油藏物理模擬聲場測試實驗平臺的開發(fā)

華陳權(quán)， 車新躍， 邢蘭昌， 楊毅森

(中國石油大學(華東) 信息與控制工程學院,山東 青島 266580)

0 引 言

高溫高壓油藏物理模型實驗裝置用于模擬油藏地層高溫(恒溫箱控制)、高壓(RUSKA泵控制)環(huán)境下，在恒流ISCO雙泵提供的驅(qū)替動力下，對油藏物理模型(巖芯)進行注水、注氣、注聚合物等驅(qū)油試驗，研究不同介質(zhì)在模擬地層環(huán)境下的復雜滲流規(guī)律和驅(qū)油機理[1-3]。

在驅(qū)油試驗過程中，巖芯空隙內(nèi)各相流體空間動態(tài)分布檢測及運移規(guī)律研究是驅(qū)油模擬試驗的關(guān)鍵內(nèi)容之一，它對研究驅(qū)油機理、驅(qū)油效率等具有重要的意義。目前通常采用電容法、電阻率法、CT成像技術(shù)、微波法等方法實時監(jiān)測檢測巖芯空隙內(nèi)流體飽和度的動態(tài)分布。電容法[4]與電阻率法[5]同屬于插入式測量，需要將探頭插入到巖芯內(nèi)部，影響巖芯內(nèi)部流場分布和滲流規(guī)律。CT法屬于非侵入式方法，利用X射線對各種不同物質(zhì)穿透能力的差別，生成被測物體內(nèi)部流體分布的三維圖像,能較準確、直觀地展現(xiàn)巖芯內(nèi)部流體分布，但是實驗費用高,不適合頻繁使用，且受穿透能力、射線防護的限制，對實驗模型尺寸、實驗材料、實驗環(huán)境和實驗流程有嚴格的限制[6-7]。微波法利用微波通過不同物質(zhì)的衰減特性，具有非侵入式,快速、安全等優(yōu)點，但此法僅適用于低含水飽和度的情況，而在高飽和度時由于溶劑與吸收劑的相互作用，以及折光指數(shù)隨飽和度變化而變化，測量結(jié)果常發(fā)生偏差，也不適用于含氣的情況[8]。

本文提出了一種用于實時監(jiān)測驅(qū)油過程中巖芯空隙內(nèi)各相流體空間動態(tài)分布的非侵入式方法和實驗平臺——超聲透射法，由于超聲在不同介質(zhì)中具有不同的聲速、聲幅衰減[9-12]，通過研究超聲波透射巖芯的聲速變化和聲幅衰減特征，實現(xiàn)驅(qū)油過程中巖芯空隙內(nèi)各相流體飽和度的動態(tài)測量、各相流體空間分布的可視化以及流體運移過程與運移規(guī)律的研究。

1 基本測量原理

當聲波穿透厚度為d的某單一介質(zhì)時，聲波所經(jīng)歷的時間為：

t=d/v

(1)

當聲波穿透厚度為d的某單一介質(zhì)后聲幅衰減為：

P=P0·e-αd

(2)

式中,α為超聲在傳播介質(zhì)中的衰減系數(shù)。聲波在油、水、CO2中具有不同的衰減系數(shù)且差別較大，引起聲波穿透巖芯后聲幅衰減不同(見圖1)。當巖芯某一位置的油、水、CO2飽和度(含率)變化時，將引起聲幅不同程度的衰減，從而引起聲波穿透巖芯后聲幅的變化。所以，通過測量超聲波穿透巖芯后聲幅的變化，也可以反映這一位置油、水、CO2飽和度的變化。

圖1 聲波時差和衰減特性示意圖

綜上所述，超聲波作用于巖芯-多相流體時，當巖心空隙內(nèi)各相流體(油、水、CO2)的飽和度(含率)變化時,將引起平均聲速、聲幅衰減這兩個敏感特性的變化。即通過測量超聲探頭陣列接收到的超聲波的平均聲速、聲幅衰減的變化，可反映巖芯空隙內(nèi)流體油、水、CO2飽和度的動態(tài)變化。

2 實驗平臺設(shè)計

聲場測試實驗平臺通過測試超聲波在巖芯不同狀態(tài)時的時差(聲速)和聲幅衰減特征，由此判斷巖芯孔隙內(nèi)的各相流體分布狀況，如圖2所示。包括巖芯模型、超聲發(fā)生部分、超聲接收部分、中央控制單元4部分。

