深水鉆井隔水管外多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測方法

尹邦堂，林英松，王志遠(yuǎn)，孫寶江，劉書杰，孫金聲，侯健，任美鵬，王寧

（1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580；2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

深水鉆井過程多鉆遇異常高壓地層，氣侵易發(fā)，甚至誘發(fā)嚴(yán)重井噴，如2011年美國深水地平線鉆井平臺井噴[1]，不僅造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡，還對生態(tài)環(huán)境造成了惡劣影響。氣侵早期監(jiān)測是井控技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，越早監(jiān)測到氣侵，侵入氣體體積膨脹越少，井底壓力變化越小，成功井控的概率越大。

目前，常用的氣侵早期監(jiān)測方法主要有3大類：平臺監(jiān)測法、海水段監(jiān)測法和井下隨鉆監(jiān)測法[2-3]。平臺監(jiān)測法操作簡單方便，但精度和準(zhǔn)確性較低，監(jiān)測時(shí)間嚴(yán)重滯后于發(fā)生時(shí)間；井下隨鉆監(jiān)測法彌補(bǔ)了常規(guī)氣侵監(jiān)測法結(jié)果失真和滯后的問題，但該方法信號在傳播過程中會發(fā)生衰減甚至消失，同時(shí)服務(wù)成本高，不適用于高溫、高壓條件；海水段監(jiān)測法主要包括聲波監(jiān)測法等，能及時(shí)監(jiān)測到氣侵，但平臺的起伏運(yùn)動會對監(jiān)測設(shè)備造成干擾，特征信號識別較困難。由于深水鉆井會有500～3 000 m的隔水管暴露在海水中[4]，相對于在井下使用昂貴的測量儀器，在隔水管外進(jìn)行監(jiān)測更加安全和高效。

多普勒超聲波技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療成像[5-6]、無損檢測[7-8]、流量測量[9-10]等領(lǐng)域，具有與測量流體不接觸、成本低、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。Nguyen等[10]建立了一種基于超聲波傳播速度剖面的綜合測量泡狀流流速及含氣率的方法。Abbagoni等[11]利用超聲波傳感器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兩相流流型的識別。隋秀香、耿亞楠、李軼明等前期進(jìn)行了部分超聲波多普勒氣侵監(jiān)測實(shí)驗(yàn)研究[12-14]，發(fā)現(xiàn)侵入氣體會使多普勒超聲波發(fā)生衰減，因?qū)嶒?yàn)裝置及方法的局限性、信號處理方法等問題，僅對含氣率與多普勒信號的關(guān)系進(jìn)行了定性描述，并沒有找到它們之間的定量表征關(guān)系，且不適用于停鉆不循環(huán)工況，也未考慮鉆井液黏度的影響。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，首先基于氣液多相流理論，驗(yàn)證了在泥線以上、隔水管外進(jìn)行氣侵早期監(jiān)測的可行性；然后根據(jù)多普勒超聲波的傳播特征，研發(fā)了氣侵早期監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行了多普勒在氣、清水（蔗糖溶液）兩相流中的傳播實(shí)驗(yàn)，對信號進(jìn)行了時(shí)域和頻域分析，得到了多普勒信號與含氣率的定量表征關(guān)系，驗(yàn)證了隔水管外多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測方法的合理性和準(zhǔn)確性。

1 隔水管外氣侵早期監(jiān)測合理性分析

氣侵發(fā)生后，井筒環(huán)空中出現(xiàn)鉆井液、巖屑、侵入氣等多相流動。目前已有較多學(xué)者針對該過程進(jìn)行了研究[15-17]，Sun等[17]考慮了氣體的溶解與相變，建立了多組分多相流動模型，并對流型轉(zhuǎn)化進(jìn)行了詳細(xì)描述，結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合較好。因此，采用該模型進(jìn)行氣侵模擬。以南海某深水井為例，水深1 500 m，井深3 500 m，泵排量30 L/s，鉆井液密度1.2 g/cm3，地層壓力33 MPa，地層溫度105 ℃。當(dāng)初始含氣率為1%、3%、5%時(shí)，預(yù)測的含氣率隨井深變化曲線如圖1所示、鉆井液池鉆井液增量（簡稱鉆井液池增量）隨氣侵時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖1 含氣率隨井深變化曲線

