CN1172196C - 一种用声波共振法测量油井出砂空穴体积的方法 - Google Patents

Abstract

一种井下油井出砂造成的空洞体积的测量方法，其特征是测量系统由声源和声波接收换能器构成，测量过程充分利用了声源和接收换能器之间所存在的空洞洞口处液体的共振现象，利用接收信号频谱的极小值确定空洞体积。声源可以是一个类似于电火花信号源的脉冲源，也可以是一个被电信号激励的动圈式或压电式或磁致伸缩式或机械式换能器。利用频谱分析的方法确定空洞洞口处液体的共振频率既可以用硬件的方法实现、也可以用软件的方法实现。

Description

一种用声波共振法测量油井出砂空穴体积的方法

本发明涉及一种用声波共振法测量油井出砂空穴体积的方法，它是属于应用地球物理、石油工程领域的一种测量油井出砂造成的空洞体积的方法。它主要是采用了声波测量系统与特定的空穴数学模型相结合的方法来确定出砂空穴的体积。

目前，在石油试油和采油工程中，由于地质条件和开采施工等方面的原因，会出现油井出砂形成地层空穴现象。出砂一方面可能会堵塞油管另一方面也可能破坏地质结构造成油井减产甚至停产。所以，防砂施工是一项十分重要的工作。由于现在国内外还没有手段对出砂空穴的体积进行定量测量。因此，使防砂施工有一定的盲目性、成功率大打折扣。

本发明的目的在于提供一种可以在井下使用的测量油井出砂造成的空洞体积的方法，它是采用了在待测量井筒中设置声波测量系统，并将出砂的空穴特定为一定的数学模型，然后利用接收信号频谱的极小值来确定出空洞的体积。从而可以大大地提高测量精度和提高防砂施工的效率。该方法主要是采用了声波测量系统与特定的空穴数学模型的相结合的方法，其主要的技术特点是所采用的测量系统是由声源和声波接收换能器构成，并设置于待测量的井筒之中，将待测量井筒中的出砂空洞设定为特定的空穴数学模型，通过测量声源和接收器之间所存在的空洞口处液体的共振现象，并利用接收信号频谱的极小值来确定出空洞的体积；其出砂空穴的数学模为赫姆霍兹共鸣器，其孔洞口的谐振频率为： $f_r=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{Vl}}},$ 式中，S为洞口的截面积，l为洞口的长度，V为空穴体积，c为空洞内流体的声速；所使用的声源可以是一个类似于电火花信号源的脉冲源，也可以是一个可以连续发出扫频声波的信号源。

下面将结合实施例来详述本发明的技术特点。

在实际设计和施工中，设计者是这样实现本发明所述的方法的：测量系统由一个声源和一个声波接收器及相应的测量装置构成，并按附图1所示在井筒内进行设置。测量时，测量系统下放至测量井段的底端后上提，并在上提过程中进行测量。声源发出声波信号后在井内流体中向接收探头一侧传播。若在发收探头之间有一个射孔孔眼(炮眼)，并且套管外因出砂而存在一个一定体积的空洞，则该空洞口(炮眼)处的流体要发生振动。当声波的频率与洞口流体的谐振频率相同时，空洞口处的流体发生共振而强烈吸收声波能量，则接收探头接收到的这种频率成分的信号相对于其它频率成分信号而言是一个极小值。空洞处的流体振动的声学模型设定为如附图2所示的赫姆霍兹共鸣器。该模型是一个由腔体和短管组成的开口容器，并假设满足：(1)腔体(孔洞)体积V的线度远小于声波波长。(2)短管的体积远小于孔洞体积。(3)孔洞内介质压缩和膨胀时，洞壁不会变形。于是，孔洞口处的短管内的流体犹如一个“活塞”一样做整体振动，其谐振频率为 $f_r=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{Vl}}}$ 式中，S为短管(炮眼)的截面积，l为短管的长度(可取为套管的厚度)，V为空穴体积，c为空洞内流体的声速。可见，只要准确测量到接收信号的频谱的极小值，就能确定空洞口处的流体振动的共振频率，进而根据式(1)即可算出出砂空穴体积。若取套管的厚度为10mm、炮眼的直径为10mm、空洞内液体的声速为1550m/s，当空洞体积的变化范围为0.01m³～5m³时，要求声波频率的范围为10Hz～300Hz。

测量系统在待测量井段的底端开始上提，并在上提过程中的每一个深度点进行测量，该方法有两种测量方式。

(1)扫频工作方式

按附图1所示测量原理和附图2所示的空穴模型，用扫频电信号重复地激励声波探头使之发射扫频声波信号，声波频率的范围为10Hz～300Hz，对接收探头接收到的信号的频谱进行分析，由接收信号频谱的极小值确定谐振频率，再由 $f_r=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{Vl}}}$ 计算出砂空穴体积。此时声源是一个被电信号激励的动圈式或压电式或磁致伸缩式或机械式换能器。

(2)脉冲工作方式

按图1所示测量原理和附图2所示的空穴模型，采用类似于电火花震源的宽频带脉冲震源作为声源，它产生的脉冲声波在井内传播，对接收探头接收到的时域信号进行频谱分析，由接收信号频谱的极小值确定谐振频率，再由 $f_r=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{Vl}}}$ 计算出砂空穴体积。

本发明提出的测量油井出砂空穴体积的声学测量方法，测量结果与空穴的形状无关。因此，不要求空穴形状的规则性。其测量方法可靠性高、易于实现、成本低，具有极大的推广和应用前景。

Claims (2)

1.一种用声波共振法测量油井出砂空穴体积的方法，它主要是采用了声波测量系统与特定的空穴数学模型的相结合的方法，其特征在于所采用的测量系统是由声源和声波接收换能器构成，并设置于待测量的井筒之中，将待测量井筒中的出砂空洞设定为特定的空穴数学模型，通过测量声源和接收器之间所存在的空洞口处液体的共振现象，并利用接收信号频谱的极小值来确定出空洞的体积；其出砂空穴的数学模为赫姆霍兹共鸣器，其孔洞口的谐振频率为： $f_r=\frac{c}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{S}{\mathrm{Vl}}},$ 其中，S为洞口的截面积，l为洞口的长度，V为空穴体积，c为空洞内流体的声速；所采用的声源是一个可以连续发出扫频声波的信号源；其具体实施测量的步骤是：测量系统由一个声源和一个声波接收器及相应的测量装置构成，并在待测井筒内进行设置，测量时，测量系统下放至测量井段的底端后上提，并在上提过程中进行测量。

2.根据权利要求1所述的一种用声波共振法测量油井出砂空穴体积的方法，其特征在于所述的声源是电火花信号源的脉冲源。

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