尹邦堂，林英松，王志遠(yuǎn)，孫寶江，劉書杰，孫金聲，侯健，任美鵬，王寧

（1.非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

0 引言

深水鉆井過程多鉆遇異常高壓地層，氣侵易發(fā)，甚至誘發(fā)嚴(yán)重井噴，如2011年美國(guó)深水地平線鉆井平臺(tái)井噴[1]，不僅造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了惡劣影響。氣侵早期監(jiān)測(cè)是井控技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，越早監(jiān)測(cè)到氣侵，侵入氣體體積膨脹越少，井底壓力變化越小，成功井控的概率越大。

目前，常用的氣侵早期監(jiān)測(cè)方法主要有3大類：平臺(tái)監(jiān)測(cè)法、海水段監(jiān)測(cè)法和井下隨鉆監(jiān)測(cè)法[2-3]。平臺(tái)監(jiān)測(cè)法操作簡(jiǎn)單方便，但精度和準(zhǔn)確性較低，監(jiān)測(cè)時(shí)間嚴(yán)重滯后于發(fā)生時(shí)間；井下隨鉆監(jiān)測(cè)法彌補(bǔ)了常規(guī)氣侵監(jiān)測(cè)法結(jié)果失真和滯后的問題，但該方法信號(hào)在傳播過程中會(huì)發(fā)生衰減甚至消失，同時(shí)服務(wù)成本高，不適用于高溫、高壓條件；海水段監(jiān)測(cè)法主要包括聲波監(jiān)測(cè)法等，能及時(shí)監(jiān)測(cè)到氣侵，但平臺(tái)的起伏運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備造成干擾，特征信號(hào)識(shí)別較困難。由于深水鉆井會(huì)有500～3 000 m的隔水管暴露在海水中[4]，相對(duì)于在井下使用昂貴的測(cè)量?jī)x器，在隔水管外進(jìn)行監(jiān)測(cè)更加安全和高效。

多普勒超聲波技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療成像[5-6]、無損檢測(cè)[7-8]、流量測(cè)量[9-10]等領(lǐng)域，具有與測(cè)量流體不接觸、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。Nguyen等[10]建立了一種基于超聲波傳播速度剖面的綜合測(cè)量泡狀流流速及含氣率的方法。Abbagoni等[11]利用超聲波傳感器和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兩相流流型的識(shí)別。隋秀香、耿亞楠、李軼明等前期進(jìn)行了部分超聲波多普勒氣侵監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[12-14]，發(fā)現(xiàn)侵入氣體會(huì)使多普勒超聲波發(fā)生衰減，因?qū)嶒?yàn)裝置及方法的局限性、信號(hào)處理方法等問題，僅對(duì)含氣率與多普勒信號(hào)的關(guān)系進(jìn)行了定性描述，并沒有找到它們之間的定量表征關(guān)系，且不適用于停鉆不循環(huán)工況，也未考慮鉆井液黏度的影響。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，首先基于氣液多相流理論，驗(yàn)證了在泥線以上、隔水管外進(jìn)行氣侵早期監(jiān)測(cè)的可行性；然后根據(jù)多普勒超聲波的傳播特征，研發(fā)了氣侵早期監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了多普勒在氣、清水（蔗糖溶液）兩相流中的傳播實(shí)驗(yàn)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域和頻域分析，得到了多普勒信號(hào)與含氣率的定量表征關(guān)系，驗(yàn)證了隔水管外多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測(cè)方法的合理性和準(zhǔn)確性。

