声波测井换能器的温度性能实验研究

    0 引 言

    不论是补偿声波测井还是变密度声波测井,换能器的性能对测量结果有着重要的影响。随着声波测井波动声学理论的应用,人们对换能器频率特征的认识正在不断的深化。套管波具有一定的频率范围,以地层纵波速度传播的首波也有一系列的固有频率。声波测井仪器设计要求换能器发射频率与这些频率相等或接近[1、2]。

    声波测井的换能器通常浸在硅油里,在高温高压下工作。其温度性能对测量结果具有重要影响。本文介绍天津大学最新研制的高温压电换能器的温度性能测试情况[3~5]。

    1 实验装置

    如图1所示,用一个1 500 W电炉加热,用0b~400bE型电热偶及其配套的温度控制和显示装置。将压电换能器放在一个不锈钢盆中间,盆里面盛满硅油。在加热过程中测量压电换能器的稳态特征—导纳圆。

    2 实验结果

    首先在常温下进行测量,图2是导纳圆测量结果。左图是压电换能器导纳复平面上的显示结果,其横坐标是导纳的实部,纵坐标是导纳的虚部。换能器的电谐振率附近的导纳特征是一个圆,除此以外,图中还有一个小圆在大圆的左下角。右图的横坐标是频率,纵坐标有三条曲线,分别对应于换能器导纳的虚部(最上面的曲线,简称电纳,用B表示),相位夹角余弦(中间的曲线,简称余弦)以及导纳的实部(最下面的曲线,简称电导,用G表示)随频率的变化。在谐振频率位置,导纳的实部最大,虚部为零,相应地,其对电冲击的响应最明显。相位夹角余弦和导纳实部曲线最大值附近的变化对应于左图的大圆,高频位置极大值的变化对应于左图的小圆。

    对硅油进行加热,分别测得了温度为45e、120e、160e时的导纳圆试验数据。图3所示为测量结果:随着温度的升高,压电换能器的谐振频率降低频带宽度有所增加。

    2 分析与讨论

    本文仅对天津大学研制的高温压电换能器进行了测量,测量结果肯定了高温压电换能器的温度性能:在120e以前,压电换能器的导纳特征变化比较小,除了谐振频率有一定的降低、频带宽度有一定的增加以外,导纳特征变化比较小,在导纳复平面上,仍然保证了圆的特征。当温度进一步升高后,导纳圆形状有一定的变化。

    本实验结果对声波测井仪器研制和声波全波资料评价解释均具有一定的意义。

    对仪器研制来讲,温度升高,导纳的主频率降低这一现象给我们提供了重要的信息。针对不同的地层(对应于不同的井筒固有频率)需要设计不同的声波测井仪器的频率。以便最大限度地保证与井筒的固有频率接近,使声波测井仪器与地层匹配,从而有效地提高声波测井波形的幅度,保证声波时差测量的精度。