● 摘要
声波增采技术因其无污染、低成本、高效益，在三次采油技术中具有重要应用。目前声波增采技术依然面临振动强度低、作用范围短等问题亟待解决。利用基于超磁致伸缩材料（GMM）的井下低频大功率声波采油换能器可以产生低频率大振幅的声波辐射，并直接作用地下储油层，同时具有高的振动强度和广的声波作用范围。换能器的核心组件超磁致伸缩驱动器（GMA）的输出性能和声波作用后岩芯增采效果是整个声波采油系统的关键环节。所以本文针对影响GMA大功率输出的磁路、电路以及声波作用下的岩芯实验展开研究
本文在GMA磁路的研究中，对采用堆垛式永磁布局内嵌入高磁导率材料以提高GMM偏置磁场均匀性的方法进行了分析。建立了GMA的零等势面模型，并基于此分析了GMM内部漏磁情况，提出简化的磁路模型。设计了不同充磁方向的永磁筒组合布局，平均磁场强度从770 Oe 提高到1050 Oe，不均匀度由26.7 % 下降到 3.0%。进一步简化后得到单个永磁筒结合永磁片的偏置场提供方案，最终得到平均磁场强度达到976Oe，不均匀度1.8%的偏置磁场。GMM起始工作起始点位置接近其特性曲线的线性端中点，GMA输出性能改善满足大功率要求。
在对GMA电路的研究中，分析了不同信号下GMA的电路响应和热功率关系，得出不同频率下的最优信号类型。在70Hz以上且获得同样电流峰峰值的条件下，方波信号具有更低的发热率。优化了GMA电路谐振方案，提高了GMA功率因子，降低功放负载，同等功率源条件下最大电流可提高为原来的1.5倍。建立了GMA基于电路的能量分配模型，在GMA电路模型中引入机械映射电阻，解释了高频下阻抗的各部分组成，为GMA的谐振电容计算、能量损耗、及提高整体能量利用效率的研究提供铺垫。
在检验换能器声波作用效果的研究中，模拟井下实际环境，建立了利用液相作为声能耦合介质的岩芯测试系统。设计了GMA输出端的振膜结构，对振膜进行了力学强度仿真，研究了不同振膜参数时振膜的应力集中情况。最终选择了膜厚1mm的平模结构，及S25554型不锈钢为振膜材料。装配系统组件，最终搭建了声波作用下的室内岩芯测试系统，并开展了声波作用下岩芯渗透性能测试，渗透压变化明显。