超声波在井下混合介质中传播特性的研究

摘要

近年国家对于石油的需求日益增加，这就意味着对大庆油田等中国大型油田的地下开采工作也变的日益繁重，但是由于地层滑移等因素，常常造成井下向上运输原油的套管错断，导致油井无法继续工作，影响产量。所以修补套管一直是一个热门研究方向。断掉的套管下部在地下1000米左右，常见方法无法检测其方位，本文采用防干扰、造价低的超声设备进行检测，而测距需要声波速度与回波幅值的大小，理想状况是得到的回波幅值越大越好，即幅值衰减系数越小越好，这样有利于准确读数，同时准确的声速也便于数据处理。但是声波传播速度、幅值衰减系数均与传播介质特性有关，所以需要针对井下混合介质提出具有针对性的声速、幅值衰减的理论预测模型。
　　目前传统的混合介质衰减模型，并未考虑悬浮粒子粒径的变化对衰减作用的影响，且适用环境也是常温常压，然而本文研究对象所处环境为井下高温高压环境，温度和压力的变化可能对衰减作用产生影响，所以传统衰减预测模型对井下混合介质并不适用。于是本文在考虑环境温度、压力，悬浮油滴粒径的大小所带来的影响的基础上，对超声波在井下混合介质中的传播特性进行了分析，并进行了实验验证。
　　对井下混合介质的物理特性进行了分析，主要包括其物理形态、从井上到井下环境的变化对其物理形态的影响，并对其相关物理特性参数求解，利用仪器对配制的井下混合介质进行了观测实验。另外仿真分析了声波频率与振幅对声场分布均匀性的影响。根据井下混合介质的实际物理状态，进行了声速特性分析，建立了准确的声速模型。
　　对声波在井下混合介质中的衰减特性进行了理论分析，包括原油油滴引起的粘滞衰减、热波衰减及多次散射衰减，另外还有CH4气泡在混合介质中引起的吸收衰减。考虑井下环境的高温高压因素，悬浮油滴、CH4气泡的粒径变化，检测声波频率的影响，建立了具有针对性的衰减数学模型，并与传统模型进行了比较分析。
　　设计了一套可以模拟井下高温高压环境的实验系统，并进行了实验，记录了在不同压力、温度、油滴粒径、浓度等条件下的声速与回波衰减幅值，并与利用本文新建模型计算得到的声速与回波衰减预测值进行了比较，结果表明：本文模型计算数据与实测值误差小于5％，曲线拟合度较好，变化趋势相同。

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第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2课题的研究目的及意义

1.3超声波传播特性国内外研究现状

1.4本文主要的研究内容

第2章 超声波在井下混合介质中声速特性分析

2.1井下混合介质物理特性分析

2.2井下混合介质中悬浮粒子粒径观测实验

2.3基于ANSYS的超声波声场分布均匀性分析

2.4超声波在井下混合介质中声速数学模型建立

2.5本章小结

第3章 超声波在井下混合介质中衰减特性分析

3.1传统两相悬浮液衰减模型

3.2混合介质中油滴吸收衰减特性分析

3.3混合介质中CH4气泡吸收衰减特性分析

3.4混合介质中油滴变向散射衰减特性分析

3.5本章小结

第4章 超声波在井下混合介质中的传播特性实验

4.1实验系统的设计

4.2不同条件对井下混合介质中声速特性的影响实验

4.3井下环境温度和压力对超声衰减特性的影响实验

4.4油滴粒径和原油浓度对超声衰减特性的影响实验

4.5两相悬浮粒子浓度比对超声波传播特性的影响实验

4.6实验误差原因分析

4.7本章小结

结论

参考文献

声明

致谢