1 隔水管外氣侵早期監(jiān)測(cè)合理性分析

氣侵發(fā)生后，井筒環(huán)空中出現(xiàn)鉆井液、巖屑、侵入氣等多相流動(dòng)。目前已有較多學(xué)者針對(duì)該過程進(jìn)行了研究[15-17]，Sun等[17]考慮了氣體的溶解與相變，建立了多組分多相流動(dòng)模型，并對(duì)流型轉(zhuǎn)化進(jìn)行了詳細(xì)描述，結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合較好。因此，采用該模型進(jìn)行氣侵模擬。以南海某深水井為例，水深1 500 m，井深3 500 m，泵排量30 L/s，鉆井液密度1.2 g/cm3，地層壓力33 MPa，地層溫度105 ℃。當(dāng)初始含氣率為1%、3%、5%時(shí)，預(yù)測(cè)的含氣率隨井深變化曲線如圖1所示、鉆井液池鉆井液增量（簡(jiǎn)稱鉆井液池增量）隨氣侵時(shí)間的變化曲線如圖2所示。

圖1 含氣率隨井深變化曲線

圖2 鉆井液池增量隨氣侵時(shí)間變化曲線

由圖1可知當(dāng)井深小于500 m時(shí)，含氣率急劇增加，這時(shí)監(jiān)測(cè)到氣侵已難以控制，易導(dǎo)致井噴失控。由模擬結(jié)果及圖2可知3種含氣率條件下侵入氣從井底到達(dá)海平面的時(shí)間分別是2 304.93，2 259.46，2 214.24 s。常規(guī)溢流監(jiān)測(cè)方法中，鉆井液池增量超過1 m3則報(bào)警。然而當(dāng)含氣率為1%時(shí)，侵入氣從井底到達(dá)海平面時(shí)鉆井液池增量總共不超過1 m3，該方法不適用。當(dāng)含氣率為3%時(shí)，侵入氣運(yùn)移至井深803 m處鉆井液池增量為1 m3，氣侵時(shí)間1 796.32 s，如果此時(shí)監(jiān)測(cè)到氣侵，處理時(shí)間剩余463.14 s；如果在泥線1 500 m處監(jiān)測(cè)到氣侵，鉆井液池增量為0.73 m3，氣侵時(shí)間為1 376.11 s，處理時(shí)間剩余883.35 s，比常規(guī)監(jiān)測(cè)方法提前420.21 s。因此，在隔水管外進(jìn)行氣侵監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)時(shí)間更早，可供處理時(shí)間更長(zhǎng)，控制更安全。

2 氣侵早期監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 多普勒超聲波氣侵監(jiān)測(cè)原理

如圖3所示，多普勒超聲波發(fā)射器作為固定聲源將超聲波發(fā)射到管路中，當(dāng)射入的超聲波在傳播過程中遇到與流體一起運(yùn)動(dòng)的氣泡時(shí)會(huì)在其表面形成反射，接收器接收到的反射超聲波頻率與發(fā)射頻率之間存在差異，該頻率差為由流體中氣泡運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒頻移。單個(gè)反射波的多普勒頻移為：

因超聲波在流體中的傳播速度遠(yuǎn)大于流體流動(dòng)速度，故ucosα可以省去，（1）式可以簡(jiǎn)化為：

圖3 超聲波多普勒法測(cè)量原理圖

氣液兩相流體系中，氣泡是多普勒信號(hào)的反射體，氣泡的速度、體積和數(shù)量均為影響多普勒信號(hào)的主要因素；發(fā)生氣侵時(shí)，氣泡是一部分多普勒信號(hào)的反射源，使多普勒信號(hào)頻率發(fā)生變化。多普勒超聲波監(jiān)測(cè)法正是利用這種變化對(duì)隔水管內(nèi)部氣體含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)氣體侵入鉆井液中時(shí)，超聲波發(fā)射頻率和接收頻率之間存在頻率差，并且氣體含量不同頻率差也不同，從而可以對(duì)含氣率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2 模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

基于上述原理，構(gòu)建了溢流早期監(jiān)測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（見圖4），主要包括主體循環(huán)管路、液體注入與排出系統(tǒng)，氣泡破碎裝置及信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置圖

該平臺(tái)可用來研究多普勒超聲波信號(hào)隨管內(nèi)流速、含氣率、液體性質(zhì)（如密度、黏度等）的變化規(guī)律，以及循環(huán)管內(nèi)流型隨含氣率的變化規(guī)律。