圖2 鉆井液池增量隨氣侵時(shí)間變化曲線

由圖1可知當(dāng)井深小于500 m時(shí)，含氣率急劇增加，這時(shí)監(jiān)測到氣侵已難以控制，易導(dǎo)致井噴失控。由模擬結(jié)果及圖2可知3種含氣率條件下侵入氣從井底到達(dá)海平面的時(shí)間分別是2 304.93，2 259.46，2 214.24 s。常規(guī)溢流監(jiān)測方法中，鉆井液池增量超過1 m3則報(bào)警。然而當(dāng)含氣率為1%時(shí)，侵入氣從井底到達(dá)海平面時(shí)鉆井液池增量總共不超過1 m3，該方法不適用。當(dāng)含氣率為3%時(shí)，侵入氣運(yùn)移至井深803 m處鉆井液池增量為1 m3，氣侵時(shí)間1 796.32 s，如果此時(shí)監(jiān)測到氣侵，處理時(shí)間剩余463.14 s；如果在泥線1 500 m處監(jiān)測到氣侵，鉆井液池增量為0.73 m3，氣侵時(shí)間為1 376.11 s，處理時(shí)間剩余883.35 s，比常規(guī)監(jiān)測方法提前420.21 s。因此，在隔水管外進(jìn)行氣侵監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)時(shí)間更早，可供處理時(shí)間更長，控制更安全。

2 氣侵早期監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建

2.1 多普勒超聲波氣侵監(jiān)測原理

如圖3所示，多普勒超聲波發(fā)射器作為固定聲源將超聲波發(fā)射到管路中，當(dāng)射入的超聲波在傳播過程中遇到與流體一起運(yùn)動的氣泡時(shí)會在其表面形成反射，接收器接收到的反射超聲波頻率與發(fā)射頻率之間存在差異，該頻率差為由流體中氣泡運(yùn)動而引起的多普勒頻移。單個(gè)反射波的多普勒頻移為：

因超聲波在流體中的傳播速度遠(yuǎn)大于流體流動速度，故ucosα可以省去，（1）式可以簡化為：

圖3 超聲波多普勒法測量原理圖

氣液兩相流體系中，氣泡是多普勒信號的反射體，氣泡的速度、體積和數(shù)量均為影響多普勒信號的主要因素；發(fā)生氣侵時(shí)，氣泡是一部分多普勒信號的反射源，使多普勒信號頻率發(fā)生變化。多普勒超聲波監(jiān)測法正是利用這種變化對隔水管內(nèi)部氣體含量進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)氣體侵入鉆井液中時(shí)，超聲波發(fā)射頻率和接收頻率之間存在頻率差，并且氣體含量不同頻率差也不同，從而可以對含氣率進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建

基于上述原理，構(gòu)建了溢流早期監(jiān)測模擬實(shí)驗(yàn)平臺（見圖4），主要包括主體循環(huán)管路、液體注入與排出系統(tǒng)，氣泡破碎裝置及信號檢測系統(tǒng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺裝置圖

該平臺可用來研究多普勒超聲波信號隨管內(nèi)流速、含氣率、液體性質(zhì)（如密度、黏度等）的變化規(guī)律，以及循環(huán)管內(nèi)流型隨含氣率的變化規(guī)律。

3 氣侵早期監(jiān)測方法

3.1 多普勒超聲波在清水-氣兩相流中的傳播實(shí)驗(yàn)

在停泵和開泵狀態(tài)下進(jìn)行清水條件下的多普勒超聲波傳播實(shí)驗(yàn)，利用時(shí)域分析和頻域分析[18]方法對獲得的多普勒信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1.1 多普勒超聲波時(shí)域信號分析

①停泵狀態(tài)下的時(shí)域信號分析：在循環(huán)管中注滿清水且在停泵狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，含氣率變化范圍為0～46%，共獲取22組不同含氣率條件下的電壓監(jiān)測信號。選取含氣率為2.4%和35.2%的信號數(shù)據(jù)，分別對0.1 s內(nèi)的10 000個(gè)點(diǎn)在不同電壓區(qū)間內(nèi)的信號出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)并作直方圖（見圖5）。可以看到電壓幅值主要出現(xiàn)在-1～1 V，隨含氣率增加，低幅值電壓區(qū)間（絕對值為0～1 V）的計(jì)數(shù)減小，高幅值電壓區(qū)間（絕對值為1～2 V）的計(jì)數(shù)增加，曲線形狀隨含氣率增加越來越扁平。