圖2 聲場測試實驗平臺總體設(shè)計圖

巖芯模型是進行驅(qū)替實驗的主體部分，模擬實際生產(chǎn)過程。超聲發(fā)生部分的作用是產(chǎn)生合適的超聲波進入巖芯模型，進行探測。超聲接收部分的作用是接收穿過模型的超聲信號，并將整個實驗過程的信號完整保存下來。軟件控制部分的作用是實現(xiàn)實驗過程的自動化，保證整套設(shè)備精確無誤的工作，確保測試結(jié)果的可靠性，并且編寫的上位機軟件需要能夠協(xié)同所有的硬件設(shè)備。

由于超聲發(fā)射與接收必須保證同步，“一發(fā)多收”時必須保證采集卡各接收通道同步，平臺設(shè)計需要考慮同步性及快速性的問題。

2.1 巖芯模型設(shè)計

物理模型是由幾何尺寸小于500 mm×500 mm×150 mm的矩形巖石由天然露頭巖石或人工膠結(jié)石英砂等制成的，根據(jù)測試要求加工成不同尺寸，模型上布置模擬注入井、生產(chǎn)井和聲波發(fā)射/接收探頭。模型表面覆涂高溫高壓樹脂密封，驅(qū)替流體從注入井進入，從生產(chǎn)井采出。圖3所示為兩類不同規(guī)格的巖芯模型及探頭陣列布置示意圖。

(a) 6×2布置

(b) 5×5布置

2.2 超聲發(fā)生單元設(shè)計

超聲波發(fā)生單元的作用是產(chǎn)生符合要求的超聲信號，并作用于巖芯模型。包括信號發(fā)生器、多路開關(guān)和超聲發(fā)射探頭。

超聲發(fā)射探頭和接收探頭均采用相同的超聲晶片，最多50對超聲探頭。根據(jù)不同實驗的需要，進行優(yōu)化設(shè)計，確定超聲探頭的數(shù)量(≤50)、頻率(0.2～10 MHz)、不同激發(fā)方式(正脈沖/負脈沖/正負脈沖)、不同電壓(10～600 V)，以及采用一維或二維晶片陣列布置方式，采用“一發(fā)一收”或“一發(fā)多收”的發(fā)射-接收模式形式。

(a)一維超聲晶片布置與組合(b)二維超聲晶片布置與組合

圖4 超聲探頭的布置與組合

信號發(fā)生器與多路切換使用日本探頭株式會社生產(chǎn)的JPR-10CN型超高功率及多波形超聲波發(fā)射接收器作為信號發(fā)生器。該設(shè)備可以產(chǎn)生10～600 V的激勵電壓，發(fā)射頻率為0.03～10 MHz，通過USB由PC控制，可以使用LabVIEW軟件進行編程。考慮到聲波的干涉效應，實驗時發(fā)射探頭每次只有一個工作，為保證“一發(fā)一收”或“一發(fā)多收”實驗，該設(shè)備配套了64路高頻高壓多路開關(guān)(100 MHz，1 kV)，用于將超聲信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號進行發(fā)射通道切換，實現(xiàn)超聲波發(fā)射探頭依次受到電壓激勵進行工作。

2.3 超聲接收單元設(shè)計

超聲波接收單元的主要功能是接收、放大、采集透射巖芯模型的超聲波信號。包括接收探頭、多路開關(guān)、放大器和數(shù)據(jù)采集卡。

超聲波穿過巖芯模型后，由接收探頭接收透射巖心模型的超聲波信號，采用4塊高頻低壓(500 MHz，150 V)多路開關(guān)NI PXI-2593進行通道切換，每塊可以實現(xiàn)16×1多路復用。但能量受到衰減，其幅值非常微弱，通常達不到數(shù)據(jù)采集卡的最小輸入信號要求，因此在對其進行采集之前，需要將其進行放大。放大器采用超低噪聲(0.6 nV/Hz1/2)、高增益(20～80 dB)的前置放大器。

由于設(shè)計的超聲頻率最高為10 MHz，同時保證“一發(fā)多收”，需選用高采樣率的同步采集卡，選用2塊NI PXIe-5122型數(shù)據(jù)采集卡，可實現(xiàn)4路同步采樣。該數(shù)據(jù)采集卡最大采樣率為100 MS/s，2路同步采樣，具有14位分辨率，64 MB大容量板載內(nèi)存，能夠以最高100 MS/s采樣率對兩個通道進行同步采集[13]。

