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优化超声波换能器，提升油气开采检测质量

美国贝克休斯公司借助三维超声波仿真技术研究声波传播、捕获实验响应，优化了用于油气开采测试中的换能器设计，将原型制作的成本降低了 30%。

作者 Mackenzie McCarty
2025 年 9 月

石油和天然气在用于家庭供暖、汽车燃料和发电之前，需要经过复杂的开采和检测、运输、提炼等过程。贝克休斯公司专注于这一过程的第一步，也称为上游环节，具体而言是使用水泥胶结测井技术评估天然气质量。脉冲回波和脉冲共振超声检测是该公司在油气开采测试中最常用的两种方法，他们借助多物理场仿真软件对这两种测试方法中所使用的超声换能器进行设计与优化。

石油勘探和天然气开采

上游环节中，在油井中钻孔提取天然气时，必须对井进行加固以控制井内的流体流动，水泥胶结评估是这一过程中的重要步骤。钻孔后，水泥将被注入套管和地层之间，用于防止井眼内产油区之间的流体连通。正如贝克休斯公司的首席科学家 Haiqi Wen 所解释的，水泥环形成了一个防止流体连通并阻止流体向地表泄漏的液压密封。

水泥胶结测井仪（cement-bonding logs，CBL）和变密度测井仪（variable-density logs，VDL）是两种常用的超声波测井工具，通过线缆放入油井，对其完整性和流体区隔离情况进行准确评估。CBL 的结果呈现为波形，基于波形的振幅和衰减系数可以确定套管与水泥之间的胶结质量。“而VDL更像是所有波形的可视化呈现，可以为地层与水泥之间胶结质量提供更多信息。” Wen 介绍道（图 1）。

在开采点对石油和天然气进行测试，可确保产品在进行后续加工之前符合质量标准，还能识别可能影响油气价值或可用性的杂质，并通过分析成分和生产率帮助优化生产，Wen 解释说。测试还能帮助收集数据，使操作人员了解储层状况，识别所有安全隐患，并指导未来的改进工作。

压电换能器用于上游步骤或测试环节。Wen 和他的团队使用 COMSOL Multiphysics^® 软件模拟压电换能器（图 2），通过软件内置的多物理场功能将流体耦合到压电换能器，将弹性波耦合到压力声学，并将外部电路耦合到压电元件的终端，从而能够准确地研究多种物理现象如何相互作用，模拟电压信号到弹性波的转换，以及换能器边界与自定义电路参数之间的流–固耦合。

“我们在边界上放置了吸收层，用于吸收入射波，” Wen 介绍说，“这些边界还能实现频率滤波和扫描功能。我们只模拟了八分之一模型以节省时间和精力，但通过应用镜像数据集，可以获得完整的模型响应和数据。”

换能器设计的一个关键要素是压电换能器的厚度与波长和匹配层的对比。在此设计中，换能器的厚度被设定为波长的一半，而匹配层的厚度被设定为波长的四分之一。

在建立换能器尺寸和进行网格设置时，Wen 探索了两种不同的方法：一种是形成装配体，另一种是形成联合体。形成装配体会在界面上创建不连续的网格，而形成联合体则会在界面上创建连续的网格。“我认为形成联合体通常会更稳健一些，但这样会在界面处堆积更精细的单元，因此某些情况下模拟速度可能会稍慢一些。” Wen 介绍道。

通过仿真降低原型开发成本

Wen 建立了一个简化的二维轴对称换能器模型和一个完整的三维模型 （图 3），并根据实验测试结果对两个模型进行了验证。他们模拟了发出一个撞击油井水泥表面的短脉冲信号：当胶结质量很好时，接收器不会显示很多强信号，因为材料之间都牢固地结合在一起，没有任何空隙或裂缝。在这种情况下，信号会穿过表面。相反，如果胶结质量差，接收器会显示反射信号，因为信号会撞击到裂缝或空隙。

