能器陣列位于下換能器陣列的上部，與相對接收聲系的位置無關。

圖1 偶極橫波遠探測儀偶極發射聲系結構示意圖Fig.1 Dipole sonic emission system structure diagram of shear-wave imaging tool

1.2 聲場信號采集裝置

聲場采集與處理裝置是由傳聲器、信號預處理器以及采集終端3 部分組成。傳聲器主要完成聲場信號的拾取，將聲信號轉變為電信號后送至信號預處理器。信號預處理器實現對接收到信號的放大。采集終端完成數據的顯示與存儲。在實驗過程中，使用示波器作為采集終端。

該采集裝置共有4 條采集通道，可同時采集4個位置的聲場信號。采用AWA6221B型聲校準器對4條通道的傳聲器進行校準，得到了傳聲器在1 kHz處的靈敏度；再根據傳聲器自帶的校準文件，可以得到其在200 Hz～6 kHz頻率范圍內的頻響曲線。信號預處理器的增益特性可以通過比較法[7]測量獲得，即對比通過預處理器和不通過預處理器采集到的聲場信號，得到信號預處理器的增益特性，圖2 為測量流程圖。實驗中所使用的示波器?3 dB帶寬為350 MHz，可以認為在200 Hz～6 kHz 頻率范圍內頻響曲線平穩，因此可以將傳聲器的幅頻響應特性和信號預處理器的增益特性乘積近似作為整個采集裝置的幅頻響應特性，如圖3所示。

圖2 信號預處理器增益特性測量流程圖Fig.2 Gain curve measurement diagram of sound field acquisition device

圖3 采集裝置幅頻響應特性Fig.3 Amplitude-frequency response characteristic curves of sound field acquisition device

2 聲場特征提取方法

2.1 聲場特征的選取

發射功率、能量分布和聲場空間分布對稱性是評價橫波遠探測測井儀器發射聲系性能的重要指標：提高發射功率，可以有效地提高儀器的探測距離；激發聲場能量集中在低頻段[8?9]，可以避免在井孔中激發出一階彎曲波和高階模式波[10]；聲場空間分布對稱性較好時，可避免激發出較強的斯通利波[11]。因此，在測量得到偶極子發射換能器激發的聲場波形后，主要分析其特定位置處的聲場頻譜、強度以及周向指向性等特征。

2.2 聲場特征的提取方法

原始聲場信號經過采集通道后變成電信號，信號的強弱會受采集裝置幅頻特征的影響。因此在數據處理過程中，需要根據采集通道的幅頻響應特性對各通道信號進行幅度補償，以盡量還原原始聲場信號的幅度譜。

2.2.1 聲源主頻

首先，對采集裝置采集到的波形進行傅里葉變換，得到其頻譜。然后根據采集通道的幅頻響應特性，在低頻(200 Hz～6 kHz)范圍內，對每個頻率點處的信號強弱進行通道特性補償，從而得到真實的波形頻譜。最后根據該波形頻譜，提取出其主頻大小。

2.2.2 聲場強度

以測量波形幅度的均方根值來表征聲場強度，計算公式如下：

式(1)中，s(t)為原始聲場信號，?T為信號持續時間，Pe為聲場強度。原始聲場信號s(t)用經過通道補后的采集信號?s(n)代替，并引入帕塞瓦爾定理可以得到：

其中，N為采樣樣本長度，?S(k)為?s(n)的N點離散傅里葉變換(Discrete Fourier transform, DFT)。可以利用在頻譜特征提取過程中已經得到的特定位置處原始聲場信號頻譜，直接進行聲場強度的計算。

2.2.3 聲場空間分布對稱性

將偶極子聲源兩個三疊片換能器的中心點連線方向定義為該偶極子聲源的中心線方向。選取偶極子聲源在中心線上、距離兩側護套外表面相同距離處激發聲場的主頻信號成分間的強度相對差異來表征該偶極子聲源激發聲場的空間分布對稱性特征。

