用二维谱技术研究相控线阵声波辐射器在充液井孔中产生的声场.pdf（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）!月用二维谱技术研究相控线阵声波辐射器在充液井孔中产生的声场"车小花!#"!乔文孝!!鞠晓东!!张海澜"!#中国石油大学$北京%资源与信息学院!北京!$""JI""#中国科学院声学研究所!北京!$$$%$!"$$’>$I>!J收稿!"$$?>$!>"=收修改稿!"国家自然科学基金重点项目$批准号#!$’=J$J$%和国家自然科学基金项目$批准号#J$=&J$JI!J$’&J$JI%资助!(>@/7#@57@R!5GM#1:G#5.摘要!!采用二维谱技术对充液井孔中的相控线阵声波辐射器的辐射特性及其产生的声场进行了数值研究#结果表明#在频率波数域中可以清楚地把在时间空间域中难以分开的模式分辨开来#相控线阵声波辐射器的阵元个数$阵元高度以及相邻阵元间激励信号的延迟时间等参数可以控制辐射声束的角宽和辐射声束的偏转角#增大井孔中的相控线阵声波辐射器的相邻阵元间的激励信号的延迟时间#可以使相控线阵辐射的声束入射于井壁上的指向角不断变大#先后满足滑行纵波临界折射和滑行横波临界折射条件#从而使充液井孔中的滑行纵波和滑行横波分别得到加强#在井孔中采用相控阵声波辐射器可以提高声波勘探的空间分辨率和信噪比#关键词!!二维谱!相控线阵声波辐射器!偏转角!辐射特性!!目前在现场测量中使用的传统声波测井仪采用的声源不能对向井外辐射的声场进行自动控制!使用这种声源不可避免地导致了声波测井仪器的探测深度浅和空间测量分辨率低等问题#当前油气资源勘探的需求之一是提高探测深度&增大探测范围!提高对日趋小型化的复杂油气藏的勘探能力’!(!而对声波辐射方向进行控制是直接的影响因素#E*.A等采用边界元法模拟研究了典型的井下地震声源激励时在井外横向各向同性和周向分层介质中的声波传播’"!=(!但使用的声源无明显的指向性且激励频率较低#O@.A创造性地把偶极子仪器用于反射声波成像测井中!获得了与井孔相交的地层界面的方位’J(!但因依赖于偶极子声源的指向性来识别地层界面的方位!因而!其使用受到偶极子声源指向性的限制#采用在医学&雷达和声呐技术中被广泛应用的相控阵技术来研究充液井孔中的声波辐射器的辐射特性!有希望从根本上改善声波辐射器的辐射声场!从而提高对复杂油气藏勘探的可靠性和精确度#张海澜等曾研究了井孔声学问题’’&(!但未对多阵元辐射器产生的声场展开研究#乔文孝等曾对在充液井孔中使用相控线阵声波辐射器的可行性进行了分析’%!I(#车小花等采用有限元法研究了充液井孔中的多种声源在井外地层中产生的声场’!$(!指出了由井孔向井外地层中定向辐射声波的方法!但由于受到计算条件的限制!仅给出了定性的结果#车小花等采用实轴积分方法定量地研究了相控线阵声波辐射器在井外地层中产生的声场和实现向井外地层中定向扫描辐射声场的方法’!!(#本文采用二维谱技术’’!!"!!=(!通过改变可能影响相控线阵声波辐射器的参数来寻找二维谱中相控线阵的特征!理解和研究充液井孔中的相控线阵声波辐射器的辐射特性和在井孔中产生的声场!为新一代相控声波测井仪器所使用的换能器的设计和应用提供理论依据#&!模型和分析方法&’&!数值计算模型!!如图!所示!对半径4为!$5的无限长的圆"%"!图&!数值计算模型示意图井孔!建立G&E柱坐标系!其E轴与井孔中心线重合!G轴沿井的径向井孔流体的纵波声速W8和密度+$分别是!’$$+2和!$$$^A+="井外为均匀的无限大地层!其纵波声WB和横波声速W4分别为J’$$+2和"’$$+2!密度+为"=$$^A+=由9个半径为G$!高度为S的刚性圆柱状阵元组成的相控线阵声波辐射器O的中心轴与井轴重合!辐射器O的中心位于E+$先激励辐射器的第!号阵元!然后依次激励第"号&第=号阵元22!相邻两阵元激励的延迟时间为4!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$J倍由(个半径为G$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本文只考虑轴对称问题&’(!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F*G+/1+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波动模式波分辨开来"二是为计算井内外声场作准备由9个阵元组成的声源表面的位移是PG$$E!Q%+P$$Q"$:"!%4%!:"""$%!S/E/:"$%"S!$%:"""$%!S!E&:"$%"S!!:+!!"!2!9!$!%则可以得到声源的二维谱XG$$!!-%+"57"7:7"7PG