大功率超声波作用孔隙介质井孔声场场强分布及数值模拟

论文摘要

超声波石油开采技术主要是研究超声波对石油储层中流体流动的影响,而流体饱和孔隙介质是一种接近于实际油气储层结构的理论模型,孔隙度、黏滞系数和渗透率是孔隙介质的重要特征参数。其中渗透率与黏滞系数的比值（流度）能直接反映油气田产量大小。本文将井孔地层假设为流体饱和孔隙介质,根据Biot理论的流体饱和孔隙介质的本构方程和运动方程,以及声场坡印廷理论和波场能量流理论,推导出流体饱和孔隙介质中带有耗散项的声场坡印廷矢量和平均能量流密度矢量（声场强度）在柱坐标下的表达式,并应用这个表达式求解了孔隙介质井孔声场中声波强度。首先,基于课题来源及其研究的目的与意义,简要介绍了超声波在石油开采中的应用及发展现状。本文主要从能量的角度分析超声波采油技术,所以讨论了声波能量的一些概念及其应用与发展现状。其次,简要的介绍了Biot孔隙介质声场理论并分析了在声场能量理论中的应用。建立了流体饱和孔隙介质地层下由柱声源激发的井孔声场模型,用分离变量法得到柱坐标下亥姆霍兹方程的通解,它们分别对应于井内、井外声场的势函数。根据井孔边界条件确定井内声场反射系数及透射系数。再次,总结和推导了流体声场中的坡印廷矢量和声强矢量的表达式。采用与在均匀固体中推导声强公式类似的步骤,根据Biot孔隙介质声学理论中的应力-应变关亲、能量关系、声波方程,推导了流体饱和多孔介质中带有耗散项的声场坡印廷矢量和平均能量流密度矢量在柱坐标下的表达式。利用孔隙介质界面声学边界条件,可将其作为一个研究孔隙介质中声波能量分布和传播的基本方程。最后,对所建立的井孔声场的模型进行数值模拟的计算。在本文所给出的井孔参数和假设条件下,声强在井壁处衰减为声源处的45%,声波能量在井内液体介质中的衰减幅度是很大的。在声场强度分析的基础上,分析了井孔内外的能量流密度衰减情况,并就一个周期内不同时间的瞬时能量流密度的分布进行了阐述。对井孔声场的声压的衰减和分布进行了分析,并比较了相同条件下不同参数对声压的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.2 超声波石油开采技术
• 1.3 孔隙介质声学理论模型及应用
• 1.4 声波的能量
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 流体饱和孔隙介质中的声场
• 2.1 孔隙介质
• 2.2 Biot理论及孔隙介质声场
• 2.3 本章小结
• 第3章 柱声源下的井孔声场
• 3.1 柱声源下井孔模型的建立
• 3.1.1 井孔内流体中的声场
• 3.1.2 井孔外孔隙介质地层中的声场
• 3.2 边界条件与井孔内、外声场的计算
• 3.2.1 边界条件
• 3.2.2 理论计算
• 3.3 本章小结
• 第4章 坡印廷矢量和声强
• 4.1 井内声场中的坡印廷矢量和声强
• 4.2 孔隙介质声场中的坡印廷矢量和声强
• 4.2.1 基本方程
• 4.2.2 孔隙介质中带有耗散项的声场坡印廷矢量
• 4.2.3 井外孔隙介质中的能量流密度与声强
• 4.3 本章小结
• 第5章 孔隙介质井孔声场能量分布数值模拟与分析
• 5.1 井孔模型参数及井孔内外声强分布
• 5.2 不同参数下井孔内外的声强
• 5.2.1 频率对声强分布及纵波波速的影响
• 5.2.2 渗透率的变化对声强分布及纵波波速影响
• 5.2.3 孔隙介质参数对声强分布及纵波波速影响
• 5.3 井孔内外的能量流密度
• 5.4 井孔内外的声压分布
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