3 橫波遠探測測井儀器激發聲場測試結果

針對一支橫波遠探測儀器開展了實驗，測量了該儀器偶極發射聲系激發的聲場。儀器的空間聲場方向如圖4 所示，軸向方向指與儀器軸線相平行的方向；徑向方向指與儀器軸線相垂直的方向；周向方向指以儀器軸心為中心且與軸線相垂直的圓周方向。

圖4 空間聲場方向示意圖Fig.4 Spatial directions of sound fields

3.1 軸向方向上聲場分布

測井儀器水平放置，偶極子聲源的X-2 朝正上方；采集各偶極子聲源在距離儀器護套外表面1.3 cm 且與聲源中心線相交的軸向方向輻射上的聲場波形，并提取出聲場強度特征。圖5 繪制的是上下換能器陣列中各個偶極子聲源輻射聲場的軸向分布情況。

從圖5 中可以看出，各偶極子聲源輻射的聲場在軸向上具有相同的分布特征：在聲源中心位置和靠近換能器上下邊緣位置處聲場較強，在兩者中間的位置聲場較弱。表1 記錄的是在距離護套外表面1.3 cm 且與各偶極子聲源中心線相交的軸向方向上，偏離聲源中心0.2 cm 位置處的聲場強度相對于聲源中心位置處的聲場強度下降幅度和相對下降率(每偏離聲源中心位置1 mm，相對于聲源中心位置聲場強度的平均下降幅度與中心位置聲場強度之比)。

圖5 各偶極子聲源輻射聲場的軸向分布Fig.5 Axial distribution curves of sound fields excited by dipole sources

表1 各偶極子聲源在軸向上聲源中心附近0.2cm 范圍內輻射聲場強度變化情況Table 1 Changes of sound field intensity within 0.2 cm near the center of each dipole sources in axial direction

3.2 徑向方向上聲場分布

測井儀器水平放置，偶極子聲源的X-2 朝正上方；采集各偶極子源在中心線上、距離護套外表面0.3～3.1 cm 范圍內輻射的聲場并提取聲場強度特征。圖6 為中心線上聲場分布。表2 記錄的是各偶極子源在中心線上、距離護套外表面1.3 cm 附近輻射的聲場強度隨距離的變化情況。從表2 中可以得出：在該位置附近，與護套外表面間距每改變1 mm時聲場強度變化幅度在0.37 Pa 范圍以內；相對變化率(間距每改變1 mm 時聲場強度變化幅度與距離護套外表面1.3 cm 處聲場強度之比)在4.38%以內。相對于上換能器陣列，下換能器陣列中的偶極子換能器激發聲場的強度下降曲線較為陡峭，在距離護套外表面1.3 cm 附近聲場強度相對變化率相對較大，這主要是由于該陣列中的偶極子換能器激發的聲場含有更高頻(4.38 kHz)的成分。

圖6 各偶極子聲源輻射聲場的徑向方向分布Fig.6 Radial distribution curves of sound fields excited by dipole sources

表2 各偶極子聲源在中心線上距離護套外表面1.3cm 附近輻射聲場的強度變化情況Table 2 Changes of sound field intensity near 1.3 cm from the sheath surface on center lines

3.3 周向上聲場分布

測井儀器水平放置，將傳聲器固定在距離儀器護套表面1.3 cm、與各偶極子聲源中心線相交的周向方向上，等間隔轉動儀器進行聲場測量，并提取各位置處的聲場強度特征。圖7 為得到的聲場周向分布圖。表3 記錄的是各偶極子源在周向上聲源中心附近2?范圍內的聲場強度變化情況。從表3 中可以看出，在周向方向上，當傳聲器位置偏離聲源中心2?時，聲場強度相對于正對聲源中心位置處的聲場強度下降幅度在0.14 Pa 范圍以內，相對下降值(聲場強度下降幅度與正對聲源中心位置處的聲場強度)在2.35%以內。

表3 周向上聲源中心附近2?范圍內聲場強度變化情況Table 3 Changes of sound field intensity within 2?around the center of dipole sources in circumferential direction

