Tačiau vertinant daugiafazes srutų sistemas ultragarso bangų sklidimo akustinė fizika tampa labai sudėtinga. Tiksliau, putplasčio cemento suspensijos (kuriose tyčia naudojami azoto mikro{1}}burbuliukai, kad būtų pasiektas itin mažas tankis) ir dujomis susmulkintos cemento suspensijos (kurios pereinamojo laikotarpio metu nukenčia nuo atsitiktinio dujų antplūdžio gręžiniuose) kelia rimtų iššūkių atliekant standartinius ultragarsinius bandymus. Skystos -kietos cemento matricos viduje esanti išsklaidyta dujų fazė sukelia itin didelį ultragarso bangų susilpnėjimą, sklaidą ir signalo iškraipymą. Jei laboratorinių bandymų platformoje trūksta pažangių signalų -apdorojimo algoritmų ir didelės-energijos akustinių keitiklių, garso bangą gali visiškai sugerti dujų tuštumos, todėl gaunami neįskaitomi duomenys arba didžiulės gniuždymo stiprio skaičiavimo klaidos. Šiame techniniame vadove nagrinėjami akustiniai principai, susiję su bangų slopinimu daugiafaziame cemente, išsamiai aprašomi fiziniai signalo praradimo mechanizmai ir pateikiami pažangūs laboratoriniai sprendimai, naudojant pažangiausias akustines įvertinimo sistemas.
Bangų sklidimo daugiafazėse cemento matricose akustinė fizika
Norėdami tiksliai išmatuoti nustatymo savybes naudojant ultragarso bangas, turime išanalizuoti, kaip akustinė energija sklinda per drėkinančią cemento srutą. Išilginės gniuždymo bangos (P-bangos) sklidimas per elastingą terpę reguliuojamas klasikine bangų lygtimi, kur akustinis greitis (Vp) yra medžiagos tūrio modulio (K), šlyties modulio (G) ir medžiagos tūrio tankio (p) funkcija:
Vp = √[ (K + 4/3G) / ρ ]
Įprastos hidratacijos metu, kai cemento dalelės chemiškai jungiasi su vandeniu, sudarydamos kristalinio kalcio silikato hidrato (C-S-H) fazes, matricos tūrinis modulis ir šlyties modulis labai padidėja. Dėl to akustinis greitis padidėja nuo maždaug 1500 m/s (garso greičio vandenyje) iki daugiau nei 3000 m/s visiškai sukietėjusiame cemente. Tačiau, kai yra dujų tuštumų, tūrinis skysčio fazės modulis sumažėja iki pradinės vertės dalies. Kadangi dujos yra labai suspaudžiamos, jos veikia kaip akustinė kempinė, sumažindamos bendrą P-bangos greitį ir smarkiai sumažindamos akustinio signalo amplitudę. Šis fizinis pokytis įveda du pagrindinius akustinės energijos praradimo mechanizmus: Rayleigh sklaidą ir klampų slopinimą.
1 pav. NCKQ2022 ultragarsinis statinis gelio stiprumo analizatorius (SGSA), sukurtas neardomajai akustinio cemento analizei.
Rayleigh sklaida ir klampi absorbcija: kaip dujų tuštumos iškreipia garso bangas
Kai ultragarso banga suspensijoje susiduria su dujų burbulu, akustinė energija nekeliauja per dujas tiesia linija. Vietoj to, jis patiria stiprų bangų sklaidą ir susilpnėjimą:
1. Rayleigh ir Mie akustinė sklaida
Kai skleidžiamo akustinio signalo bangos ilgis yra didesnis nei dujų burbuliukų skersmuo arba panašus į jį, banga intensyviai sklaidosi. Akustinis bangos frontas užuot nukeliauja tiesiai iš siųstuvo keitiklio į imtuvą, smogia į dujų{1}}skysčių sąsajas ir išsisklaido visomis kryptimis. Šis sklaida labai pablogina koherentinį bangos frontą, sukeldamas drastišką signalo amplitudės praradimą priimančiame keitiklyje. Putų cemente, kur burbulų dydžiai yra maži ir vienodi, dominuoja Mie sklaida, sukurianti nuspėjamą, bet labai sudėtingą slopinimo profilį. Dujomis -supjaustytuose cementuose, kur dujų kišenės yra netaisyklingos ir nestabilios, atsiranda chaotiška sklaida, kuri gali visiškai užblokuoti priėmimo jutiklį, jei prietaisai neteisingai sukalibruoti.
