專利名稱：一種用聲波共振法測量油井出砂空穴體積的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用聲波共振法測量油井出砂空穴體積的方法，它是屬于應用地球物理、石油工程領域的一種測量油井出砂造成的空洞體積的方法。它主要是采用了聲波測量系統(tǒng)與特定的空穴數(shù)學模型相結合的方法來確定出砂空穴的體積。
目前，在石油試油和采油工程中，由于地質(zhì)條件和開采施工等方面的原因，會出現(xiàn)油井出砂形成地層空穴現(xiàn)象。出砂一方面可能會堵塞油管另一方面也可能破壞地質(zhì)結構造成油井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)。所以，防砂施工是一項十分重要的工作。由于現(xiàn)在國內(nèi)外還沒有手段對出砂空穴的體積進行定量測量。因此，使防砂施工有一定的盲目性、成功率大打折扣。本發(fā)明的目的在于提供一種可以在井下使用的測量油井出砂造成的空洞體積的方法，它是采用了在待測量井筒中設置聲波測量系統(tǒng)，并將出砂的空穴特定為一定的數(shù)學模型，然后利用接收信號頻譜的極小值來確定出空洞的體積。從而可以大大地提高測量精度和提高防砂施工的效率。該方法主要是采用了聲波測量系統(tǒng)與特定的空穴數(shù)學模型的相結合的方法，其主要的技術特點是所采用的測量系統(tǒng)是由聲源和聲波接收換能器構成，并設置于待測量的井筒之中，將待測量井筒中的出砂空洞設定為特定的空穴數(shù)學模型，通過測量聲源和接收器之間所存在的空洞口處液體的共振現(xiàn)象，并利用接收信號頻譜的極小值來確定出空洞的體積；其出砂空穴的數(shù)學模為赫姆霍茲共鳴器，其孔洞口的諧振頻率為fr=c2πSVl,]]>式中，S為洞口的截面積，l為洞口的長度，V為空穴體積，c為空洞內(nèi)流體的聲速；所使用的聲源可以是一個類似于電火花信號源的脈沖源，也可以是一個可以連續(xù)發(fā)出掃頻聲波的信號源。
下面將結合實施例來詳述本發(fā)明的技術特點。
在實際設計和施工中，設計者是這樣實現(xiàn)本發(fā)明所述的方法的測量系統(tǒng)由一個聲源和一個聲波接收器及相應的測量裝置構成，并按附

圖1所示在井筒內(nèi)進行設置。測量時，測量系統(tǒng)下放至測量井段的底端后上提，并在上提過程中進行測量。聲源發(fā)出聲波信號后在井內(nèi)流體中向接收探頭一側傳播。若在發(fā)收探頭之間有一個射孔孔眼(炮眼)，并且套管外因出砂而存在一個一定體積的空洞，則該空洞口(炮眼)處的流體要發(fā)生振動。當聲波的頻率與洞口流體的諧振頻率相同時，空洞口處的流體發(fā)生共振而強烈吸收聲波能量，則接收探頭接收到的這種頻率成分的信號相對于其它頻率成分信號而言是一個極小值。空洞處的流體振動的聲學模型設定為如附圖2所示的赫姆霍茲共鳴器。該模型是一個由腔體和短管組成的開口容器，并假設滿足(1)腔體(孔洞)體積V的線度遠小于聲波波長。(2)短管的體積遠小于孔洞體積。(3)孔洞內(nèi)介質(zhì)壓縮和膨脹時，洞壁不會變形。于是，孔洞口處的短管內(nèi)的流體猶如一個“活塞”一樣做整體振動，其諧振頻率為fr=c2πSVl]]>式中，S為短管(炮眼)的截面積，l為短管的長度(可取為套管的厚度)，V為空穴體積，c為空洞內(nèi)流體的聲速?？梢姡灰獪蚀_測量到接收信號的頻譜的極小值，就能確定空洞口處的流體振動的共振頻率，進而根據(jù)式(1)即可算出出砂空穴體積。若取套管的厚度為10mm、炮眼的直徑為10mm、空洞內(nèi)液體的聲速為1550m/s，當空洞體積的變化范圍為0.01m3～5m3時，要求聲波頻率的范圍為10Hz～300Hz。
測量系統(tǒng)在待測量井段的底端開始上提，并在上提過程中的每一個深度點進行測量，該方法有兩種測量方式。(1)掃頻工作方式按附圖1所示測量原理，用掃頻電信號重復地激勵聲波探頭使之發(fā)射掃頻聲波信號，聲波頻率的范圍為10Hz～300Hz，對接收探頭接收到的信號的頻譜進行分析，由接收信號頻譜的極小值確定諧振頻率，再由fr=c2πSVl]]>計算出砂空穴體積。此時聲源是一個被電信號激勵的動圈式或壓電式或磁致伸縮式或機械式換能器。(2)脈沖工作方式按圖1所示測量原理，采用類似于電火花震源的寬頻帶脈沖震源作為聲源，它產(chǎn)生的脈沖聲波在井內(nèi)傳播，對接收探頭接收到的時域信號進行頻譜分析，由接收信號頻譜的極小值確定諧振頻率，再由fr=c2πSVl]]>計算出砂空穴體積。
本發(fā)明提出的測量油井出砂空穴體積的聲學測量方法，測量結果與空穴的形狀無關。因此，不要求空穴形狀的規(guī)則性。其測量方法可靠性高、易于實現(xiàn)、成本低，具有極大的推廣和應用前景。
權利要求
1.一種用聲波共振法測量油井出砂空穴體積的方法，它主要是采用了聲波測量系統(tǒng)與特定的空穴數(shù)學模型的相結合的方法，其特征在于所采用的測量系統(tǒng)是由聲源和聲波接收換能器構成，并設置于待測量的井筒之中，將待測量井筒中的出砂空洞設定為特定的空穴數(shù)學模型，通過測量聲源和接收器之間所存在的空洞口處液體的共振現(xiàn)象，并利用接收信號頻譜的極小值來確定出空洞的體積。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用聲波共振法測量油井出砂空穴體積的方法，其特征在于所述的出砂空穴的數(shù)學模為赫姆霍茲共鳴器，其孔洞口的諧振頻率為fr=c2πSVl]]>其中，S為洞口的截面積，l為洞口的長度，V為空穴體積，c為空洞內(nèi)流體的聲速。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種用聲波共振法測量油井出砂空穴體積的方法，其特征在于所述的聲源可以是一個類似于電火花信號源的脈沖源，也可以是一個可以連續(xù)發(fā)出掃頻聲波的信號源。
全文摘要
一種井下油井出砂造成的空洞體積的測量方法,其特征是測量系統(tǒng)由聲源和聲波接收換能器構成,測量過程充分利用了聲源和接收換能器之間所存在的空洞洞口處液體的共振現(xiàn)象,利用接收信號頻譜的極小值確定空洞體積。聲源可以是一個類似于電火花信號源的脈沖源,也可以是一個被電信號激勵的動圈式或壓電式或磁致伸縮式或機械式換能器。利用頻譜分析的方法確定空洞洞口處液體的共振頻率既可以用硬件的方法實現(xiàn)、也可以用軟件的方法實現(xiàn)。
文檔編號G01V1/40GK1389743SQ02123730
公開日2003年1月8日 申請日期2002年6月21日 優(yōu)先權日2002年6月21日
發(fā)明者喬文孝, 李剛 申請人:中國石油天然氣集團公司, 石油大學(華東)