0 引言

随钻声波测井技术是将发射及接收换能器布置在钻铤上，在井筒中激发产生多种模式波，通过对各种模式波的波速及衰减等可反映地层岩石物理参数的声学信息的测量，来评价井旁地层地质特性及岩石物理性质的一种应用地球物理技术。近年来，国内多家单位相继开展了随钻声波测井技术研究^[1-5]，但没有见到较为满意的效果。原因在于随钻声波测井的基础理论研究还有待完善^[6-8]，更主要的是随钻声波测井仪器的研发存在相当大的难度，涉及的关键技术及难点较多，需要大量的投入以开展不同技术层面的科技攻关。

随钻声波测井仪器主要由声系(包括发射声系和接收声系)、隔声体以及电路系统等3大部分组成。仪器声系结构需实现不同的振动模式(如单极、四极)及阵列化要求，以便在井孔中测量不同地层的纵波、横波及斯通利波特性，进而评价地层的各向异性，以及实现方位声波、远探测声波和三维声波测井。电路系统是仪器的测控电子线路部分，包括声波激励单元、信号接收及数据采集单元、系统主控和井下数据处理(包括大容量数据存储)单元、电源管理单元等。在高温高压下，除了钻铤波的干扰，在随钻测量时还须面对钻头、井底钻具组合及循环钻井液等诸多噪声干扰。在震动、冲击和摩擦等恶劣工况下，需要解决声波探头的有效激发以及高速高精度信号采集，大容量随钻声波数据存储、实时处理、数据压缩、数据传输、仪器供电及电源管理等一系列关键技术问题。

笔者针对仪器中的发射声系及激励电路部分开展研究工作。为了提高发射强度和优化指向性，文中提出一种采用相控技术的随钻声波发射声系设计方案，同时也设计了相应的可相控激励的换能器激励电路，对随钻声波测井部分关键技术进行了有益的探索，研究结果可为仪器的研发提供技术参考。

1 相控阵列式发射声系原理

井孔和地层中声信号的幅度除了与地层性质有关外，还取决于发射换能器的激发强度。为了提高接收信号的强度，应在允许的范围内，尽可能地增大发射换能器的激发强度，这是在设计随钻声波探测器时应该关心的重要参数之一。由于受到井眼条件和钻铤尺寸的限制，不能通过增大换能器几何尺寸的方式来增大其发射能量。在现有声波测井换能器技术基础上，将相控阵技术应用到随钻声波测井中来，拟采用在轴向上布置多个发射换能器，以构成可相控激励的发射换能器阵列^[9-10]。其目的一是增强发射探头的激发强度，二是当采用相控激励时可使其辐射声束主瓣角发生一定偏转，让发射能量更多地偏向接收换能器一侧，从而进一步增强有用信号的强度，提高接收信号的信噪比，同时还可以具有一定方位分辨能力。

相控阵列式发射声系原理示意图如图 1所示。在空间声场中，每个单极子声波换能器可以视为一个点声源。点声源会向整个空间辐射声场，当空间两列波在某一点满足同相位叠加，则会使其振动加强，声压值达到最大。因此，在激励这些发射换能器时，可以通过给相应换能器的激励信号增加延迟时间的方法来补偿其相位差，使其满足同相叠加的条件。不同的激励信号延迟时间可以控制声发射换能器阵列辐射声束的偏转角，如果改变阵元个数及激励脉冲的能量，还可以增大辐射声束的主瓣角，减小旁瓣，使能量更为集中。相控线阵声源能够控制辐射声束在轴向上的垂直指向性和主瓣角，使发射探头辐射的声波能量更多地偏向接收探头一侧。

声发射换能器阵列辐射声束的偏转角θ与相邻阵元激励信号的延迟时间τ之间的关系为：

(1)

式中：d为相邻阵元的中心间距，c为介质的声速。

笔者以两组单极子换能器T1、T2为测试研究对象，T1在下端，T2在上端，并安装在骨架上。在轴向上可以等效为两个阵元的相控线阵声波辐射器，阵元间距为d，T1先开始激励，标记此时为0时刻，到τ时刻再激励T2，两路激励信号间的延迟时间为τ。

