纯液体中混入少量气泡就会对其声学特性产生显著影响,由此可采用声波数据分析液体中的气泡含量及分布状况。油气钻井工程中,井底气侵给储层、钻井设备及人身安全带来巨大的损失。常规的气侵监测技术都有一定的滞后性、不可靠性,且相较于超声波,低频声波信噪比、准确度更高,因此基于声波对液体中气泡的敏感性,对含气泡液体中的低频声波传播特性展开研究,可为声波气侵早期井下监测技术奠定理论基础。本文从理论计算、室内实验、数值模拟三个方面进行研究。基于声传播方程、气泡振动方程,推导出低频声波在含气泡液体中传播的数学模型,并给出计算声波速度、衰减系数的理想情况理论解。设计完成了一套可视化程度高、气泡尺寸可控的含气泡液体低频声学实验装置,并开发出一套去均值、滤波降噪、互相关求速度的数据处理程序。通过控制变量法,研究了含气率、声波频率对含气泡液体中低频声波响应规律的影响。通过Auto CAD二次开发编程绘制几何模型,精确控制气泡的数量、尺寸、分布等,建立了单分散气泡模型、多分散气泡模型。基于声学理论、有限元理论、信号处理方法,在所构建几何模型的基础上通过COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟仿真,建立了含气泡液体低频声学数值模拟方法,深入研究了含气率、声波频率、气泡尺寸、液体密度、气泡半径分布随机性对低频声波响应规律的影响,并根据数值模拟结果构建出低含气率泡状流条件下声波速度、衰减系数的综合预测模型。研究结果表明:含气率是影响声波在含气泡液体中传播的最关键因素,随着含气率增加,衰减系数随之增加,声波速度呈下降趋势,当含气率从0突然增加时,声波速度呈断崖式降低,随后下降趋势将变得平缓。在低频范围内,频率和气泡尺寸主要影响声波在含气泡液体中的衰减系数,在相同含气率条件下,频率越高、气泡半径越小,衰减系数越大。随着气泡在井筒内向上运移,气泡膨胀变大,声波速度随之降低,衰减系数随之增加。当含气率、频率、气泡半径一定时,液体密度越大,声波速度越低,衰减系数越大。此外,通过数值模拟精确建模发现在多分散气泡中,无论是均匀随机分布还是正态随机分布,其与单分散气泡之间的差别都不大,在不做精确要求的前提下,分析多分散气泡模型时,可近似把其简化为由其平均半径组成的单分散气泡模型进行分析处理。