2. Klampios energijos išsklaidymas
Be sklaidos, kiekvieną dujų burbulą supantis ribinis sluoksnis veikia kaip intensyvios klampios trinties zona. Kai suspaudimo akustinė banga praeina per matricą, ji sukelia dujų -skysčių sąsajų virpesius. Ši mikro-vibracija koherentinę garso bangos kinetinę energiją paverčia vietine šilumine energija dėl skysčio šlyties įtempių ir šilumos mainų. Ši klampi sugertis labai priklauso nuo dažnio{5}}. Standartiniai aukšto -dažnio ultragarso signalai (pvz., 500 kHz arba 1 MHz) greitai sugeriami dėl šių ribinių sąveikų, todėl būtina reguliuoti keitiklio dažnius ir energijos lygius, kai bandoma įpilti dujų.
Ultragarso bangų veikimo palyginimas: standartinės ir daugiafazės cemento suspensijos
Norint pasirinkti tinkamą bandymo įrangą ir kalibravimo modelius, labai svarbu suprasti, kaip skirtingos srutų konstrukcijos veikia akustinį perdavimą. Žemiau esančioje lyginamojoje lentelėje pateikiami akustiniai parametrai ir signalų iššūkiai, pastebėti skirtingose cemento formulėse:
| Akustinis parametras | Standartinė tvarkinga cemento srutos | Putų cemento suspensija (N₂ mikro{0}}burbuliukai) | Dujos{0}}Cemento srutos (chaotiškas dujų srautas) |
|---|---|---|---|
| Pradinis akustinis greitis | ~1500 m/s iki 1600 m/s (labai stabilus, vienodas perdavimo kelias). | ~800 m/s iki 1100 m/s (žymiai sumažėjo dėl didelio skysčio gniuždomumo). | Labai nestabilus, svyruoja nuo 900 m/s iki 1400 m/s, kai dujos migruoja. |
| Bangos slopinimo koeficientas | Mažas slopinimas; minimalus signalo praradimas per kietėjimo ciklą. | Didelis, vienodas slopinimas; reikia specializuotų žemo{0}}dažnio keitiklių. | Itin didelis, lokalizuotas slopinimas; linkęs visiškai prarasti signalą (baltas triukšmas). |
| Pirminis praradimo mechanizmas | Pagrindinis hidratacijos sugėrimas (energija absorbuojama besivystant C-S-H kristalams). | Valdomi Rayleigh sklaidos ir klampaus ribinio sluoksnio energijos nuostoliai. | Sunkus, chaotiškas Mie sklaidymas kartu su visišku akustiniu blokavimu. |
| Stiprumo koreliacijos modelis | Standartinė API kelionės{0}}laiko lygtis (tiesiogiai paverčia tranzito laiką į stiprumą). | Modifikuoti daugiafazio tankio kalibravimo modeliai su slopinimo korekcijomis. | Dinaminis bazinis stebėjimas su signalo{0}}stiprinimu ir filtravimu realiuoju laiku. |
| Optimali testavimo aparatūra | Standartiniai ultragarsiniai cemento analizatoriai, naudojantys pagrindinius keitiklius. | Pažangūs SGSA su didelės{0}}skvarbos akustiniais siųstuvais. | Aukščiausios kokybės akustinės sistemos, integruotos su tiksliu slėgio valdymu. |
Išplėstinės algoritminės korekcijos, skirtos neardomajam daugiafaziam bandymui{0}}
Tradicinės UCA sistemos apskaičiuoja gniuždymo stiprumą naudodamos paprastus{0}}perėjimo laiko algoritmus. Šie algoritmai numato vienos-fazės medžiagą ir, naudodami empirines formules, akustinę kelionės trukmę tiesiogiai paverčia gniuždymo stipriu. Tačiau šios paprastos lygtys nepavyksta, kai jos taikomos putotoms arba dujomis{4}}supjaustytoms srutoms. Kadangi akustinį greitį dirbtinai sumažina dujų fazė, standartinis algoritmas lėtą bangos greitį interpretuoja kaip silpną, nesukietėjusią cemento matricą, todėl stiprio vertės yra labai neįvertintos. Dėl šių klaidingų duomenų operatoriai gali be reikalo ilgai laukti prieš tęsdami gręžimą, o tai padidins veiklos išlaidas.