2 可相控声波激励系统设计

对于相控阵列式声系，通常需要多通道激励信号，并且相邻激励通道的延迟时间可调整。激发脉冲的宽度需要按照换能器的主频进行选择。换能器与激发电路共同构成激发回路，当激发脉冲与换能器的主频一致时，激发的能量比较大，两者不一致时，则激发的能量比较小。

笔者设计了一种多通道可相控声波激励系统，其原理示意图如图 2所示。该声波激励系统由逻辑控制电路、相控激励驱动电路和总线接口电路等部分组成。

可相控声波激励系统采用Altera公司MAX Ⅱ系列CPLD芯片作为发射电路板的接口及逻辑控制器。总线接口通过高速光耦与外部电路系统实现电气隔离，以减小对其他功能电路的电磁干扰。通过总线接口，激励系统可以在主控系统的控制下工作，CPLD对接收到的发射控制命令进行译码，并按照仪器串行命令协议解析出相应的控制命令以及发射换能器组延迟激励时间、激励脉冲宽度等工作参数，控制激励系统工作。

系统可通过拨码开关来选择激励模式、激励信号脉宽以及相邻通道延迟时间等工作参数，操作简便，实现了简单的人机交互功能。系统还设计了两种同步模式，可通过选择开关进行选择。当内部自行触发时，同时对外输出一个同步信号，如可以向外部数据采集系统输出一个同步信号，通知采集系统开始采集；当外部(如外部数据采集系统)触发时，可以由外部系统控制其工作周期。

3 实验室声场测试与分析

声系声场测试工作在实验室一个尺寸为5.0 m×5.0 m×4.0 m的非消声水池中完成，水的密度为1.0 g/cm³，声速为1 500 m/s。声场测量试验平台主要由PC机、相控激励系统、采集系统、定位系统和水池等组成。换能器声场测量系统示意图如图 3所示。发射声系和水听器分别固定在定位系统的2个工作头上，源距为1 500 mm，基本满足自由远场条件，采用丹麦B&K公司的标准水听器B&K8103接收声波信号。

测试时，使激励系统处于相控激励工作模式，只需用到激励系统的1、2激励通道。

当子阵列T1、T2以相控方式工作时(激励信号间存在延时)，在延迟时间τ分别为0、5、10、15、20和25 μs条件下进行了测量。高压激励信号的脉宽为60 μs，峰峰值约3 000 V，在源距为1 500 mm处，通过水听器接收声波信号。

试验测试结果表明，随着T1、T2间激励信号延迟时间τ的增加，辐射声束主瓣偏转角θ逐渐增大，主瓣方向辐射的能量也逐渐增强，主瓣3 dB角宽逐渐变宽，但同时旁瓣也逐渐增强了。采用相控阵方式可以控制声波发射探头的垂直指向性，从而有效地控制辐射声束偏转方向，实现定向发射，使声波探头具有一定的方位分辨能力。

理论计算和试验测量的辐射声束的主瓣偏转角θ与相邻子阵间的激励信号的延时τ的变化关系如图 4所示。从图 4可以看出，在延时0~25 μs范围内，主瓣偏转角试验测量值与理论计算值非常接近，基本满足τ= dsinθ/c。

试验研究表明，当相邻子阵间的激励信号存在一定延时τ时，可以控制声波发射探头的垂直指向性，发射换能器辐射声束的主瓣会发生明显的偏转，可使声波辐射能量更多地偏向接收探头一侧，从而增强有用信号的强度，提高接收信号的信噪比。

笔者针对随钻方位声波辐射器的定向发射和定向接收进行了一些有益探索。实际应用时，可以根据不同地层条件，选取合适的延迟时间τ，以获得最佳声波信号发射角度。

4 结束语

基于相控阵技术的随钻声波测井仪器发射声系不仅可以明显提高声波激发能量，而且可以控制辐射声束偏转方向，使声波能量更多地辐射向声波接收探头一侧，提高声波接收探头的信噪比。在轴向上可以控制声波发射探头的垂直指向性以实现定向发射，使声波探头具有一定的方位分辨能力。同时，本文提出的多通道可相控声波激励电路除可以满足相控激励的要求外，还可作为实验室换能器性能测试的重要试验设备，为其他换能器性能测试提供服务。