超声脉冲回波数值模拟数据集：助力油气井完整性调查的关键突破

《Scientific Data》：Ultrasonic pulse-echo dataset from numerical modelling for oil and gas well integrity investigations

在油气井完整性调查中，超声脉冲回波（PE）测量技术用于确定管后材料及状况等，但现有分析方法各异且缺乏带真实值的数据。研究人员通过 COMSOL Multiphysics 模拟生成 PE 测量数据集。这有助于研究现有算法、开发新技术，对油气井完整性研究意义重大。

　　在油气资源开采领域，确保油气井的完整性至关重要。超声脉冲回波（PE）测量技术就像油气井的 “健康体检师”，它能帮助工程师们了解油气井管道的状况，判断管道的厚度、管道后面材料的性质，还能发现可能存在的流体填充环空等问题。然而，目前不同石油公司采用的分析方法差异很大，这些方法在分析过程和数据利用上都不一样，而且从现场测量得到的数据往往缺乏准确的真实参考值，这就好比医生在给病人看病时，没有准确的检查标准，很难做出精准的诊断。为了突破这些困境，来自挪威科技大学（Norwegian University of Science and Technology，NTNU）和 SINTEF AS 的研究人员 Anja Diez、Erlend Magnus Viggen、Tonni Franke Johansen 开展了一项研究，他们通过数值模拟生成了一套带有真实参考值的超声脉冲回波测量数据集。这项研究成果发表在《Scientific Data》上，为油气井完整性研究带来了新的曙光。

研究人员在开展这项研究时，主要运用了基于 COMSOL Multiphysics 软件的有限元数值建模技术。在建模过程中，他们构建了轴对称 3D 模型（2.5D 模型）和 3D 模型，同时利用了软件中的声学和结构力学模块。为了模拟出更贴合实际的情况，研究人员设定了多种模型参数变化，像管道厚度、管道内外材料、管道直径、环空厚度以及偏心度等都在他们的研究范围内。

下面来详细看看研究结果。在模型设置方面，研究人员将基础几何结构设定为轴对称 3D 模型，也就是 2.5D 模型。在这个模型里，他们通过定义 2D 横截面的几何形状，并假设方位角对称，大大降低了模型的计算量。为了避免模型边界的反射干扰，他们在模型周围设置了吸收层。在模拟偏心情况时，研究人员采用 3D 模型，通过改变换能器和管道的相对位置来实现。而在引入环空（即管道和周围地层之间的间隙）时，他们根据不同情况分别采用了时域公式和时间显式公式。

在模型变化方面，研究人员选用了多种在钻孔中可能出现的材料，比如管道用钢，还有油基泥浆（obm）、水基泥浆（wbm）、加压甲烷、页岩、水泥等。这些材料的参数都有详细设定，像甲烷的参数是基于标准条件下的参数，通过理想气体近似外推到 100 bar 和 60°C 得到的。研究人员以基础模型为参照，对几何结构、材料等进行了多种变化，涵盖了从管道厚度到管道直径等多方面的改变，为后续研究提供了丰富的数据基础。

从数据记录来看，研究人员将生成的数据通过 Mendeley Data 进行了发布。这些数据包括用于生成数据集的 COMSOL 模型设置文件（.mph 文件）、包含原始数据的时间序列文本文件（.txt 文件）以及经过处理的带有元数据的时间序列文件（.json 文件）。其中，.json 文件包含了模型的详细元数据，方便其他研究人员重现数据集。

在技术验证环节，研究人员对模型结果的一致性进行了深入研究。他们发现，2.5D 模型虽然在模拟管道时存在一定的几何误差，将管道模拟成了具有相同半径的球壳，但在管道直径不小于 9 英寸时，其结果与 3D 模型吻合度较高。而且，2.5D 和 3D 模型的波形与 1D 模型波形相比，虽然存在差异，但总体趋势是一致的。与实际井下数据相比，虽然无法进行精确对比，但与实验室缩比实验数据对比时，发现两者有较好的一致性。

在使用数据集时，研究人员提供了便捷的方式。.json 文件可以用任何文本编辑器打开，开源 Python 工具包 Pyintegrity 也能读取这些文件，方便研究人员进行初步分析。

总的来说，这项研究生成的超声脉冲回波模拟数据集，为研究现有 PE 分析算法提供了详细的数据支持，有助于对比不同算法，还能推动新的 PE 分析技术的发展。它就像一把精准的 “钥匙”，打开了油气井完整性研究的新大门，让工程师们在评估油气井状况时更加准确、高效，对保障油气井的安全稳定生产具有重要的现实意义。