圖7 偶極子源激發聲場在周向方向上的分布Fig.7 Circumferential distribution curves of sound fields excited by dipole sources

通過對各個位置處的聲場信號進行頻譜分析，可以得到：上換能器陣列中偶極子源激發的聲場能量集中在2.7 kHz 附近；下換能器陣列中偶極子源激發的聲場能量集中在830 Hz 和4.4 kHz 附近。提取各個位置處聲場信號的主頻點信號成分，得到偶極子聲源激發聲場的周向空間分布指向性特征，如圖8 所示。從圖8可以看出，各個偶極聲源激發的聲場在主頻點處的周向空間分布具有“8”字型特征，符合偶極聲場的特性；下換能器陣列中X-偶極聲源激發的聲場周向空間分布對稱性較差。

圖8 各偶極子聲源激發聲場的周向空間分布指向性特征Fig.8 Spatial distribution directivity characteristics of sound fields excited by dipole sources

3.4 誤差分析

聲場測量誤差的主要來源于聲場信號采集系統誤差和傳聲器放置位置誤差。

3.4.1 聲場信號采集系統誤差及對聲場測量結果的影響

實驗過程中采用AWA6221B 型聲校準器對傳聲器進行校準。根據該型校準器輻射聲場在傳聲器接收位置處的標稱聲壓級(94 dB)和最大誤差(0.5 dB)，可以得到實驗中所用的傳聲器對頻率為1 kHz 的聲場聲壓測量最大相對誤差為5.9%。采用DSO-X 3034A型示波器作為數據采集終端，根據其標稱的對頻率為1 kHz的電壓信號測量最大相對誤差，可以計算得到該型示波器對頻率為1 kHz 的聲場聲壓測量最大相對誤差為2.0%。由此可以得到整個采集系統對頻率為1 kHz的聲場聲壓測量最大相對誤差為6.2%。考慮到采集系統在200 Hz～6 kHz頻率范圍內頻響曲線較為平坦，可將采集系統對頻率為1 kHz的聲場聲壓測量最大相對誤差作為對200 Hz～6 kHz 頻率范圍內的聲場聲壓測量最大相對誤差。

3.4.2 傳聲器放置位置誤差及對聲場強度測量結果的影響

傳聲器放置位置誤差可以分為在軸向方向上位置誤差、徑向方向上位置誤差和周向方向上位置誤差。在測量聲場過程中，在軸向方向上和徑向方向上的距離測量使用的工具為毫米尺，測量精度為1 mm；在周向方向上，由于使用的傳聲器固定裝置上有定位槽結構，可以認為傳聲器位置在周向上偏離聲源中心角度在2?以內。表1～表3給出了各偶極子源輻射的聲場在正對聲源中心、距離儀器護套外表面1.3 cm位置附近的聲場強度變化情況。分別取上下換能器陣列中的各個偶極子聲源輻射聲場變化的平均值作為該換能器陣列的輻射聲場變化特征。表4 為傳聲器放置位置誤差范圍及造成的聲場強度測量相對誤差。從該表中可以看出：在徑向方向上傳聲器放置位置誤差對聲場強度測量帶來的誤差最大，傳聲器偏離基準位置(距離護套外表面1.3 cm)1 mm 以內時，兩換能器陣列聲場強度測量最大相對誤差分別為2.71%和4.13%；其余兩個方向上的傳聲器位置誤差對聲場強度測量帶來的誤差相對較小，在軸向方向上偏離聲源中心位置1 mm 以內時兩換能器陣列聲場強度測量最大相對誤差分別為0.26%和0.59%，在周向方向上偏離聲源中心位置2?以內時兩換能器陣列聲場強度測量最大相對誤差分別為0.86%和1.58%。在徑向基準位置附近，相同的徑向位置誤差對下換能器陣列聲場強度測量帶來的相對誤差相對于上換能器陣列較大，這是由于下換能器陣列中偶極子換能器激發的聲場強度徑向相對變化率較大。

表4 傳聲器位置誤差以及對聲場強度測量的影響Table 4 Microphone position errors and impacts on sound field intensity measurement