圖5 不同含氣率條件下各電壓區(qū)間信號計(jì)數(shù)

對固定含氣率條件下0.1 s內(nèi)的10 000個(gè)點(diǎn)取信號電壓絕對值的平均值，作其與含氣率的關(guān)系曲線（見圖6），可以看出，隨含氣率增加，信號電壓均值先上升后下降。當(dāng)含氣率小于22.5%時(shí)，因多重反射對信號電壓均值的增幅大于超聲波的衰減程度，導(dǎo)致信號電壓均值隨著含氣率的增加而增大；當(dāng)含氣率大于22.5%時(shí)，因氣相所占體積越來越大，超聲波的衰減程度大于多重反射的增幅作用，并且隨著含氣率增加這種趨勢會不斷加劇，導(dǎo)致信號電壓均值不斷減小。

圖6 停泵狀態(tài)下信號電壓均值隨含氣率的變化

擬合含氣率和信號電壓均值構(gòu)成的散點(diǎn)曲線，得到二項(xiàng)式形式的函數(shù)表達(dá)式：

據(jù)此公式，在已知信號電壓均值的情況下，可以定量反推對應(yīng)含氣率的近似值。

②開泵狀態(tài)下的時(shí)域信號分析：開泵進(jìn)行循環(huán)，管內(nèi)流速分別穩(wěn)定在0.40 m/s和0.65 m/s，逐漸增加管內(nèi)通氣量，模擬不同含氣率下多普勒信號的變化，每個(gè)流速下各取22組電壓監(jiān)測信號。信號電壓均值與含氣率的關(guān)系如圖7所示，信號變化與停泵時(shí)類似，隨著含氣率增加，信號電壓均值先增大后減小。

圖7 開泵狀態(tài)下信號電壓均值隨含氣率的變化

開泵時(shí)信號電壓均值比不開泵時(shí)大，但變化規(guī)律基本相同。信號電壓均值峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在含氣率為20%～25%，與停泵時(shí)峰值點(diǎn)含氣率22.5%接近。擬合0.40、0.65 m/s流速下含氣率和信號電壓均值構(gòu)成的散點(diǎn)曲線，得到二項(xiàng)式形式的函數(shù)表達(dá)式：

（3）式、（4）式和（5）式的對稱軸分別為22.5%，21.0%和20.2%?？梢钥吹?，3個(gè)擬合公式形式相同，因此可以采用同一個(gè)二次函數(shù)來表達(dá)：

該二次函數(shù)中，對稱軸為（21.85±1.65）%，a、b值與流速、信號電壓強(qiáng)度有關(guān)。（6）式可以定量反映信號電壓均值與含氣率之間的對應(yīng)關(guān)系。

3.1.2 多普勒超聲波頻域信號分析

①停泵狀態(tài)下的頻域信號分析：對采集到的停泵狀態(tài)下的22組信號數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉變換，得到相應(yīng)的幅度譜。由于幅值對應(yīng)的縱坐標(biāo)數(shù)值太小，不利于比較觀察，因此對幅值進(jìn)行對數(shù)變換，圖8為經(jīng)對數(shù)變換后的幅度譜變化曲線（含氣率為0）。為探究含氣率對多普勒頻移的影響，需要一個(gè)參照點(diǎn)，圖中18 000 Hz附近峰值點(diǎn)的橫坐標(biāo)是18 620 Hz，可取該區(qū)域的峰值點(diǎn)作為參照點(diǎn)，用于比較不同含氣率條件下與參照點(diǎn)對應(yīng)的頻率變化。含氣率為0時(shí)循環(huán)管內(nèi)只有清水一種介質(zhì)，超聲波在傳播過程中頻率變化不大，接收頻率與發(fā)射頻率的頻率差接近為0。當(dāng)循環(huán)管內(nèi)通入氣體，超聲波遇到氣泡將產(chǎn)生多普勒頻移。分析含氣率為2.4%時(shí)的幅度譜可發(fā)現(xiàn)，其主頻峰值點(diǎn)同樣出現(xiàn)在18 000 Hz附近，該峰值點(diǎn)對應(yīng)的頻率是18 630 Hz。與含氣率為0時(shí)對應(yīng)的頻率18 620 Hz相減，即為多普勒頻移量，為10 Hz。