3 氣侵早期監(jiān)測(cè)方法

3.1 多普勒超聲波在清水-氣兩相流中的傳播實(shí)驗(yàn)

在停泵和開泵狀態(tài)下進(jìn)行清水條件下的多普勒超聲波傳播實(shí)驗(yàn)，利用時(shí)域分析和頻域分析[18]方法對(duì)獲得的多普勒信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1.1 多普勒超聲波時(shí)域信號(hào)分析

①停泵狀態(tài)下的時(shí)域信號(hào)分析：在循環(huán)管中注滿清水且在停泵狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，含氣率變化范圍為0～46%，共獲取22組不同含氣率條件下的電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)。選取含氣率為2.4%和35.2%的信號(hào)數(shù)據(jù)，分別對(duì)0.1 s內(nèi)的10 000個(gè)點(diǎn)在不同電壓區(qū)間內(nèi)的信號(hào)出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)并作直方圖（見圖5）?？梢钥吹诫妷悍抵饕霈F(xiàn)在-1～1 V，隨含氣率增加，低幅值電壓區(qū)間（絕對(duì)值為0～1 V）的計(jì)數(shù)減小，高幅值電壓區(qū)間（絕對(duì)值為1～2 V）的計(jì)數(shù)增加，曲線形狀隨含氣率增加越來越扁平。

圖5 不同含氣率條件下各電壓區(qū)間信號(hào)計(jì)數(shù)

對(duì)固定含氣率條件下0.1 s內(nèi)的10 000個(gè)點(diǎn)取信號(hào)電壓絕對(duì)值的平均值，作其與含氣率的關(guān)系曲線（見圖6），可以看出，隨含氣率增加，信號(hào)電壓均值先上升后下降。當(dāng)含氣率小于22.5%時(shí)，因多重反射對(duì)信號(hào)電壓均值的增幅大于超聲波的衰減程度，導(dǎo)致信號(hào)電壓均值隨著含氣率的增加而增大；當(dāng)含氣率大于22.5%時(shí)，因氣相所占體積越來越大，超聲波的衰減程度大于多重反射的增幅作用，并且隨著含氣率增加這種趨勢(shì)會(huì)不斷加劇，導(dǎo)致信號(hào)電壓均值不斷減小。

圖6 停泵狀態(tài)下信號(hào)電壓均值隨含氣率的變化

擬合含氣率和信號(hào)電壓均值構(gòu)成的散點(diǎn)曲線，得到二項(xiàng)式形式的函數(shù)表達(dá)式：

據(jù)此公式，在已知信號(hào)電壓均值的情況下，可以定量反推對(duì)應(yīng)含氣率的近似值。

②開泵狀態(tài)下的時(shí)域信號(hào)分析：開泵進(jìn)行循環(huán)，管內(nèi)流速分別穩(wěn)定在0.40 m/s和0.65 m/s，逐漸增加管內(nèi)通氣量，模擬不同含氣率下多普勒信號(hào)的變化，每個(gè)流速下各取22組電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)。信號(hào)電壓均值與含氣率的關(guān)系如圖7所示，信號(hào)變化與停泵時(shí)類似，隨著含氣率增加，信號(hào)電壓均值先增大后減小。

圖7 開泵狀態(tài)下信號(hào)電壓均值隨含氣率的變化

開泵時(shí)信號(hào)電壓均值比不開泵時(shí)大，但變化規(guī)律基本相同。信號(hào)電壓均值峰值點(diǎn)均出現(xiàn)在含氣率為20%～25%，與停泵時(shí)峰值點(diǎn)含氣率22.5%接近。擬合0.40、0.65 m/s流速下含氣率和信號(hào)電壓均值構(gòu)成的散點(diǎn)曲線，得到二項(xiàng)式形式的函數(shù)表達(dá)式：