Wen 表示 "在这项工作中，我比较了波的传播和压力响应。正如你所看到的，波的传播看起来几乎是一样的。" 他随后继续解释了如果模型是轴对称的，可以使用二维模型更快地获得模拟结果，否则就必须使用三维模型。

三维模型结果是通过评估 yz 切平面的压力响应得到的，其中 x = 0（如图 2 右所示）。“对于这种压力探头响应，二维模拟与三维模拟的结果几乎一致。” Wen 说道。他使用连接 COMSOL Multiphysics^® 软件和 MATLAB^® 软件的接口产品—— LiveLink™ for MATLAB^® 对结果进行了比较（图 4）。

通过 LiveLink™ for MATLAB^® （图 5） 可以看到，，COMSOL 仿真结果和测量数据在近场非常吻合。结果表明，最大压力位于轴线上，对应的传感器中心频率为 280 kHz 振幅。不过，正如 Wen 所指出的，“我们正在努力解决一些差异。” 其中一个差异是测量数据中出现了旁瓣，而模拟结果中却没有。另一个差异是模拟结果中观察到的局部抵消，而测量数据显示的是连续衰减。

"我认为问题可能与压电材料的模拟有关，因为在实际应用中，压电材料是一种复合材料。然而，在目前的研究中，我们将其视为均质材料，” Wen 猜测说，“我们仍在努力改进这一点。"

"总而言之，仿真为我们节省了约 30% 的原型开发成本。过去，当我们需要订购新的传感器时，通常会订购一批不同规格的换能器。但是现在由于我们一直在使用像 COMSOL^® 这样的仿真软件，只需要验证一批设计中是否有几个不错的方案。然后，我们只需要订购这几个设计方案对应的产品，而无需订购所有新的换能器设计方案以挑选出性能最好的那一个。” Wen 说道。

脉冲回波和脉冲共振测试

为了进一步开展工作，Wen 团队使用 COMSOL 对脉冲回波和脉冲共振测试方法进行了模拟和优化。在脉冲回波模拟中，他们主要研究和分析了一种超声无损检测技术——通过发出超声脉冲波来识别材料中的缺陷或分析反射波形以获取信息。Wen 团队模拟发射出的波被一个金属外壳反射，换能器既是发射器又是接收器，通过点探针测量波形数据以用于分析。

Wen 使用希尔伯特变换提取波束包络，然后对其进行快速傅里叶变换，得到其中一个频率峰值，而这个峰值实际上对应外壳内的内部反射。Wen 解释说：“当发送信号时，会出现第一次反射，实际上这是内部反射（图 6）。接着，就可以根据频率计算出套管的测量值。”

希尔伯特变换还可用于提取脉冲共振测试的波束包络，跟踪峰值的振幅。此研究中的峰值由蓝点和红点表示，如图 7 中特定点所示。Wen 绘制了波振幅与换能器间隙的函数关系图，以拟合出指数曲线（注意，图 7 中没有显示这一点）。他比较了自由管道中的水和泡沫水泥的不同模拟结果，以了解域内的材料特性。

"可以看到振幅相当低，在实际应用中，这将非常具有挑战性，因为会受到低信噪比的影响，尤其是在频率较高的情况下。” Wen 说道。他进一步解释说如果声波发送和接收速度非常快，捕获有意义的信号将变得更加困难。

通过使用 COMSO L仿真软件对这两种测试方法进行模拟，可以提高从超声波脉冲波中收集数据的效率；而对换能器进行仿真，既能优化设计，又能节约资源。仿真帮助 Wen 团队探索波如何在不同的材料中传播，并确定了最终波形的成因。“这正是仿真技术带给我们的独特价值——有些信息是我们无法从实验测试中获取的。” Wen 总结道。最终，仿真将帮助贝克休斯提高油气生产过程中上游环节的效率和准确性。

参考文献

1. C. Fang et al., "A Novel Cementing Quality Evaluation Method Based on Convolutional Neural Network," Appl. Sci., October 2022; https://doi.org/10.3390/app122110997