4 聲場特征的提取

根據該支橫波遠探測儀器偶極發射聲系激發聲場的測量結果，可以提取出聲場強度、頻譜以及空間分布對稱性特征。以各偶極子聲源中心線上、距離兩側護套外表面1.3 cm 處為該聲源的特征提取位置。對該位置處偶極聲源激發的聲場進行處理，得到頻譜、聲場強度特征，并以聲源兩側特征提取位置處聲場的主頻信號成分間的強度相對差異來表征聲場空間分布對稱性。

4.1 聲源主頻

圖9 繪制的是各偶極子源在特征提取位置處的聲場信號頻譜。從圖中可以看出：上換能器陣列中各個偶極子源激發的聲場能量主要集中在2～3 kHz范圍內；下換能器陣列中各個偶極子源激發的聲場能量主要集中在450 Hz～1.8 kHz 和4～5 kHz 兩個頻段內。表5 記錄的是各偶極子聲源在特征提取位置處的聲場信號主頻點。

圖9 各偶極子源激發聲場頻譜Fig.9 Spectrum characteristic curves of sound fields excited by dipole sources

表5 各偶極子源激發聲場的主頻點Table 5 Dominant frequencies of sound fields excited by dipole sources

4.2 聲場強度

結合圖7 給出的各偶極源在特征提取位置處的聲場頻譜和公式(2)，可以計算出各偶極子源在特征提取位置處激發聲場的強度特征值，記錄在表6中。

表6 偶極聲源激發聲場強度特征值Table 6 Intensity characteristics of sound fields excited by dipole sources

4.3 聲場空間分布對稱性特征

以各偶極子聲源兩側特征提取位置處聲場的主頻信號成分間的強度相對差異來表征聲場空間分布對稱性，結果記錄在表7 中。從表中可以看出：上換能器陣列X/Y-偶極子聲源和下換能器陣列中的Y-偶極子源激發聲場的對稱性較好，兩側聲場主頻信號成分強度相對差異在15%以內；下換能器陣列中的X-偶極子源激發聲場的對稱性相對較差，兩側聲場在兩個主頻點處的信號強度相對差異分別達到了30%和23%，說明該對換能器的對稱性不是非常理想。

表7 空間聲場分布對稱性特征Table 7 Spatial distribution symmetry characteristics of sound fields excited by dipole sources

5 發射聲系性能快速檢測參考依據討論

上面對偶極子聲波遠探測儀器的偶極發射聲系激發的聲場強度、頻譜及空間分布特征進行了測量和分析，結合偶極子陣列聲波儀器對評價地層各向異性的要求，可以考慮選取偶極發射聲系主頻、特征位置處的聲場強度以及周向上激發聲場指向性分布特征值來快速檢測儀器偶極發射聲系的性能。本文實驗中，由于條件不足，沒有針對足夠的儀器開展實驗測量，獲得實際數據的代表性不夠充分，因而文中給出的具體數值僅供參考。在實際應用中，可針對經過嚴格測試且性能完好的多支偶極子聲波測井儀發射聲系激發的聲場進行多次測量，并提取相應的聲場特征值，定量分析聲源主頻、聲場強度以及聲場指向性分布特征值的變化規律，通過重復實驗，給出可接受的特征參數相對偏差范圍，作為該類儀器發射聲系性能快速檢測參考依據。

6 結論

本文提出了以聲源主頻、聲場強度以及聲場空間分布特征值作為偶極子聲波測井儀發射聲系性能快速檢測的特征參數，通過與儀器處于完好狀態時的特征參數參考依據相對比，當兩者在可接受的相對偏差范圍內時，即可認為被測儀器偶極發射性能正常。相對于現有的聲波測井儀器檢測方法，該方法具有高效、便捷的優勢，無需采用笨重、昂貴的檢測裝置，便于在測井施工的前線基地應用。

致謝本論文得到了戴郁郁老師、張咪同學、李嘉慧同學和戰婷婷同學的指導和幫助，謹以致謝。