COMSOL在動液面聲波反射特性研究中的應用

王軻 劉彥萍 田豆 王鵬飛 任垚煜

摘 ?要： 在油氣井開采過程中，地層的供液能力制約產量和綜合效率的最大化。動液面不僅是反映地層供液能力的一個重要指標，而且是油田確定合理沉沒度、制定合理工作制度的重要依據。為了分析動液面聲波反射特性，選取COMSOL多物理場有限元軟件中的壓力聲學瞬態模塊，對聲波穿過不同截面積油管、同時存在節箍、射孔和動液面時的聲波傳播特性進行仿真，通過仿真軟件COMSOL計算，得到動液面瞬態反射形態。仿真結果顯示，接箍反射信號先正（上升）后負（下降），而射孔反射信號卻完全相反，先負后正，動液面反射信號與發射同極性。該研究結果可為實際動液面檢測儀接收信號特性分析、聲速和液面計算提供理論依據。

關鍵詞： 動液面; 數值模擬; 聲波反射; 接箍; 射孔

中圖分類號：TE319 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2019）10-57-04

Abstract： In the process of oil and gas well exploitation， the liquid supply capacity of the formation limits the maximum yield and overall efficiency. The hydrodynamic surface is not only an important indicator to reflect the liquid supply capacity of the formation， but also an important basis for determining the reasonable degree of submergence and formulating a reasonable working system. In order to analyze the acoustic reflection characteristics of the hydrodynamic surface， the pressure acoustic transient module in COMSOL multi-physics finite element software is selected to analyze the acoustic wave propagation characteristics of sound waves passing through different cross-sectional area tubing and the existence of hoop， perforation and hydrodynamic surface. The simulation was carried out and calculated by the simulation software COMSOL to obtain the transient reflection form of the moving liquid surface. The simulation results show that the coupling reflection signal is positive （rise） and then negative （falling）， while the perforation reflection signal is completely opposite， first negative and then positive， and the dynamic liquid surface reflection signal is emitted with the same polarity. The research results can provide a theoretical basis for the analysis of the received signal characteristics， sound velocity and liquid level calculation of the actual dynamic liquid level detector.

Key words： dynamic fluid interface; numerical simulation; acoustic wave reflection; coupling; perforation

0 引言

動液面是抽油井在正常生產時，油管和套管環形空間的一個液面。在油氣井開采過程中，地層的供液能力制約著產量和綜合效率的最大化。動液面不僅是反映地層供液能力的一個重要指標[1]，而且是油田確定合理沉沒度的重要依據。在動液面測量中，有兩個關鍵問題：一是聲速的準確確定，二是正確識別液面回波位置（到達時刻）。關于聲速的準確確定，目前主要有基于AMDF計算抽油井套管環隙內聲速的方法（周家新等）[2]、人工神經網絡方法（吳新杰等）[3]和基于短時ACF的套管環隙內聲速計算方法（周家新等）[4];短時自相關函數處理的方法（汪建新等）[5]。關于液面回波位置的識別，目前主要有采用低通橢圓濾波器濾波方法（張朝暉等）[6];分型模糊控制濾波方法（吳新杰等）[7];基于譜減算法（王海文等）[8]。以上方法取得了一定的進步，能較好的對信號進行濾波辨識出液面波，但是其中基于AMDF算法的聲速并不是很平滑地變化，幀的選取不同對結果影響很大，譜減算法中的過減系數和譜減系數的取值也會產生影響，最終可能導致計算時產生更大的誤差，準確性反而下降。為了準確地給接箍波和液面波定位，需要在反射聲波中識別出接箍波和液面波[9]。針對這一問題，本文應用COMSOL軟件三維數值計算研究井下動液面聲波反射特性，為實際動液面檢測儀接收信號特性分析、聲速和動液面計算提供理論依據。

1 油氣井聲波反射理論

圖1為油氣井動液面測量物理模型。油氣井由套管和接箍連接的油管組成。動液面測量儀器安裝在井口，儀器產生的脈沖聲源經套管和油管之間的環空傳播到動液面，聲波接收傳感器以一定的采樣率采集環空、動液面和油井周圍的聲波反射信號。由于油管長度是固定的，通過測量接箍周期反射信號時間，可確定聲波在環空中的傳播速度，速度乘以動液面單程反射時間等于動液面深度，這就是動液面測量基本原理，核心是確定動液面位置和計算聲速。下面分析油氣井中的聲波傳播基本理論。

1.1 動液面聲波信號反射原理

3 仿真結果

⑴ 仿真聲波穿過不同截面積油管的反射特性。分兩種情形。情形一：套管面積不變，油管橫截面積由大變小。情形二：套管面積不變，油管橫截面積由小變大。數值計算結果如圖2所示。圖2表明：當套管截面不變，油管橫截面積由小變大時，交界面處反射信號形態與入射信號一致，即兩者同極性（圖2a）。這是因為此時環空面積由大到小，由式⑸知反射系數大于0，即反射與入射同相。反之，橫截面積由大變小時，環空面積由小到大，反射系數小于0，因此界面產生負反射聲波信號，與入射信號極性反向（圖2b）。

⑵ 仿真同時存在節箍、射孔和動液面時的聲波傳播特性。數值計算結果如圖3所示。圖3表明：接箍反射信號先正（上升）后負（下降），而射孔反射信號卻完全相反，先負后正，動液面反射信號與發射同極性。可用圖2解釋圖3中的現象。聲波到達接箍時，相當于截面積由大到小，反射信號極性與入射相同，是正信號;當聲波信號離開接箍下界面時，截面積由小到大，反射信號極性與入射相反，是負信號。聲波經過射孔時，面積從小到大，然后再從大到小，與接箍相反，兩者尺寸接近，因而反射信號剛好相反。

在動液面交界面上，聲波從波阻抗小的空氣入射到波阻抗很大的油氣界面，由式⑴知，聲波近似發生全反射，極性與發射信號相同。

4 結論

⑴ 數值模擬驗證脈沖壓力聲波在環形空間傳播時，在突然變大和突然變小界面反射波極性相反的基本規律。

⑵ 同時存在接箍、射孔和動液面時的脈沖聲源傳播特性模擬揭示接箍、射孔和動液面的反射機理，為實際動液面檢測儀接收信號特性分析、聲速和液面計算提供理論依據。

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