Norėdami įveikti šį apribojimą, pažangios akustinio vertinimo sistemos naudoja skaitmeninį signalo apdorojimą (DSP), kad išanalizuoti visą bangos formą. Užuot sekę tik pirmąjį bangos atvykimo laiką, šiuolaikiniai procesoriai analizuoja bangos amplitudę, dažnių spektrą ir energijos mažėjimo greitį naudodami greitojo Furjė transformacijos (FFT) algoritmus. Tai leidžia sistemai atskirti signalo vėlavimą, kurį sukelia cemento hidratacija, ir vėlavimą, kurį sukelia dujų burbuliukų sąveika. Nuolat sekdami bangos slopinimą kartu su greičiu, naujos-kartos prietaisai taiko matematines pataisas realiuoju-laiku, kad perskaičiuotų faktinį cemento matricos tūrinį modulį, o tai suteikia labai tikslius gniuždymo stiprumo duomenis net ir stipriai aeruotose suspensijose.
2 pav. Realaus laiko{1}}akustinio signalo sekimas ir bangos formos analizė pažangiame NCKQ ekrane.
Laboratorijos darbo eigos sinchronizavimas: konsistometrai, kietėjimo kameros ir ultragarsiniai analizatoriai
Norint sugeneruoti tikslius gręžinio barjero duomenis, reikalinga suderinta bandymų eiga, nes specializuotose testavimo sistemose turi būti patvirtinti skirtingi fiziniai parametrai. Suspensija pirmiausia ruošiama didelės šlyties sąlygomis, naudojant pastovaus greičio maišytuvą, kad būtų užtikrinta vienoda cheminė dispersija. Tada dinaminis formulės tirštėjimo elgesys įvertinamas naudojant automatinįHPHT konsistometras, patvirtinantis, kad srutos išlieka siurbiamos per visą imituojamą gręžinių įdėjimo kelią.
Norint įvertinti stiprumą gniuždant, cementas sukietėja imituojant gręžinio slėgį ir temperatūrą. Bandant susmulkintas dujas{1}}, akustinio bandymo kameroje reikia nedelsiant pritaikyti aukštą hidrostatinį slėgį. Šis slėgis suspaudžia dujų burbuliukus iki minimalaus fizinio tūrio, padeda atkurti akustinį ryšį ir neleidžia visiškai užblokuoti garso bangos. Norint nustatyti pradines fizines savybes, lygiagretūs mėginiai kietinami taikant identiškus šiluminius ciklus aukšto -našumo sąlygomisHPHT kietėjimo kamerosardomojo gniuždymo bandymams, užtikrinant, kad neardomieji akustiniai matavimai būtų visiškai sukalibruoti pagal fizinio stiprumo vertes.
Toliau pateiktame vaizdo įraše parodyta tinkama pažangaus ultragarsinio statinio gelio stiprumo analizatoriaus darbo eiga ir konfigūracija, pabrėžiant, kaip tikslios laboratorinės procedūros pašalina duomenų dispersiją atliekant daugiafazį tyrimą:
▶ Žiūrėkite NCKQ ultragarsinio statinio gelio stiprumo analizatoriaus SGSA veikimo vaizdo įrašą
1 vaizdo įrašas: išsami NCKQ Ultrasonic SGSA sistemos veikimo ir signalo kalibravimo darbo eiga.
Kad patikrintų neardomųjų akustinių matavimų tikslumą, laboratorijos specialistai atlieka sustingusių cemento kubelių ardomuosius gniuždymo bandymus naudodami hidraulinį gniuždomojo stiprumo matuoklį. Toliau pateiktame vaizdo įraše parodytas destruktyvus tikrinimo procesas, kuriame pateikiami fiziniai pradiniai duomenys, reikalingi ultragarso algoritmams kalibruoti:
▶ Žiūrėkite NYSQ destruktyvaus gniuždymo stiprumo testerio veikimo vaizdo įrašą
2 vaizdo įrašas: fizinis cemento bandinio gniuždymo stiprio patikrinimas naudojant ardomąjį hidraulinį presą.
