超声波在钻井液中传播衰减理论研究.pdf

第 3 4卷 第 1 期 2 0 1 2年 1月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI L L I NG P R0DUC T 1 0N T E CHN0L 0GY Vo 1 ． 3 4 No ． 1 J a n ．2 0 1 2 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 2 O l 0 0 5 7 0 3 超 声 波在 钻 井液 中传 播衰减理 论研 究 刘 飞 付建 红 张 智 许亮 斌 1 ． 西南石 油大学 油气藏地质及开发工程 国家重点 实验 室， 四川成都6 1 0 5 0 0 ；2 ． 中石化石油工程技术研究院 ， 北京1 0 0 1 0 1 3 ． 中海石 油研 究总院， 北京1 0 0 0 2 7 引用格式刘飞， 付建红， 张智， 等 ． 超声波在钻井液中传播衰减理论研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 2 0 1 2 ， 3 4 1 5 7 5 9 ． 摘要超声波流量计是现阶段精度最高、 通用性好、 灵敏度最高的流量计， 但由于超声波在钻井液中衰减很大， 使其未能测 出钻井液的环空返出流量。通过 U r i c k模型研究了超声波流量计在测量钻井液流量中超声波的衰减规律 ， 分析了传播距离、 超 声波频率、 液体密度等因素对超声波衰减的影响。通过研究得出钻井液中固相颗粒的数量每增加 1个数量级， 超声波能量衰减 也增加一个数量级， 超声波能量衰减随钻井液中固相颗粒直径、 钻井液密度、 传播距 离的增加而增大， 超声波频率越大， 超声波 能量衰减越快。该研究结果为超声波在钻井液测量中的进一步应用提供 了理论基础。 关键词超声波 ；钻井液；衰减；频率；距离；钻井液密度 中图分类号 T E 2 5 4 ． 1 文献标识码 A Re s e a r c h o f ul t r a s o ni c a t t e n ua t i o n t he o r y i n dr i l l i n g flui d L I U F e i ， F U J i a n h o n g ， Z H A NG Z h i ， X U L i a n g b i n 1 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r 0 f f a n d G a s G e o l o g y a n d E x p l o i t a t i o n ， S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i ty ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a ； 2 R e s e a r c h I n s t i t u t e o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， S I NO P EC , Be o i n g 1 0 0 1 0 1 ， C h i n a 3 C NOOCRe s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t At p r e s e n t ， t h e r e t u r n o f d r i l l i n g mu d i s me a s u r e d b y t a r g e t t y p e me t e r , b u t the r e s u l t i s n o t v e r y a c c u r a t e b e c a u s e o f e n v i r o n m e m ． T h e u l t r a s o n i c fl o wme r i s t h e mo s t a c c u r a t e ， n o r m a l a n d s e n s i t i v e a p p a ms ， b u t the r e t u rn fl o w o f d r i l l i n g mu d c a n n o t b e me a s u r e d b y u l t r a s o n i c