COMSOL在动液面声波反射特性研究中的应用

王轲 刘彦萍 田豆 王鹏飞 任垚煜

摘  要： 在油气井开采过程中，地层的供液能力制约产量和综合效率的最大化。动液面不仅是反映地层供液能力的一个重要指标，而且是油田确定合理沉没度、制定合理工作制度的重要依据。为了分析动液面声波反射特性，选取COMSOL多物理场有限元软件中的压力声学瞬态模块，对声波穿过不同截面积油管、同时存在节箍、射孔和动液面时的声波传播特性进行仿真，通过仿真软件COMSOL计算，得到动液面瞬态反射形态。仿真结果显示，接箍反射信号先正（上升）后负（下降），而射孔反射信号却完全相反，先负后正，动液面反射信号与发射同极性。该研究结果可为实际动液面检测仪接收信号特性分析、声速和液面计算提供理论依据。

关键词： 动液面; 数值模拟; 声波反射; 接箍; 射孔

中图分类号：TE319          文献标志码：A     文章编号：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产时，油管和套管环形空间的一个液面。在油气井开采过程中，地层的供液能力制约着产量和综合效率的最大化。动液面不仅是反映地层供液能力的一个重要指标[1]，而且是油田确定合理沉没度的重要依据。在动液面测量中，有两个关键问题：一是声速的准确确定，二是正确识别液面回波位置（到达时刻）。关于声速的准确确定，目前主要有基于AMDF计算抽油井套管环隙内声速的方法（周家新等）[2]、人工神经网络方法（吴新杰等）[3]和基于短时ACF的套管环隙内声速计算方法（周家新等）[4];短时自相关函数处理的方法（汪建新等）[5]。关于液面回波位置的识别，目前主要有采用低通椭圆滤波器滤波方法（张朝晖等）[6];分型模糊控制滤波方法（吴新杰等）[7];基于谱减算法（王海文等）[8]。以上方法取得了一定的进步，能较好的对信号进行滤波辨识出液面波，但是其中基于AMDF算法的声速并不是很平滑地变化，帧的选取不同对结果影响很大，谱减算法中的过减系数和谱减系数的取值也会产生影响，最终可能导致计算时产生更大的误差，准确性反而下降。为了准确地给接箍波和液面波定位，需要在反射声波中识别出接箍波和液面波[9]。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、声速和动液面计算提供理论依据。

1 油气井声波反射理论

图1为油气井动液面测量物理模型。油气井由套管和接箍连接的油管组成。动液面测量仪器安装在井口，仪器产生的脉冲声源经套管和油管之间的环空传播到动液面，声波接收传感器以一定的采样率采集环空、动液面和油井周围的声波反射信号。由于油管长度是固定的，通过测量接箍周期反射信号时间，可确定声波在环空中的传播速度，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和计算声速。下面分析油气井中的声波传播基本理论。

1.1 动液面声波信号反射原理

3 仿真结果

⑴ 仿真声波穿过不同截面积油管的反射特性。分两种情形。情形一：套管面积不变，油管横截面积由大变小。情形二：套管面积不变，油管横截面积由小变大。数值计算结果如图2所示。图2表明：当套管截面不变，油管横截面积由小变大时，交界面处反射信号形态与入射信号一致，即两者同极性（图2a）。这是因为此时环空面积由大到小，由式⑸知反射系数大于0，即反射与入射同相。反之，横截面积由大变小时，环空面积由小到大，反射系数小于0，因此界面产生负反射声波信号，与入射信号极性反向（图2b）。

⑵ 仿真同时存在节箍、射孔和动液面时的声波传播特性。数值计算结果如图3所示。图3表明：接箍反射信号先正（上升）后负（下降），而射孔反射信号却完全相反，先负后正，动液面反射信号与发射同极性。可用图2解释图3中的现象。声波到达接箍时，相当于截面积由大到小，反射信号极性与入射相同，是正信号;当声波信号离开接箍下界面时，截面积由小到大，反射信号极性与入射相反，是负信号。声波经过射孔时，面积从小到大，然后再从大到小，与接箍相反，两者尺寸接近，因而反射信号刚好相反。

在动液面交界面上，声波从波阻抗小的空气入射到波阻抗很大的油气界面，由式⑴知，声波近似发生全反射，极性与发射信号相同。

4 结论

⑴ 数值模拟验证脉冲压力声波在环形空间传播时，在突然变大和突然变小界面反射波极性相反的基本规律。

⑵ 同时存在接箍、射孔和动液面时的脉冲声源传播特性模拟揭示接箍、射孔和动液面的反射机理，为实际动液面检测仪接收信号特性分析、声速和液面计算提供理论依据。

参考文献（References）：

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