COMSOL在動(dòng)液面聲波反射特性研究中的應(yīng)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(chǎn)量和綜合效率的最大化。動(dòng)液面不僅是反映地層供液能力的一個(gè)重要指標(biāo)，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(jù)。為了分析動(dòng)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(xué)瞬態(tài)模塊，對(duì)聲波穿過不同截面積油管、同時(shí)存在節(jié)箍、射孔和動(dòng)液面時(shí)的聲波傳播特性進(jìn)行仿真，通過仿真軟件COMSOL計(jì)算，得到動(dòng)液面瞬態(tài)反射形態(tài)。仿真結(jié)果顯示，接箍反射信號(hào)先正（上升）后負(fù)（下降），而射孔反射信號(hào)卻完全相反，先負(fù)后正，動(dòng)液面反射信號(hào)與發(fā)射同極性。該研究結(jié)果可為實(shí)際動(dòng)液面檢測儀接收信號(hào)特性分析、聲速和液面計(jì)算提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 動(dòng)液面; 數(shù)值模擬; 聲波反射; 接箍; 射孔

中圖分類號(hào)：TE319 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(dòng)液面是抽油井在正常生產(chǎn)時(shí)，油管和套管環(huán)形空間的一個(gè)液面。在油氣井開采過程中，地層的供液能力制約著產(chǎn)量和綜合效率的最大化。動(dòng)液面不僅是反映地層供液能力的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，而且是油田確定合理沉沒度的重要依據(jù)。在動(dòng)液面測量中，有兩個(gè)關(guān)鍵問題：一是聲速的準(zhǔn)確確定，二是正確識(shí)別液面回波位置（到達(dá)時(shí)刻）。關(guān)于聲速的準(zhǔn)確確定，目前主要有基于AMDF計(jì)算抽油井套管環(huán)隙內(nèi)聲速的方法（周家新等）[2]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法（吳新杰等）[3]和基于短時(shí)ACF的套管環(huán)隙內(nèi)聲速計(jì)算方法（周家新等）[4];短時(shí)自相關(guān)函數(shù)處理的方法（汪建新等）[5]。關(guān)于液面回波位置的識(shí)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(jìn)步，能較好的對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波辨識(shí)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(duì)結(jié)果影響很大，譜減算法中的過減系數(shù)和譜減系數(shù)的取值也會(huì)產(chǎn)生影響，最終可能導(dǎo)致計(jì)算時(shí)產(chǎn)生更大的誤差，準(zhǔn)確性反而下降。為了準(zhǔn)確地給接箍波和液面波定位，需要在反射聲波中識(shí)別出接箍波和液面波[9]。針對(duì)這一問題，本文應(yīng)用COMSOL軟件三維數(shù)值計(jì)算研究井下動(dòng)液面聲波反射特性，為實(shí)際動(dòng)液面檢測儀接收信號(hào)特性分析、聲速和動(dòng)液面計(jì)算提供理論依據(jù)。

1 油氣井聲波反射理論

圖1為油氣井動(dòng)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(dòng)液面測量儀器安裝在井口，儀器產(chǎn)生的脈沖聲源經(jīng)套管和油管之間的環(huán)空傳播到動(dòng)液面，聲波接收傳感器以一定的采樣率采集環(huán)空、動(dòng)液面和油井周圍的聲波反射信號(hào)。由于油管長度是固定的，通過測量接箍周期反射信號(hào)時(shí)間，可確定聲波在環(huán)空中的傳播速度，速度乘以動(dòng)液面單程反射時(shí)間等于動(dòng)液面深度，這就是動(dòng)液面測量基本原理，核心是確定動(dòng)液面位置和計(jì)算聲速。下面分析油氣井中的聲波傳播基本理論。

1.1 動(dòng)液面聲波信號(hào)反射原理

3 仿真結(jié)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(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖2所示。圖2表明：當(dāng)套管截面不變，油管橫截面積由小變大時(shí)，交界面處反射信號(hào)形態(tài)與入射信號(hào)一致，即兩者同極性（圖2a）。這是因?yàn)榇藭r(shí)環(huán)空面積由大到小，由式⑸知反射系數(shù)大于0，即反射與入射同相。反之，橫截面積由大變小時(shí)，環(huán)空面積由小到大，反射系數(shù)小于0，因此界面產(chǎn)生負(fù)反射聲波信號(hào)，與入射信號(hào)極性反向（圖2b）。

⑵ 仿真同時(shí)存在節(jié)箍、射孔和動(dòng)液面時(shí)的聲波傳播特性。數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖3表明：接箍反射信號(hào)先正（上升）后負(fù)（下降），而射孔反射信號(hào)卻完全相反，先負(fù)后正，動(dòng)液面反射信號(hào)與發(fā)射同極性?？捎脠D2解釋圖3中的現(xiàn)象。聲波到達(dá)接箍時(shí)，相當(dāng)于截面積由大到小，反射信號(hào)極性與入射相同，是正信號(hào);當(dāng)聲波信號(hào)離開接箍下界面時(shí)，截面積由小到大，反射信號(hào)極性與入射相反，是負(fù)信號(hào)。聲波經(jīng)過射孔時(shí)，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(hào)剛好相反。

在動(dòng)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(fā)生全反射，極性與發(fā)射信號(hào)相同。

4 結(jié)論

⑴ 數(shù)值模擬驗(yàn)證脈沖壓力聲波在環(huán)形空間傳播時(shí)，在突然變大和突然變小界面反射波極性相反的基本規(guī)律。

⑵ 同時(shí)存在接箍、射孔和動(dòng)液面時(shí)的脈沖聲源傳播特性模擬揭示接箍、射孔和動(dòng)液面的反射機(jī)理，為實(shí)際動(dòng)液面檢測儀接收信號(hào)特性分析、聲速和液面計(jì)算提供理論依據(jù)。

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