圖8 含氣率為0時(shí)經(jīng)對數(shù)變換的幅度譜變化曲線

利用同種方法，對剩余20組不同含氣率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉變換和目標(biāo)區(qū)域峰值點(diǎn)查找后，得到了不同含氣率下的多普勒頻移量，結(jié)果如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著含氣率上升，多普勒頻移量增大，當(dāng)含氣率達(dá)到45%時(shí)，多普勒頻移量已經(jīng)達(dá)到150 Hz。

圖9 停泵狀態(tài)多普勒頻移量隨含氣率的變化曲線

擬合含氣率與多普勒頻移量構(gòu)成的散點(diǎn)曲線，得一次函數(shù)：

因此，也可以通過多普勒頻移量來定量描述停泵不循環(huán)工況下的含氣率變化。

②開泵狀態(tài)下的頻域信號分析：對先前采集到的開泵循環(huán)條件下的22組信號數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉變換和對數(shù)變換，得到相應(yīng)的幅度譜（見圖10）。與停泵狀態(tài)下相比，開泵狀態(tài)下的幅度值有了明顯增大，且流速為0.65 m/s時(shí)的幅度值總體比流速為0.40 m/s時(shí)的幅度值略高，這主要是因?yàn)楸玫呐帕咳Q于泵壓大小，泵壓越大，變頻器頻率越大，工作過程中產(chǎn)生的能量對幅度值的貢獻(xiàn)越大。分析流速為0.40，0.65 m/s時(shí)的幅度譜，發(fā)現(xiàn)兩種流速下，含氣率為0時(shí)的主頻相同，對應(yīng)的頻率均為16 000 Hz。

圖10 開泵與關(guān)泵狀態(tài)下的幅度譜對比（含氣率為0）

圖11為不同含氣率時(shí)的頻譜變化數(shù)據(jù)（含氣率分別為0，10%，20%，30%和40%；流速為0.65 m/s），可以看到5組幅度譜曲線的構(gòu)型基本相同，沒有發(fā)生主頻偏移現(xiàn)象，峰值點(diǎn)所對應(yīng)的頻率均為16 000 Hz，含氣率的變化對峰值點(diǎn)無影響。流速為0.40 m/s時(shí)也呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。說明在開泵狀態(tài)下，變頻器工作產(chǎn)生的聲能對幅度譜的貢獻(xiàn)程度超過了含氣率的影響。因此，無法通過該方法判斷是否發(fā)生氣侵。

圖11 溶液中含氣率對幅度譜的影響（流速為0.65 m/s）

3.2 多普勒超聲波在蔗糖-氣兩相流中的傳播實(shí)驗(yàn)

Harker等[19]研究發(fā)現(xiàn)多普勒超聲波的傳播主要受鉆井液黏度、固體顆粒等的影響。由于主體循環(huán)管下部氣泡破碎裝置的縫隙空間小，循環(huán)過程中固相顆粒極易堵塞裝置使實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行，因此無法模擬固相顆粒對多普勒超聲波傳播的影響。本實(shí)驗(yàn)通過增加蔗糖含量改變鉆井液密度，通過加入聚丙烯酰胺（PAM）改變鉆井液黏度，進(jìn)而模擬密度、黏度對聲波傳播的影響。

在蓄液池中配制密度為1.15 g/cm3的蔗糖溶液并進(jìn)行多普勒超聲波傳播實(shí)驗(yàn)，該組實(shí)驗(yàn)完畢，再將密度提高到1.22，1.30 g/cm3。采用布氏黏度計(jì)測試3種溶液的黏度，密度為1.15，1.22，1.30 g/cm3的蔗糖溶液黏度分別為2.5，3.6，4.8 mPa·s。

采用前述相同的時(shí)域、頻域信號分析方法對蔗糖溶液停泵、開泵條件下的多普勒超聲波信號進(jìn)行分析。

3.2.1 多普勒超聲波時(shí)域信號分析

①停泵狀態(tài)下的時(shí)域信號分析：分別在不同密度、含氣率（0～45%）條件下進(jìn)行了23組實(shí)驗(yàn)。繪制含氣率為20%時(shí)，4種密度溶液（清水及前述3種溶液）的信號電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系圖（見圖12），可以發(fā)現(xiàn)同一含氣率條件下，隨溶液密度增大，信號電壓幅值略微減小，說明隨溶液密度增大，超聲波傳播時(shí)的衰減略微增大，信號電壓幅值略微減小，可見溶液密度對信號的影響不大。