（3）式、（4）式和（5）式的對(duì)稱軸分別為22.5%，21.0%和20.2%?？梢钥吹?，3個(gè)擬合公式形式相同，因此可以采用同一個(gè)二次函數(shù)來表達(dá)：

該二次函數(shù)中，對(duì)稱軸為（21.85±1.65）%，a、b值與流速、信號(hào)電壓強(qiáng)度有關(guān)。（6）式可以定量反映信號(hào)電壓均值與含氣率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1.2 多普勒超聲波頻域信號(hào)分析

①停泵狀態(tài)下的頻域信號(hào)分析：對(duì)采集到的停泵狀態(tài)下的22組信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉變換，得到相應(yīng)的幅度譜。由于幅值對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)數(shù)值太小，不利于比較觀察，因此對(duì)幅值進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，圖8為經(jīng)對(duì)數(shù)變換后的幅度譜變化曲線（含氣率為0）。為探究含氣率對(duì)多普勒頻移的影響，需要一個(gè)參照點(diǎn)，圖中18 000 Hz附近峰值點(diǎn)的橫坐標(biāo)是18 620 Hz，可取該區(qū)域的峰值點(diǎn)作為參照點(diǎn)，用于比較不同含氣率條件下與參照點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率變化。含氣率為0時(shí)循環(huán)管內(nèi)只有清水一種介質(zhì)，超聲波在傳播過程中頻率變化不大，接收頻率與發(fā)射頻率的頻率差接近為0。當(dāng)循環(huán)管內(nèi)通入氣體，超聲波遇到氣泡將產(chǎn)生多普勒頻移。分析含氣率為2.4%時(shí)的幅度譜可發(fā)現(xiàn)，其主頻峰值點(diǎn)同樣出現(xiàn)在18 000 Hz附近，該峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率是18 630 Hz。與含氣率為0時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率18 620 Hz相減，即為多普勒頻移量，為10 Hz。

圖8 含氣率為0時(shí)經(jīng)對(duì)數(shù)變換的幅度譜變化曲線

利用同種方法，對(duì)剩余20組不同含氣率下的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉變換和目標(biāo)區(qū)域峰值點(diǎn)查找后，得到了不同含氣率下的多普勒頻移量，結(jié)果如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著含氣率上升，多普勒頻移量增大，當(dāng)含氣率達(dá)到45%時(shí)，多普勒頻移量已經(jīng)達(dá)到150 Hz。

圖9 停泵狀態(tài)多普勒頻移量隨含氣率的變化曲線

擬合含氣率與多普勒頻移量構(gòu)成的散點(diǎn)曲線，得一次函數(shù)：

因此，也可以通過多普勒頻移量來定量描述停泵不循環(huán)工況下的含氣率變化。

②開泵狀態(tài)下的頻域信號(hào)分析：對(duì)先前采集到的開泵循環(huán)條件下的22組信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅利葉變換和對(duì)數(shù)變換，得到相應(yīng)的幅度譜（見圖10）。與停泵狀態(tài)下相比，開泵狀態(tài)下的幅度值有了明顯增大，且流速為0.65 m/s時(shí)的幅度值總體比流速為0.40 m/s時(shí)的幅度值略高，這主要是因?yàn)楸玫呐帕咳Q于泵壓大小，泵壓越大，變頻器頻率越大，工作過程中產(chǎn)生的能量對(duì)幅度值的貢獻(xiàn)越大。分析流速為0.40，0.65 m/s時(shí)的幅度譜，發(fā)現(xiàn)兩種流速下，含氣率為0時(shí)的主頻相同，對(duì)應(yīng)的頻率均為16 000 Hz。