Techninis planas ultragarsiniams bandymams atlikti{0}}užpiltose dujose
Naudokite šį techninį laboratorinį kontrolinį sąrašą, kad sukonfigūruotumėte ultragarsinius cemento analizatorius, koreguotų signalų apdorojimo nustatymus ir užtikrintumėte pasikartojančius putplasčio ir{0}}dujų pavidalo mišinių stiprumo duomenis.
✔ 1 veiksmas: optimizuokite keitiklio dažnio ir energijos nustatymus
• Pasirinkite žemo -dažnio akustinius keitiklius (pvz., 120 kHz arba 250 kHz), kai bandote putotas arba dujomis{3}}supjaustytas suspensijas, kad sumažintumėte Rayleigh sklaidos nuostolius.
• Programinės įrangos nustatymuose padidinkite siųstuvo sužadinimo įtampą, kad užtikrintumėte, jog pakankamai akustinės energijos prasiskverbtų į aeruotą cemento matricą.
• Patikrinkite, ar siųstuvo ir imtuvo paviršiai yra visiškai švarūs ir be sukietėjusio cemento likučių, kad išlaikytumėte optimalų akustinį ryšį.
✔ 2 veiksmas: pritaikykite hidrostatinės kameros slėgį
• Visiškai užpildykite bandymo kamerą ir sandariai uždarykite agregatą, užtikrindami, kad kameros viršuje neliktų atmosferos oro kišenių.
• Nedelsdami pritaikykite tikslinį hidrostatinį slėgį naudodami aukšto{0}}slėgio siurblį, kad suslėgtumėte dujų burbuliukus iki minimalaus tūrio.
• Viso hidratacijos ciklo metu palaikykite pastovų slėgį, naudodami automatinius valdiklius, kad kompensuotų bet kokius skysčio tūrio pokyčius kietėjimo metu.
✔ 3 veiksmas: sukalibruokite slopinimo ir kelionės{1}}laiko algoritmus
• Į valdymo sistemą įvesti teisingą suspensijos tankį ir projektinius parametrus, pasirenkant tinkamą daugiafazės korekcijos modelį.
• Sureguliuokite signalo gavimo slenkstį, kad didelis slopinimas arba sklaida nebūtų klaidingai pažymėta kaip visiškas signalo praradimas.
• Naudokite realaus laiko bangos formos analizę{0}}, kad patikrintumėte, ar sistema seka tikrąjį pirmąjį suspaudimo bangos atėjimą, o ne triukšmą.
✔ 4 veiksmas: atlikite destruktyvų gniuždymo palyginimą
• Sukietinkite lygiagrečią cemento bandinių rinkinį esant identiškoms temperatūros ir slėgio ciklams aukšto{0}}našumo sąlygomiskietėjimo kameros.
• Sukalibruotu hidrauliniu presu sukalibruotu hidrauliniu presu atlikite sustingusių bandinių ardomuosius gniuždymo bandymus, kad išmatuotų tikrąjį gniuždymo stiprumą.
• Palyginkite ardomojo ir ne{0}}ardomojo stiprumo vertes, prireikus pakoreguodami akustinio kalibravimo kreives, kad užtikrintumėte ilgalaikį{1}} tikslumą.
Išvada
Neardomoji ultragarso bangų analizė Tačiau bandant sudėtingas daugiafazes sistemas, pvz., putplasčio arba dujomis supjaustytą cementą, akustinė sklaida ir slopinimas gali lengvai iškraipyti tranzito laiko matavimus. Norint įveikti šiuos fizinius iššūkius, reikia, kad laboratorijos priimtų pažangias akustinio vertinimo platformas su didelės-energijos keitikliais ir išmaniosiomis signalų{6} apdorojimo sistemomis. Integruojami ultragarsiniai analizatoriai su didelio{8}}šlyties maišytuvais, automatizuotiHPHT konsistometraiir aukštas{0}}slėgiskietėjimo kamerosleidžia testavimo įrangai pašalinti duomenų dispersiją. Šis sistemingas, suderinamas su API{1}}testavimo metodas suteikia operatoriams tikslių, pakartojamų duomenų, reikalingų sukurti atsparias cemento užtvaras, užkirsti kelią dujų migracijai iš gręžinių ir užtikrinti ilgalaikį-gręžinio stabilumą.
