一种基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法

本发明属于压裂返排检测，尤其涉及一种基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法。

背景技术：

1、在石油压裂工程中，返排液的实时流量及含砂量检测是评价压裂效果的有效手段，同时能够给后续对返排液的处理提供有用信息。压裂返排液是由原油、压裂液、天然气、砂等4个不同组分混合而成，而悬浮固体杂质主要是泥沙、岩石、含铁化合物等，其含量在100-400mg/l之间，颗粒中值粒径在1-25μm之间。

2、现有检测方式通过对管道压裂返排液进行采样后，采用自然沉降或离心的方式，基于各组分密度差异实现分层后，进行计量。这类方法的弊端十分明显：(1)需要阻断流体流动状态后采样；(2)采样至实验室检测需要时间，造成检测数据的滞后，效率低下；(3)采样过程由于样品温度、压力的变化，可能造成其物性参数的变化，测量结果无法反映管道内流体的真实数据。除此之外，现有的使用超声波法测量河流含沙量技术是针对河流的粘滞力小，而压裂返排液的粘滞力较大，与河流差异较大，对压裂返排液的含砂量测量就必须考虑其特征，本发明便考虑了粘滞力的影响。

3、超声法测量颗粒两相介质的含量与其他颗粒测量技术相比具有测量范围广、适合高浓度测量、能够实现在线测量等优点。在反排液含砂量的测量，污水浓度检测、矿浆浓度检测等实际应用中能够实现浓度的在线检测。同时，由于超声法可实现在线测量、穿透能力强的特点，尤其适合工业现场应用。只需要发射传感器以一定频率发出超声波，经过与被检测的媒质相互作用后，接收到的超声波携带了被检测媒质的信息，通过对接收信号进行分析就可以获得想要得到的被测媒质信息。

4、因此，设计了一种基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，能够简便、快速且能实时检测压裂返排液含砂量，能够有效解决上述问题，提高作业效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，实现对超声波在压裂返排液中的粘滞衰减系数和散射衰减系数的测量，便捷实时地确定压裂返排液含砂量。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，包括如下步骤：

4、步骤1.使小部分待测压裂返排液流过测量管道；

5、步骤2.fpga控制芯片产生脉冲信号驱动安装于管道之上的超声波发射换能器发射超声波信号，可得到对应的超声波初始幅值；

6、步骤3.同样安装在管道之上的超声波接收换能器接收超声波信号，得到对应的超声波衰减后的幅值，同时可以得到传播时间进而获得声速；

7、步骤4.使获取到的超声波信号通过超声波信号调理模块消除噪声信号；

8、步骤5.通过数据采集模块将传感器得到的模拟电信号进行模数转换，并将数字信号传输至计算机中，对信号进行分析处理，得到与返排液含砂量相关的参数值；

9、步骤6.通过上述步骤获得的幅值变化等信息，可以得到声衰减系数；

10、步骤7.最后结合epstein超声波衰减模型和已知数据求得压裂返排液含砂量。

11、进一步的，利用所述待测压裂返排液的含砂量，对石油压裂工程中的压裂效果进行测评，对后续压裂返排液的处理给出参考。

12、进一步的，所述测量管道上还安装了传感器模块，能够直接获取所述超声波接收换能器的信息，同时可以获取所述压裂返排液的信息，并将信息传递给数据采集模块。

13、具体是：传感器模块能够获取到超声波发射时间与接收时间，从而得到超声波传播时间，在已知发射探头与接收探头距离情况下便可得超声波传播速度。

14、其中，所述超声波接收换能器接收超声波信号得到对应的超声波衰减后的幅值并且得到传播时间进而获得声速是接收到了发生衰减的第一超声波信号，通过传感器模块可得所述第一超声波信号的初始幅值与第二超声波信号的衰减幅值。

15、进一步的，所述的超声波衰减的信息可通过超声波发射换能器和超声波接收换能器共同获得，超声波衰减的信息和压裂返排液中的含砂量存在一定的函数关系；

16、其中，所述衰减系数可通过下式获得：

17、

18、其中，l为超声波传播距离；a1为第一超声波信号的振幅；a2为第二超声波信号的振幅。

19、其中，所述结合epstein超声波衰减模型和已知数据求得压裂返排液含砂量包括：先计算粘滞衰减；在epstein超声波衰减模型下压裂返排液与超声波满足“长波长”条件，粘滞衰减可表示为如下：