圖10 開泵與關(guān)泵狀態(tài)下的幅度譜對(duì)比（含氣率為0）

圖11為不同含氣率時(shí)的頻譜變化數(shù)據(jù)（含氣率分別為0，10%，20%，30%和40%；流速為0.65 m/s），可以看到5組幅度譜曲線的構(gòu)型基本相同，沒有發(fā)生主頻偏移現(xiàn)象，峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頻率均為16 000 Hz，含氣率的變化對(duì)峰值點(diǎn)無影響。流速為0.40 m/s時(shí)也呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。說明在開泵狀態(tài)下，變頻器工作產(chǎn)生的聲能對(duì)幅度譜的貢獻(xiàn)程度超過了含氣率的影響。因此，無法通過該方法判斷是否發(fā)生氣侵。

圖11 溶液中含氣率對(duì)幅度譜的影響（流速為0.65 m/s）

3.2 多普勒超聲波在蔗糖-氣兩相流中的傳播實(shí)驗(yàn)

Harker等[19]研究發(fā)現(xiàn)多普勒超聲波的傳播主要受鉆井液黏度、固體顆粒等的影響。由于主體循環(huán)管下部氣泡破碎裝置的縫隙空間小，循環(huán)過程中固相顆粒極易堵塞裝置使實(shí)驗(yàn)無法正常進(jìn)行，因此無法模擬固相顆粒對(duì)多普勒超聲波傳播的影響。本實(shí)驗(yàn)通過增加蔗糖含量改變鉆井液密度，通過加入聚丙烯酰胺（PAM）改變鉆井液黏度，進(jìn)而模擬密度、黏度對(duì)聲波傳播的影響。

在蓄液池中配制密度為1.15 g/cm3的蔗糖溶液并進(jìn)行多普勒超聲波傳播實(shí)驗(yàn)，該組實(shí)驗(yàn)完畢，再將密度提高到1.22，1.30 g/cm3。采用布氏黏度計(jì)測(cè)試3種溶液的黏度，密度為1.15，1.22，1.30 g/cm3的蔗糖溶液黏度分別為2.5，3.6，4.8 mPa·s。

采用前述相同的時(shí)域、頻域信號(hào)分析方法對(duì)蔗糖溶液停泵、開泵條件下的多普勒超聲波信號(hào)進(jìn)行分析。

3.2.1 多普勒超聲波時(shí)域信號(hào)分析

①停泵狀態(tài)下的時(shí)域信號(hào)分析：分別在不同密度、含氣率（0～45%）條件下進(jìn)行了23組實(shí)驗(yàn)。繪制含氣率為20%時(shí)，4種密度溶液（清水及前述3種溶液）的信號(hào)電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系圖（見圖12），可以發(fā)現(xiàn)同一含氣率條件下，隨溶液密度增大，信號(hào)電壓幅值略微減小，說明隨溶液密度增大，超聲波傳播時(shí)的衰減略微增大，信號(hào)電壓幅值略微減小，可見溶液密度對(duì)信號(hào)的影響不大。

圖12 溶液密度對(duì)多普勒信號(hào)電壓的影響（含氣率20%）

選取密度為1.30 g/cm3的溶液，研究黏度對(duì)多普勒信號(hào)傳播的影響。向該溶液中加入PAM，使其黏度增加到35.46 mPa·s。原溶液中管內(nèi)氣泡體積很小，而加入PAM后管內(nèi)氣泡體積明顯增大（見圖13）。

圖13 加入PAM前后蔗糖溶液中氣泡大小對(duì)比（含氣率18%）

圖14 不同溶液信號(hào)電壓均值隨含氣率的變化

圖14為5種溶液的信號(hào)電壓均值與含氣率的關(guān)系曲線，可以看到隨含氣率增加，信號(hào)電壓均值均先上升后下降。未加PAM的4種溶液的信號(hào)電壓均值在幅值上相差很小，隨密度增大，信號(hào)電壓均值略微減小，且均在含氣率為20%～25%時(shí)出現(xiàn)最大值；加入PAM后，信號(hào)電壓均值發(fā)生明顯下降。當(dāng)含氣率小于20%時(shí)，由于受黏度影響，氣泡多以大氣泡形式向上運(yùn)動(dòng)，單位體積內(nèi)氣泡數(shù)量減小，總氣液界面面積減少，超聲波在氣液界面處的多重反射作用減弱，因此信號(hào)電壓均值小于其他4種溶液；當(dāng)含氣率超過20%時(shí)，管內(nèi)氣泡增多、氣液界面面積增加，但衰減對(duì)信號(hào)電壓幅值的降幅作用大于多重反射的影響，且隨含氣率增大，超聲波衰減程度增大，信號(hào)電壓均值隨之減小。

