近钻头流体中含气量对伪瑞利波传播特性的影响

Formation fluid that flows into the borehole mud can cause corrosion and breakdown of facilities. Moreover, formation gas that exists in the drilling fluid can move upward along the annular channel between the drill string and the borehole wall, which results in well kick-a phenomenon that might finally develop into a blowout beyond control that would damage the borehole and facilities and endanger the workers. Therefore, detecting timely the gas content in the mud around the drilling bit is fairly necessary. However, the existing methods of detecting the gas content on the ground have shortcomings in the aspects of time lags and inaccuracy. Moreover, the electric and optical methods that detect the gas around the drilling bit also have to face an array of problems such as difficulty in taking gas sample, complex structure of sensors, indirect measurement and so on. It is widely acknowledged that Pseudo-Rayleigh wave, whose amplitude is directly related to the gas content, can propagate in the surface of fluid-filled drill collar. This project will research on the method of using sensors to generate and receive Pseudo-Rayleigh wave in the surface of drill collar, and study the relation of the amplitude/velocity and the gas content in the mud both theoretically and experimentally in order to provide a new and practical approach to monitor the gas content online.

在石油钻井过程中，地层流体进入井眼后会引起下井设备的腐蚀和失效，进入井内钻井液中的地层气体会沿着钻柱与井壁之间的环空空间向井口上升运动而形成井涌。井涌规模的进一步发展可能成为无法控制的井喷。井喷可能引起井身和地面设备的损坏、井口附近环境和附近人员的巨大安全灾难。因此，及时检测钻头附近钻井液中的气体含量是十分必要的。现有的许多在地面检测钻井液中气体含量的技术都存在时间滞后、结果不准确的缺点。而近钻头的电学、光学等气体检测方法存在气体取样困难、传感器结构复杂、测量结果不够直接等缺点。浸于钻井液中的钻铤外表面上可以传播超声伪瑞利波，其幅度与钻井液中气体含量有直接的关系。本项目拟研究在钻铤的外表面激励和接收超声伪瑞利波信息的传感器方法，从理论和实验两方面研究超声伪瑞利波的幅度和传播速度与钻井液中含气量之间的关系，为研发一种全新的、方便实用的含气量实时检测方法奠定理论和实验基础。

在石油钻井过程中，为确保井身、地面设备、井口附近环境和人员等井控安全，及时检测钻头附近混合流体中的气体含量是十分必要的。目前的许多在地面或者近钻头的检测技术存在时间滞后或者测量结果不够直接等缺点。本项目从理论和实验两方面研究了浸于混合流体中的钻铤外表面上传播的超声伪瑞利波的传播特性，获得了超声伪瑞利波的幅度、主频偏移与混合流体中含气量之间的关系。.建立了由气体、液体和固体组成的计算模型。采用有限差分方法，数值模拟了不同含气量时伪瑞利波的传播特性和幅度响应特征。模拟结果表明，传播过程中引起伪瑞利波衰减的主要因素是其向流体半空间的能量辐射，当固体外为纯液体时各接收点得到的伪瑞利波幅度决定于它在液-固交界面上传播的距离；气-液界面的存在使伪瑞利波的小部分能量转化为反射伪瑞利波、Scholte波和散射波。伪瑞利波幅度随含气量减少而单调下降，变化趋势近似呈现为以含气量为自变量的指数函数，伪瑞利波的主频偏移与含气量间存在近似的线性关系。.搭建了实验测量系统并物理模拟了含气量对伪瑞利波幅度的影响。设计和制作了超声表面波专用换能器，材料为PZT。共设计了三种厚度不同但长度和宽度相同的长方体形表面波换能器，在实验室对这些换能器分别进行了性能测试。实验结果表明，侧面波纵波模式和伪瑞利波模式的到时与理论速度值估算的结果基本吻合，且伪瑞利波的幅度随含气量的下降而显著下降，而纵波模式的幅度仅有微小变化。含气量的降低使得伪瑞利波脉冲波的主频向低频偏移。伪瑞利波的主频偏移与含气量之间存在近似线性的单调变化关系，这一特征可以用于作为含气量检测的辅助手段。数值模拟与物理模拟研究结果基本吻合。.本项目所取得的研究结果可以为研发一种全新的、方便实用的含气量实时检测方法奠定理论和实验基础，也可以为我国的随钻含气量超声波测量仪器的研发提供参考。