fl o wme t e r b e c a u s e o f the h u g e u l t r a s o n i c a t t e n u a t i o n i n d r i l l i n g fl u i d ． Th e u l t r a s o n i c a t t e n u a t i o n l a w wa s r e s e a r c h e d wi t h t h e Ur i c k Mo d e l wh e n the fl o w o f d r i l l i n g fl u i d wa s me a s u r e d b y u l tra s o n i c fl o wme t e r ． T h e e ffe c t s o f the f a c t o r s o n u l t r a s o n i c a t t e n u a t i o n we r e a n a l y z e d ， s u c h a s u l t r a s o n i c p r o p a g a t i o n d i s t a n c e ， f r e q u e n c y , a n d l i q u i d d e n s i t y ． ． I t wa s c o n c l u d e d t h a t t h e u l t r a s o n i c a tt e n u a t i o n wo u l d i n c r e a s e b y o n e o r d e r o f ma g n i tud e wi th the i n c r e a s e o f t h e q u a n t i t y o f s o l i d - p h a s e p e l l e t i n the d r i l l i n g fl u i d b y o n e o r d e r o f ma g n i t u d e ， a n d t h e u l t r a s o n i c a t t e n u a t i o n i n c r e a s e d wi th the i n c r e a s e o f t h e d i a me t e r o f s o l i d - p h a s e p a r t i c l e s i n t h e d r i l l i n g fl u i d ， the d r i l l i n g fl u i d d e n s i ty a n d the p r o p o g a t i o n d i s t a n c e ． T h e l a r g e r u l t r a s o n i c f r e q u e n c y i s ， the q u i c k e r u l tra s o n i c a t t e n u a t i o n i s ． Ke y wo r d s u l t r a s o n i c ； d ril l i n g fl u i d ； a t t e n u a t i o n ； f r e q u e n c y ； d i s t a n c e ； d r i l l i n g fl u i d d e n s i ty 发生很 多严重的井喷事故 ， 大部分是 由于发现 溢流过晚或处 置不 当造成 的， 所 以准确测量钻井液 的环空返 出流量是极其重要的环节 。而超声波 流量计是测量范围宽 ， 通用性好 ， 灵敏度最高的流量 计 _ 3 J 。由于超声波流量计在测量水 、 油 、 气体等单相 介质的流量可以达到较高的精度 ， 但钻井液是固 液两相甚至有时含有气相 的介质 ， 目前还没有能测 量 固液两相介质的超声波流量计面市 ， 其 主要原因 是超声波在钻井液 中的衰减很严重， 影 响其衰减的 因素较多。所 以， 要 实现超声波流量计来测量钻井 液 的环空返出流量 ， 有必要研究超声波在钻井液 中 的衰减问题。 基金项 目国家科技 重大专项项 目 “ 深水井控及测试技术研究” 编号 2 0 0 8 Z X0 5 0 2 6 ． 0 0 1 0 4 资助 。 作者简介刘飞， 1 9 8 4年生。现主要从事钻井工艺方面研究， 博士研究生。电话0 2 8 8 3 0 3 3 9 6 4 。