20、

21、其中，n为单位体积的压裂返排液中含有的悬浮固体颗粒的数量；r为压裂返排液粒度；δ为返排液和固体颗粒物密度值之比；为粘滞系数；ω为振动的角频率值。

22、再计算散射吸收衰减系数，可表示如下：

23、

24、其中，k为纵波传播常数。

25、所述纵波传播常数表达式如下：

26、

27、可得总衰减系数为：

28、α＝αn+αs

29、最后代入已得的衰减系数并由已知条件可得到n，即所述单位体积的压裂返排液中含有的悬浮固体颗粒的数量，便可得到压裂返排液含砂量。

30、进一步的，其中fpga控制芯片产生脉冲信号通过写入程序控制fpga控制芯片使单脉冲触发信号向超声波发射换能器持续发出宽度为500ns，脉冲频率为200hz的触发脉冲波，可得第一超声波信号的初始幅值。

31、进一步的是，fpga控制芯片通过usb接口和pc机进行连接，将采样得到的数据上传到上位机进行进一步的分析和处理。通过对数据进行分析处理后将所得数据代入epstein超声波衰减模型计算可得压裂返排液含砂量。

32、本发明的有益效果：

33、1、无可动部件，测量结果不受流速、压力等工况影响。

34、2、非接触式测量，测量超声波的传感器不与钻井液直接接触，不受介质腐蚀性影响。

35、3、通过测量装置能够简便、快速且能实时观测压裂返排液含砂量。

36、4、无需阻断流体流动进行采样，让压裂返排液通过装置即可，安全环保。

37、5、测量时压裂返排液物性参数不会发生变化，测量结果能够反应管道内流体的真实数据。

技术特征：

1.一种基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，其特征在于,包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，其特征在于,还包括利用待测压裂返排液的含砂量，对石油压裂工程中的压裂效果进行测评，对后续压裂返排液的处理给出参考。

3.根据权利要求1所述的基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，其特征在于，所述管道上还安装了传感器模块，能够直接获取超声波接收换能器的信息，同时获取压裂返排液的信息，并将信息传递给数据采集模块；

4.根据权利要求1所述的基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，其特征在于,步骤3具体为：超声波接收换能器接收超声波信号得到对应的超声波衰减后的幅值并且得到传播时间进而获得声速是接收到了发生衰减的第一超声波信号，通过传感器模块得第一超声波信号的初始幅值与第二超声波信号的衰减幅值。

5.根据权利要求1所述的基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，其特征在于,步骤7.所述的超声波衰减的信息通过超声波发射换能器和超声波接收换能器共同获得，超声波衰减的信息和压裂返排液中的含砂量存在一定的函数关系；

6.根据权利要求1所述的基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，其特征在于，步骤2中，fpga控制芯片产生脉冲信号通过写入程序控制fpga控制芯片使单脉冲触发信号向超声波发射换能器持续发出宽度为500ns，脉冲频率为200hz的触发脉冲波，得第一超声波信号的初始幅值。

7.根据权利要求6所述的基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，其特征在于，fpga控制芯片通过usb接口和pc机进行连接，将采样得到的数据上传到上位机进行进一步的分析和处理。

技术总结
本发明提供一种基于超声波的压裂返排液含砂量测量方法，包括使小部分待测压裂返排液流过测量管道；FPGA控制芯片产生脉冲信号驱动安装于管道之上的超声波发射换能器发射超声波信号，可得到对应的超声波初始幅值；同样安装在管道之上的超声波接收换能器接收超声波信号，得到对应的超声波衰减后的幅值，同时可以得到传播时间进而获得声速；使获取到的超声波信号通过超声波信号调理模块消除噪声信号。实现对超声波在压裂返排液中的粘滞衰减系数和散射衰减系数的测量，便捷实时地确定压裂返排液含砂量。

技术研发人员：梁海波,李国庆,李忠兵,邹佳玲
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16