圖12 溶液密度對多普勒信號電壓的影響（含氣率20%）

選取密度為1.30 g/cm3的溶液，研究黏度對多普勒信號傳播的影響。向該溶液中加入PAM，使其黏度增加到35.46 mPa·s。原溶液中管內(nèi)氣泡體積很小，而加入PAM后管內(nèi)氣泡體積明顯增大（見圖13）。

圖13 加入PAM前后蔗糖溶液中氣泡大小對比（含氣率18%）

圖14 不同溶液信號電壓均值隨含氣率的變化

圖14為5種溶液的信號電壓均值與含氣率的關(guān)系曲線，可以看到隨含氣率增加，信號電壓均值均先上升后下降。未加PAM的4種溶液的信號電壓均值在幅值上相差很小，隨密度增大，信號電壓均值略微減小，且均在含氣率為20%～25%時(shí)出現(xiàn)最大值；加入PAM后，信號電壓均值發(fā)生明顯下降。當(dāng)含氣率小于20%時(shí)，由于受黏度影響，氣泡多以大氣泡形式向上運(yùn)動，單位體積內(nèi)氣泡數(shù)量減小，總氣液界面面積減少，超聲波在氣液界面處的多重反射作用減弱，因此信號電壓均值小于其他4種溶液；當(dāng)含氣率超過20%時(shí)，管內(nèi)氣泡增多、氣液界面面積增加，但衰減對信號電壓幅值的降幅作用大于多重反射的影響，且隨含氣率增大，超聲波衰減程度增大，信號電壓均值隨之減小。

擬合圖14中除清水外的信號電壓均值與含氣率的散點(diǎn)曲線可得溶液在不同密度條件下的關(guān)系式。

（8）式—（11）式的對稱軸值分別為21.6%，20.5%，20.9%和23.5%?？梢钥吹綌M合所得表達(dá)式均為二次函數(shù)形式，可綜合表示為（6）式的形式。

②開泵狀態(tài)下的時(shí)域信號分析：同樣采用密度為1.22，1.30 g/cm3的蔗糖溶液及密度為1.30 g/cm3、添加PAM的蔗糖溶液共3種溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到含氣率變化范圍為0～45%、液相流速分別為0，0.40，0.65 m/s時(shí)的信號電壓隨含氣率變化曲線（見圖15）。由圖可知，隨著流速增加，信號電壓均值整體增大；隨著含氣率增加，信號電壓均值先增大后減小，且3種流速下信號電壓均在含氣率為20%～25%時(shí)出現(xiàn)最大值；無氣和含氣率超過40%時(shí)，信號電壓均值都很?。惶砑恿薖AM的蔗糖溶液因?yàn)轲ざ仍龃?，在不同流速下的信號電壓均值與純蔗糖溶液相比都有一定程度的減小，且上升與下降的趨勢變緩。

圖15 不同密度蔗糖溶液信號電壓均值隨含氣率的變化

擬合密度為1.30 g/cm3的兩種溶液在不同流速條件下的信號電壓均值與含氣率的散點(diǎn)曲線（見圖16），可以看到曲線形態(tài)與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，擬合所得表達(dá)式均為二次函數(shù)形式，可綜合表示為（6）式的形式。同樣密度為1.22 g/cm3的溶液信號電壓均值與含氣率的關(guān)系擬合曲線的函數(shù)式也可用（6）式表示，說明蔗糖溶液中的氣侵情況也可通過時(shí)域分析方法進(jìn)行定量表征。