E m a i l l i u f e i s w p u q q ．t o m。 5 8 石油钻采工艺 2 0 1 2年 1月 第 3 4卷 第 1 期 1 超声波在钻井液中的衰减模型 超声波的衰减是超声波在介质的传播过程中， 随着传播距离的增加 ， 其能量逐渐减弱的过程。从 理论上讲 ， 主要有 3种原 因引起超声波的衰减 1 由 声束扩散引起的超声波衰减 ； 2 由散射引起 的超声 波衰减 ； 3 由介质吸收引起的超声波衰减 。 超声波在钻井液 中传播 时， 其振 幅随钻井液中 固体量的多少及粒子大小变化而变化 。根据声学原 理 可以得到， 超声波在介质中传播时， 穿过距离 后 ， 其声强 的变化可表示为 I o e 1 式中， 厶为初始声强 ， W／ m ； 为超声波在介质 中的 衰减系数 ， 无量纲 ；X为传播距离 ， m。 由 1 式可以看出 ， 超声波在介质 中的衰减情况 与衰减系数有最直接的关 系， 但是超声波在钻井液 中传播的声衰减机理比较复杂。由于钻井液中的固 相颗粒的直径是微米级 的， 而超声波 的波长要远大 于 固相颗粒 的直径。用 Ur i c k模型 一 来计算超声 波在钻井液中的衰减系数。该模型假设固体颗粒的 体积浓度较低， 颗粒是光滑球形的， 并且颗粒粒径比 声波波长小得多， 其衰减系数的计算模型为 一 尺。 j 其 中 器4 R 几 I I 一 2 0 r一 十 一0 2 4 R ， P o 式 中， R为 球形 颗粒 的半 径 ， m；P 。 为 颗粒 密度 ， g ／ m ； P 。 为液体的密度， g ／ m ； 为液体的运动黏度， P a S 为 超声波 的波 长 ． m 2 计算结果与分析 假设钻井液中固相全为黏土， 计算的基本参数 为 温度 2 0℃， 钻井液 的中的连续相为水 ， 水黏度 为 1 m P a S ， 密度 1 g ／ c m ， 超声波在水中的传播速 度为 1 5 0 0 m ／ s ， 固相颗粒的粒度分布为单粒径分布， 颗粒为黏土， 黏土的密度为 2 ．6 g ／ c m ， 颗粒直径为 1 m， 固相颗粒数为 1 0 H ， 传播距离为 3 0 0 m m， 体积为 1 m。 。在讨论各参数超声波在钻井液中衰减时， 在 其他参数保持不变的情况下， 只改变其中一种参数， 从而得到各因素对超声波衰减的影响。计算结果见 图 l 、 图 2 。 摹 妞 髅 蛐 耐 怄 般 幽4 报 超声波频率／ k H z 颗粒数 1 0 1 2 颗粒数 1 0 1 3 颗粒数 1 0 t 颗粒数 1 0 j5 颗 粒数 1 0 16 颗粒数 1 0 1 商径 l g r n 直径2g m 直径5g m 直径1 0g m 直径4 0g m 直 径5 0g m 超声波频 率／ k Hz 图2 超声波频率与能量衰减的关系 固相颗粒数为 1 0 假设 黏土颗粒 直径为 2 m， 重 晶石直 径为 2 0 g m， 将黏土颗粒和重晶石颗粒看作小球 ， 配制钻井 液基浆密度为 1 ． 0 5 g ／ c m ， 然后用重晶石加重 ， 通过 计算得到不同密度下 l m 钻井液中的重晶石的重 量及重晶石颗粒数， 详细结果见表 1 。将各参数代入 Ur i c k模型 ， 得到不同钻井液密度 ， 不同频率下 ， 不同 传播距离情况下的超声波衰减情况， 计算参数如前， 计算结果如图 3 、 图4 所示。 表 1 不同密度下的 1 m 钻井液中的固相参数 鋈 丑 垃 j蜷 鲻 弧 O O 8 O 6 0 4 0 2 0 布 、l●● ●●●●●● ， 一 一 ， R l一3 刘 飞等超声波在钻井液中传播衰减理论研究 5 9 摹 楚 { 皿 嘣 镒 幔 捌 超声波传播距离／ m m 图4 不同密度下的 1 m 钻井液中超声波衰减 超声波频率 5 0 k H z 3 现场试验 由于超声波在钻井液 中衰减严重 ， 在本次试验 中采用 2 0 0 k H z 和 5 0 k H z 的超声波传感器来测试， 将接收端传感器的波形在示波器中显示出来， 可以 得出接收传感器是否能接收到信号。 首先将一对 2 0 0 k H z 的超声波传感器放入特制 的水槽中， 水槽中倒入 1 ．0 5 g ／ c m 3 的钻井液， 传感器 之间的距离为 3 0 0 m m， 接收端的信号在示波器上的 显示如图 5 所示 ， 第 1 个信号包络是超声波发射信 号在接收端的串扰；第 2 个是接收到的有效信号， 其他包络为各种干扰信号。然后对钻井液加重分别 至 1 ． 