基于COMSOL的钻井液面声波反射特性的研究_苗旺.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第2期在钻井过程中，钻井液通过地面循环与井下循环，及时地把钻屑带到地面上来，从而保证钻井过程的连续进行，并保障各项安全。因此，动液面的监测对于钻井生产和安全影响巨大。在动液面监测中，有两个关键问题，一是准确识别反射声波信号，二是精准检测动态液位深度。关于反射声波信号的识别，目前主要有通过确定带通滤波回波信号的窗口的步长以及窗长，查找到动液面的位置的突变峰值，并且通过动液面位置的采样点获取动液面位置的采样时间的方法1，利用数字信号处理DSP中的傅里叶变换方法2，基于短时自相关函数利用低频声波测量动液面深度的方法3。关于精准检测动态液位深度，目前主要有使用智能杆泵控制器进行自动试井和PIP计算控制器的方法4，动态环境下基于电容传感器的液位测量使用神经网络的方法5。以上方法取得了一定的进步，能较好地对信号进行滤波辨识出液面波，但其中利用数字信号处理DSP中的傅里叶变换方法，在滤波时候产生了一定的时间延迟，且稳定性难以控制，最终可能计算产生更大的误差，准确性反而下降。为了准确地给液面波定位，需要在反射声波中识别出液面波。针对这一问题，本文应用COMSOL软件三维数值计算研究井下动液面声波反射特性，为实际动液面检测仪接收信号特性分析和动液面计算提供理论依据。1钻井过程中的声波反射理论图1为钻井动液面液位测量物理模型。该模型由钻杆和套管与钻杆的环空组成。动液面测量仪器安装在井口，仪器产生的脉冲声源经水眼传播到动液面，声波接收传感器以一定的采样率采集水眼和周围的声波反射信号。由于钻杆长度是固定的，且声波在井眼中的传播速度已知，速度乘以动液面单程反射时间等于动液面深度，这就是动液面测量基本原理，核心是确定动液面位置。下面分析钻井过程中的声波传播基本理论。图1钻井动液面液位测量示意图动液面声波信号反射相当于声波信号垂直入射到两种不同阻抗的交界面，如图1，声波信号射入水眼，此时，声压和声速反射和透射定律6为：rm=X2-X1X2+X1（1）rn=X1-X2X1+X2（2）基于 COMSOL 的钻井液面声波反射特性的研究苗旺（西安石油大学电子工程学院，陕西 西安710065）Study on Reflection Characteristics of COMSOLon Drilling Fluid Surface Acoustic Wave摘要：在钻井过程中，钻井液通过地面循环与井下循环，及时地把钻屑带到地面上来，从而保证钻井过程的连续进行，并保障各项安全。若未及时检测到井下泥浆状况，将会发生井漏或井涌甚至井喷事故，造成财产和和人员损失。因此，预警和实时监测泥浆变化情况，对了解和监控溢流井涌等异常工况，对井控安全十分重要。基于声波的液位检测的基本理论，选取COMSOL多物理场有限元软件中的压力声学瞬态模块，构建钻井作业时泥浆循环过程的三维模型，通过监测泥浆的液面变化情况，研究声波在井下传播时的产生的回波信号的机理和特征，为信号自适应识别液位计算液面深度提供理论依据，为设计测量仪器提供支撑依据。关键词：动液面；数值模拟；声波反射Abstract:In the drilling process,the drilling fluid carries the drilling cuttings to the ground in a timely manner throughthe ground circulation and downhole circulation,so as to ensure the continuous drilling process and the safety.If the down-hole mud condition is not detected in time,well leakage or well kick or even blowout accidents will occur,resulting in prop-erty and personnel losses.Therefore,early warning and real-time monitoring of mud change is vital to understand andmonitor abnormal conditions such as overflow well surge and well control safety.In this paper,based on the basic theoryof acoustic liquid level detection,the pressure acoustic transient module in COMSOL multi-physics finite element software isselected to construct a three-dimensional model of mud circulation process during drilling operation.By monitoring the liq-uid level change of mud,the mechanism and characteristics of echo signal generated by acoustic wave propagation in theunderground are studied,providing theoretical basis for signal adaptive recognition of liquid level calculation depth and sup-port for the design of measuring instruments.Keywords:dynamic liquid surface,numerical simulation,reflection of sound wave117基于COMSOL的钻井液面声波反射特性的研究tm=2X2X1+X2（3）tn=2X1X1+X2（4）式（1）和（2）中，rm（rn）和tp（tv）分别是声压（声速）反射和透射系数，X1和X2分别是媒质1（空气）和媒质2（泥浆）的声阻抗。X1=1c1，X2=2c2，和c分别是媒质（空气、泥浆）的密度和声速。式（1）和式（2）表明以下两点：1）实际油气井中，泥浆的声速远大于空气的声速，因此X2X1，代入式（1）至式（4）得1、-1、2和0，这说明分界面上声速发生全反射，声压以静压方式继续传播。2）当声波穿过泥浆液面到空气中时，X2X1，声压反射系数大于0，而速度反射系数小于零。反之，由空气到泥浆液面时，X1X2，负声压，反射波声压与入射波的声压极性相反，而声速大于0。2仿真结果钻井所用长度为100 m，模拟声音穿过液面深度分别为15 m、35 m、50 m、70 m、90 m时的声波信号。泥浆密度rho=1.29 kg/m3，声速为343 m/s，信源用高斯脉冲单极点源，该幅值大小B=100 m3/s，频带宽度f1=100 Hz，脉冲峰值时间为t1=0.01 s，模型建立好分别计算声波穿过不同长度液面深度的响应曲线。如图，灰色图线为点源处的声波信号，黑色图线为液面处的声波信号。图2中流体参数、压力及井深固定不变，随着空气柱深度增加，即对应液位高度减小，对反射信号的幅度变化无影响，即液位或浅或深，发射波幅度变化不大。同理，空气与流体的交界面处的幅度也不受液位变化影响，且由图中信息获悉交界面处发生了全反射，验证了动液面声波信号反射原理。3结束语数值模拟验证脉冲压力声波在水眼传播时，在不同液位深度传播时反射波幅度变化的基本规律。在交界面处发生全反射，为实际动液面检测仪接收信号特性分析、液面计算提供理论依据。参考文献1仵杰，张乃禄，颜瑾.一种油井动液面识别方法CN108252708AP.2018-07-062任建，王平，于天津.抽油井动液面回音信号的声速提取方法J.工业仪表与自动化装置，2008（5）：63-653刘迎新，杨亦春，韩宝坤，等.低频声波油井液面检测方法研究J.应用声学2015，34（1）：24-314F I A MOHAMED,N S NAEL.Automatic Well Testing andPIPCalculationsUsingSmartRodPumpControllers C/North Africa Technical Conference and Exhibition,Cairo,E-gypt,2012:20-225TERZIC E,NAGARAJAH C R,ALAMGIR M.Capacitive Sen-sor-Based Fluid Level Measurement in a Dynamic Environ-ment Using Neural Network J.Engineering Applications ofArtificial Intelligence,2010,23(4):614-6196杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础M.南京：南京大学出版社，2012收稿日期：2022-08-08图2不同长度空气柱的声波响应曲线118