圖16 不同密度、流速下蔗糖溶液信號電壓均值與含氣率擬合曲線

3.2.2 多普勒超聲波頻域信號分析

①停泵狀態(tài)下的頻域信號分析：在頻域信號分析方法的基礎(chǔ)上，查找含氣率為0時(shí)，密度為1.00，1.15，1.22，1.30 g/cm3的溶液及密度為1.30 g/cm3、添加PAM的溶液共5種溶液的幅度譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到對應(yīng)的5個(gè)主頻頻率分別為17 938，17 928，18 058，18 048，18 018 Hz，可以看到5種溶液的主頻頻率相差不大。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)不同含氣率條件下的多普勒頻移量，得到多普勒頻移量隨含氣率的變化關(guān)系曲線（見圖17）。圖中顯示多普勒頻移量隨著含氣率的增大而增大，未加PAM的溶液多普勒頻移量曲線大部分重合在一起，基本呈相同的線性關(guān)系；而加入PAM溶液的多普勒頻移量曲線上升趨勢變緩，幅值在相同含氣率下明顯下降，但依然基本呈線性關(guān)系。因此，蔗糖溶液停泵狀態(tài)下同樣可以用頻域信號分析的方法對含氣率進(jìn)行定量表征。

圖17 蔗糖溶液多普勒頻移量與含氣率擬合曲線

②開泵狀態(tài)下的頻域信號分析：圖18為流速0.65 m/s，含氣率為0時(shí)，5種溶液的幅度譜與信號頻率的關(guān)系曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，5條幅度譜曲線構(gòu)型基本相同，僅在幅值上有細(xì)微差別，且均在15 000 Hz附近存在主頻，經(jīng)查找實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主頻頻率均為16 000 Hz，且含氣率對多普勒頻移基本無影響。當(dāng)流速為0.4 m/s時(shí)，所得結(jié)果基本與此相同。這說明開泵狀態(tài)下，溶液性質(zhì)改變不會對主頻頻率產(chǎn)生影響；與停泵狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比可知，變頻器工作產(chǎn)生的聲能對幅度譜幅度值的貢獻(xiàn)程度超過了含氣率的影響，主頻頻率不再隨含氣率的增大而產(chǎn)生偏移。因此，蔗糖溶液開泵條件下，不能通過頻域信號分析方法進(jìn)行含氣率的定量表征。

圖18 溶液密度（黏度）對幅度譜的影響（含氣率為0）

基于上述分析，可以將隔水管外多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測方法歸納為：①在隔水管外沿程安裝多普勒發(fā)射及接收模塊，由發(fā)射模塊發(fā)出多普勒超聲波信號，經(jīng)隔水管壁穿透到鉆井液中，由接收模塊接收信號；②平臺上的信號采集及分析系統(tǒng)對接收到的信號進(jìn)行初步分析，如果與發(fā)出信號波形一致，則無氣侵發(fā)生，如果信號波形發(fā)生變化，則進(jìn)行時(shí)域、頻域信號分析；③根據(jù)時(shí)域、頻域分析法建立的多普勒信號與含氣率的關(guān)系式，定量求出含氣率的值，從而指導(dǎo)下一步的壓井作業(yè)。

4 結(jié)論

無論開泵循環(huán)或停泵，深水鉆井隔水管外多普勒超聲波信號電壓均值均隨著含氣率上升先上升后下降，并與含氣率具有二次函數(shù)關(guān)系，采用監(jiān)測信號電壓均值可定量反推對應(yīng)含氣率的近似值；多普勒超聲波信號在黏度較大的溶液中幅值明顯減小且變化趨勢變緩，黏度的影響遠(yuǎn)大于密度。

停泵狀態(tài)下多普勒頻移量隨含氣率的增大而增大，二者基本呈線性關(guān)系，采用監(jiān)測多普勒頻移量可定量描述含氣率的變化；開泵循環(huán)狀態(tài)下變頻器產(chǎn)生的聲能對幅度譜的影響超過了含氣率，頻域信號分析不能判斷是否發(fā)生氣侵。

隔水管外多普勒超聲波法氣侵早期監(jiān)測為非接觸式測量手段，不直接接觸流體、不受鉆井工況影響，可根據(jù)多普勒超聲波信號的變化對含氣率進(jìn)行定量表征，實(shí)現(xiàn)深水鉆井氣侵的早期監(jiān)測。

符號注釋：

a，b——擬合常數(shù)；c——超聲波在流體中的傳播速度，m；f1——發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波頻率，Hz；f2——流體中氣泡接收到的超聲波頻率，Hz；f3——接收傳感器接收到的超聲波頻率，Hz；Hg——含氣率，%；u——流體流動速度，m/s；U——多普勒超聲波信號電壓均值，V；α——超聲波入射角度，（°）；Δf——多普勒頻移量，Hz。