1 g ／ c m 、 1 ． 1 5 g ／ c m 、 1 ． 2 g ／ c m 、 1 ． 2 5 g ／ c m ， 发 现 随着钻井液的密度的升高， 超声波信号幅值越来越 小 ， 直至在 1 ． 2 5 g ／ c m。 钻井液 中， 示波器上接收不到 信号。然后将一对 5 0 k H z 的超声波传感器放入到 水槽中， 重复上组实验， 将钻井液密度最后加重至 1 ． 6 5 g ／ c m ， 发现随着钻井液密度的升高， 超声波信号 幅值越来越小 ， 发现在 1 ． 6 g ／ c m 的钻井液中可 以收 到信号， 但是在 1 ．6 5 g ／ c m 的钻井液中， 接收信号幅 值非常微弱 ， 几乎接收不到。 图 5 示波器显示超声波传感器接收波形 图 通过实验可 以得出 2 0 0 k H z的超声波可以通过 1 ． 2 g ／ c m 的钻井液 ， 5 0 k H z的超声波能通过 1 ． 6 g ／ c m 的钻井液， 从而得到超声波在钻井液中衰减幅度随密 度的增加而增加， 超声波频率越高、 衰减幅度越大。 4 结论 1 在传播距离一定 的情况下 ， 超声波在钻井液 中衰减程度随超声波频率的增加而增大， 随固相颗 粒直径的增加而增大， 固相颗粒数 目增加 1 个数量 级 ， 超声波能量衰减增加 1 个数量级。 2 在超声波频率和钻井液体积一定的情况下， 超声波在钻井液中衰减程度随钻井液密度的增加而 增大， 随传播距离的增加而增大。 3 在超声波传播距离和钻井液体积一定的情况 下， 超声波在钻井液中衰减程度随超声波频率的增 加而增大 ， 随钻井液密度的增加而增大。 参考文献 [ 1 ] 赵俊平 ． 油气钻井工程项 目风险分析与管理研究[ D]． 大庆大庆石油学院， 2 0 0 7 ． [ 2] 杨明清 ． 一种新的钻井液出口流量在线测量方法探讨 [ J ]． 录井工程， 2 0 0 8 ， 1 9 1 5 2 5 5 ． [ 3] 李广峰 ． 时差法超声波流量计的研究[ J ] ． 电测与仪表， 2 0 0 0 。 3 7 9 1 3 1 9 ． [ 4] 宁晨 ， 顾宇， 周康源， 等 ． 新型高精度超声波流量计的设 计 [ J ]． 声学技术， 2 0 0 3 ， 2 2 4 2 5 1 ． 2 6 1 ． [ 5] 张海澜 ． 理论 声学 [ M ]． 北京高等教育 出版社， 20 07． [ 6] UR I C K R L ． T h e a b s o r p t i o n o f s o u n d i n s u s p e n s i o n s o f i r r e g u l a r p a r t i c l e s l J J． T h e J o u r n a l o f t h e Ac o u s t i c a l S o c i e t y o f Ame r i c a ， 1 9 4 8 ， 2 0 3 2 8 3 2 8 9 ． 1 7 j UR I C K R J ， A ME NT W S ． T h e p r o p a g a t i o n o f s o u n d i n c o mp o s i t e me d i a[ J ]． T h e J o u r n a l o f t h e A c o u s t i c a l S o c i e ty o f Ame r i c a ， 1 9 4 9 ， 2 1 1 6 2 ． [ 8] 兰凯 ． 钻孔桩砼灌面超声波测量的关键技术及其实现 [ D]． 武汉中国地质大学， 2 0 0 8 ． [ 9] 姚骏 ． 纸浆悬浮液超声衰减理论及其在浓度流量检测 中的应用研究 [ D]． 上海上海大学， 2 0 0 6 ． [ 1 0] 聂世均 ． 超声波在泥浆中的传输规律研究[ D] ． 东营 中国石油大学 ， 2 0 0 7 ． [ 1 1 ] 代志平 ． 超声波在钻柱中的传播特性研究[ D] ． 东营 中国石 油大学， 2 0 0 7 ． [ 1 2] 范步霄，陈加平， 齐政学， 等 ． J Q L单井流量计量装置 研究及应用 [ J ]． 石油钻采工艺， 1 9 9 8 ， 2 0 2 9 1 9 3 ． [ 1 3] 王克雄， 王镇泉 ． 利用声波测井进行钻速预测方法的 研究 [ J ]． 石油钻采工艺， 1 9 9 6 ， 1 8 5 2 8 ． 3 2 ． 收稿 日期2 0 1 1 0 9 0 6 [ 编辑薛改珍 ]