擬合圖14中除清水外的信號(hào)電壓均值與含氣率的散點(diǎn)曲線可得溶液在不同密度條件下的關(guān)系式。

（8）式—（11）式的對(duì)稱軸值分別為21.6%，20.5%，20.9%和23.5%。可以看到擬合所得表達(dá)式均為二次函數(shù)形式，可綜合表示為（6）式的形式。

②開泵狀態(tài)下的時(shí)域信號(hào)分析：同樣采用密度為1.22，1.30 g/cm3的蔗糖溶液及密度為1.30 g/cm3、添加PAM的蔗糖溶液共3種溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到含氣率變化范圍為0～45%、液相流速分別為0，0.40，0.65 m/s時(shí)的信號(hào)電壓隨含氣率變化曲線（見圖15）。由圖可知，隨著流速增加，信號(hào)電壓均值整體增大；隨著含氣率增加，信號(hào)電壓均值先增大后減小，且3種流速下信號(hào)電壓均在含氣率為20%～25%時(shí)出現(xiàn)最大值；無氣和含氣率超過40%時(shí)，信號(hào)電壓均值都很?。惶砑恿薖AM的蔗糖溶液因?yàn)轲ざ仍龃?，在不同流速下的信?hào)電壓均值與純蔗糖溶液相比都有一定程度的減小，且上升與下降的趨勢(shì)變緩。

圖15 不同密度蔗糖溶液信號(hào)電壓均值隨含氣率的變化

擬合密度為1.30 g/cm3的兩種溶液在不同流速條件下的信號(hào)電壓均值與含氣率的散點(diǎn)曲線（見圖16），可以看到曲線形態(tài)與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，擬合所得表達(dá)式均為二次函數(shù)形式，可綜合表示為（6）式的形式。同樣密度為1.22 g/cm3的溶液信號(hào)電壓均值與含氣率的關(guān)系擬合曲線的函數(shù)式也可用（6）式表示，說明蔗糖溶液中的氣侵情況也可通過時(shí)域分析方法進(jìn)行定量表征。

圖16 不同密度、流速下蔗糖溶液信號(hào)電壓均值與含氣率擬合曲線

3.2.2 多普勒超聲波頻域信號(hào)分析

①停泵狀態(tài)下的頻域信號(hào)分析：在頻域信號(hào)分析方法的基礎(chǔ)上，查找含氣率為0時(shí)，密度為1.00，1.15，1.22，1.30 g/cm3的溶液及密度為1.30 g/cm3、添加PAM的溶液共5種溶液的幅度譜實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到對(duì)應(yīng)的5個(gè)主頻頻率分別為17 938，17 928，18 058，18 048，18 018 Hz，可以看到5種溶液的主頻頻率相差不大。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)不同含氣率條件下的多普勒頻移量，得到多普勒頻移量隨含氣率的變化關(guān)系曲線（見圖17）。圖中顯示多普勒頻移量隨著含氣率的增大而增大，未加PAM的溶液多普勒頻移量曲線大部分重合在一起，基本呈相同的線性關(guān)系；而加入PAM溶液的多普勒頻移量曲線上升趨勢(shì)變緩，幅值在相同含氣率下明顯下降，但依然基本呈線性關(guān)系。因此，蔗糖溶液停泵狀態(tài)下同樣可以用頻域信號(hào)分析的方法對(duì)含氣率進(jìn)行定量表征。

