利用超声漏兰姆波进行筛管后成像及管道缺陷检测的数值研究

发布时间：2020-05-26 05:44

【摘要】：本文的研究源于两个实际工程问题。其一是筛管后成像问题。在疏松砂岩油藏储层中,经常用到筛管完井。筛管的作用是阻挡地层砂进入井筒,防止地层砂损坏抽油设备。但筛管易被地层砂堵塞。筛管堵塞状况关系到下一步生产开发方案的制定和实施,成为生产单位非常关心的实际问题。目前国内外尚无针对筛管外堆砂状况的检测技术。其二是管道缺陷检测问题。当今,油气等资源的主要运输方式为管道运输。这些运输管道多数埋于地下或浅海中,虽然有油漆涂层等保护措施,但由于长期处于恶劣环境,易使运输管道产生缺陷。运输管道中的缺陷的恶化会导致泄漏事故,造成环境污染、财产损失。对现役管道缺陷进行定期监测成为一项迫切需要解决的技术问题。本文采用有限差分数值模拟方法研究将超声漏兰姆波技术应用于上述两问题的可行性。将柱状分层的筛管及管道模型用水平多层结构近似,采用直角坐标系下的应力速度交错网格时域有限差分方法(FDTD),并采用基于消息传递接口(MPI)的并行算法,自主开发了用于水平多层结构中漏兰姆波声场数值模拟的三维并行有限差分程序。利用所开发的并行有限差分程序首先模拟了普通套管井中漏兰姆波测井情况,通过对波形和快照的定性及定量分析,并与文献中二维有限差分模型的结果相对比,验证了本文所开发有限差分程序的正确性和精度。第一部分研究内容为筛管后成像。漏兰姆波测井技术用于套管井的套后成像已是一项相对成熟的技术。然而,与在套管井中不同,兰姆波在筛管中传播时,遇到筛孔会发生散射及模式转换等现象,所以要对兰姆波测井技术是否能应用于筛管进行考察。本文采用一发两收的换能器组置于筛管内流体中,声源中心频率为250 kHz,在12 mm厚的筛管井中激发漏兰姆波,考察筛孔的宽度、长度、间隔(同一排中筛孔的间距),以及声通道的宽窄(两排筛孔间的距离)对接收到的漏兰姆波的波包及衰减率的影响。结果显示,声通道的宽窄对接收到的波形影响最大,声通道越宽越有利于准确地计算出衰减率,其它各筛孔参数的影响较小。之后数值模拟了筛管外介质为水和泥砂这两种情况下,换能器组在筛管中旋转扫描时的声场。模拟结果显示,对规则排列的10 mm*10 mm的筛孔,当换能器组的中心与筛孔中心距离小于5 mm时,所得衰减率无法用来计算筛管外介质的声阻抗;当换能器组和筛孔有部分重叠,但距离大于5 mm时,虽然所得衰减率小于无缝钢管情况,但仍可用来区分筛管外的水和泥砂;当换能器组完全处于声通道之内时,所得衰减率与无缝钢管情况接近,衰减率能够较准确的反映筛管外介质的声阻抗。可总结为:超声漏兰姆波衰减率可以计算筛管无筛孔区域外侧介质的声阻抗。以上数值研究说明利用超声漏兰姆波技术检测筛管外堵塞状况的方案是可行的。第二部分内容为管道缺陷检测问题。本文提出用一个声源、一个透射接收器结合一个反射接收器的换能器组合放置于管道内,声源中心频率125 kHz,激发管道中零阶反对称兰姆波,并利用接收到的漏兰姆波探测管道缺陷。定义透射系数和反射系数分别为,有缺陷时透射和反射接收器接收到的兰姆波的幅度除以无缺陷时透射接收器接收到的兰姆波的幅度。首先,数值考察了12 mm厚管道中不同宽度及深度的内、外表面缺陷对透射系数和反射系数的影响。结果显示,反射系数对内、外表面缺陷的深度不敏感,透射系数随内、外表面缺陷深度的增大而线性减小,斜率约为-0.08/mm。反射系数和透射系数对缺陷宽度都很敏感,随着内、外表面缺陷宽度的增大,反射系数增强,斜率约为0.08/mm;透射系数减小,斜率约为-0.09/mm。最后数值模拟了换能器组对一个长宽深为5 mm*8 mm*12 mm的贯穿缺陷进行C-scan扫描。随着缺陷与换能器组间距的增大,反射系数减小非常缓慢。由于散射波和直达兰姆波的相互干涉,透射系数随距离的变化曲线总体呈现’W’趋势,且随着距离增大,在’W’两侧呈周期性波动。’W’中两极小值的空间距离,恰好等于声源宽度的两倍与缺陷宽度之和。利用透射系数可以准确的计算出缺陷宽度。结合缺陷与换能器组共线时的反射系数和透射系数,可以进一步估算出缺陷深度。采用反射系数和透射系数的比值则可抑制透射系数曲线’W’形状之外的波动,有利于多个缺陷存在时的反演。本文的数值研究,证明了超声漏兰姆波技术应用于筛管后成像以及管道缺陷检测的可行性。其中,利用超声漏兰姆波技术进行筛管后成像为本文首次提出。这些数值结果,为以后的仪器设计、反演成像提供了理论依据。
【图文】：

绕丝筛管,实物

图 1.1 绕丝筛管实物图图 1.2 基管（带孔中心管）实物图高的钢套管上切割出按照一定规律分布的、具，以低速铣削的方法进行加工，加工过程相对大小的，能被原油携带至地面的细小砂粒通过

示意图,中心管,实物,割缝衬管

图 1.2 基管（带孔中心管）实物图度很高的钢套管上切割出按照一定规律分布的、具有铣刀，，以低速铣削的方法进行加工，加工过程相对简一定大小的，能被原油携带至地面的细小砂粒通过。大砂粒则会按照一定规律形成‘砂桥’，将地层砂阻挡砂桥’的形成可以阻挡小于衬管割缝尺寸的地层砂流入及水平井中的应用示意图如图 1.3[10]。图 1.4 为割缝衬的常见规格为：缝长 50 mm~300 mm，缝宽 0.15 m粗砂砾油层。相比于绕丝筛管，割缝衬管加工简单，防砂作用。因此，割缝衬管在出砂不严重的中、粗砂存在的情况下，割缝衬管的应用更加普遍[10][19]。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE319

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