圖17 蔗糖溶液多普勒頻移量與含氣率擬合曲線

②開泵狀態(tài)下的頻域信號(hào)分析：圖18為流速0.65 m/s，含氣率為0時(shí)，5種溶液的幅度譜與信號(hào)頻率的關(guān)系曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，5條幅度譜曲線構(gòu)型基本相同，僅在幅值上有細(xì)微差別，且均在15 000 Hz附近存在主頻，經(jīng)查找實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)主頻頻率均為16 000 Hz，且含氣率對(duì)多普勒頻移基本無影響。當(dāng)流速為0.4 m/s時(shí)，所得結(jié)果基本與此相同。這說明開泵狀態(tài)下，溶液性質(zhì)改變不會(huì)對(duì)主頻頻率產(chǎn)生影響；與停泵狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，變頻器工作產(chǎn)生的聲能對(duì)幅度譜幅度值的貢獻(xiàn)程度超過了含氣率的影響，主頻頻率不再隨含氣率的增大而產(chǎn)生偏移。因此，蔗糖溶液開泵條件下，不能通過頻域信號(hào)分析方法進(jìn)行含氣率的定量表征。

圖18 溶液密度（黏度）對(duì)幅度譜的影響（含氣率為0）

基于上述分析，可以將隔水管外多普勒超聲波氣侵早期監(jiān)測(cè)方法歸納為：①在隔水管外沿程安裝多普勒發(fā)射及接收模塊，由發(fā)射模塊發(fā)出多普勒超聲波信號(hào)，經(jīng)隔水管壁穿透到鉆井液中，由接收模塊接收信號(hào)；②平臺(tái)上的信號(hào)采集及分析系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行初步分析，如果與發(fā)出信號(hào)波形一致，則無氣侵發(fā)生，如果信號(hào)波形發(fā)生變化，則進(jìn)行時(shí)域、頻域信號(hào)分析；③根據(jù)時(shí)域、頻域分析法建立的多普勒信號(hào)與含氣率的關(guān)系式，定量求出含氣率的值，從而指導(dǎo)下一步的壓井作業(yè)。

4 結(jié)論

無論開泵循環(huán)或停泵，深水鉆井隔水管外多普勒超聲波信號(hào)電壓均值均隨著含氣率上升先上升后下降，并與含氣率具有二次函數(shù)關(guān)系，采用監(jiān)測(cè)信號(hào)電壓均值可定量反推對(duì)應(yīng)含氣率的近似值；多普勒超聲波信號(hào)在黏度較大的溶液中幅值明顯減小且變化趨勢(shì)變緩，黏度的影響遠(yuǎn)大于密度。

停泵狀態(tài)下多普勒頻移量隨含氣率的增大而增大，二者基本呈線性關(guān)系，采用監(jiān)測(cè)多普勒頻移量可定量描述含氣率的變化；開泵循環(huán)狀態(tài)下變頻器產(chǎn)生的聲能對(duì)幅度譜的影響超過了含氣率，頻域信號(hào)分析不能判斷是否發(fā)生氣侵。

隔水管外多普勒超聲波法氣侵早期監(jiān)測(cè)為非接觸式測(cè)量手段，不直接接觸流體、不受鉆井工況影響，可根據(jù)多普勒超聲波信號(hào)的變化對(duì)含氣率進(jìn)行定量表征，實(shí)現(xiàn)深水鉆井氣侵的早期監(jiān)測(cè)。

符號(hào)注釋：

a，b——擬合常數(shù)；c——超聲波在流體中的傳播速度，m；f1——發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波頻率，Hz；f2——流體中氣泡接收到的超聲波頻率，Hz；f3——接收傳感器接收到的超聲波頻率，Hz；Hg——含氣率，%；u——流體流動(dòng)速度，m/s；U——多普勒超聲波信號(hào)電壓均值，V；α——超聲波入射角度，（°）；Δf——多普勒頻移量，Hz。