2.4 中央控制單元設(shè)計

中央控制單元是整個實驗平臺的神經(jīng)中樞，采用美國NI公司的虛擬儀器技術(shù)[14]，用于控制整個試驗進程、對組成平臺的各個硬件設(shè)備進行控制、控制各路超聲信號的發(fā)射、實時采集/處理各路超聲信號。

中央控制單元主要有兩部分構(gòu)成：底層硬件，選用NI的PXIe模塊化硬件平臺(PXIe-8135型控制器、NI PXIe-1085型機箱)；上層軟件，選用NI的Labview2014中文版圖形化軟件開發(fā)平臺。

超聲發(fā)射接收的工作流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集的工作流程

(1) 通道切換。首先由工控機通過多路開關(guān)控制超聲的發(fā)射通道和接收通道：由高頻高壓多路開關(guān)將發(fā)射通道切換到需發(fā)射的超聲探頭，工控機通過RS-232接口控制高頻低壓多路開關(guān)將接收通道切換到需接收的超聲探頭。

(2) 信號發(fā)射。由工控機通過USB接口控制信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻高壓(300 kHz，600 V)的脈沖激勵信號，通過這個激勵信號激勵相應的超聲探頭，受激勵信號激發(fā)的超聲探頭發(fā)出超聲信號。

(3) 信號接收。超聲信號穿透巖芯后，信號比較微弱，通過放大器放大后，由高速數(shù)據(jù)采集卡采集進入工控機。

3 實驗測試

利用高溫高壓油藏物理模型實驗裝置對某巖芯模型進行了一系列驅(qū)替實驗：抽空、飽和水、飽和油、CO2驅(qū)油實驗，在上述驅(qū)替實驗過程中利用所設(shè)計的聲場測試實驗平臺對某巖芯進行了超聲實時檢測。飽和水實驗共測得8 742組波形數(shù)據(jù)；飽和油實驗共測得31 478組波形數(shù)據(jù)；CO2驅(qū)油實驗共測得24 551組波形數(shù)據(jù)。

本次實驗用的物理模型是由露頭巖石板加工、處理后得到的,尺寸為300 mm×100 mm×60 mm的巖芯，其孔隙率為30%，在兩端分別布置一口注采井，如圖3(a)所示。模型上下兩側(cè)布置12對聲波傳感器(發(fā)射和接收探頭)，探頭在巖石厚度方向等間距分布，發(fā)射探頭與接收探頭一一垂直對應，將發(fā)射和接收探頭黏接在巖石表面，注采井分布在探頭外側(cè)，且位于模型寬度中間。

(1)飽和油實驗結(jié)果分析。圖6是某探頭在飽和油(油驅(qū)水)過程中不同時刻的超聲信號，數(shù)據(jù)分析：

① 從9:40開始，首波才開始往右邊移動，說明：9:40開始油的前緣已到達該探頭；

② 從9:40開始，隨著時間的增加，首波往右邊移動，首波時間增大，說明：隨著時間的增加，該探頭所穿透的路徑內(nèi)油的含量增加，聲速減小(聲波在水中速度比油中快)；

③ 從9:40開始，隨著時間的增加，首波波峰幅值慢慢減小，衰減增大，說明：隨著時間的增加，油量也增加，導致透射后的聲波幅值減小(聲波在水中衰減比油中小);

④ 首波時間變化、首波波峰幅值變化都明顯變小，說明油與水之間聲速、衰減的相差較小，但也能明顯區(qū)分變化。

總之，隨著時間的增加，含油量增加，首波時間逐漸增大，波速減小；由于衰減增大,首波波峰幅值慢慢減小。與實驗情況相符。

圖6 飽和油過程中某探頭不同時刻的超聲信號

(2)飽和油實驗結(jié)果分析。圖7也是該探頭在CO2驅(qū)油過程中不同時刻的超聲信號，數(shù)據(jù)分析：

① 從9:25開始，首波才開始往右邊移動，說明：9:25開始油的前緣已到達該探頭；

② 從9:25開始，隨著時間的增加，首波往右邊移動，首波時間增大，說明：隨著時間的增加，12#探頭所穿透的路徑內(nèi)CO2的含量增加，聲速減小(聲波在水/油中速度比氣中快得多)；

③ 從9:25開始，隨著時間的增加，首波波峰幅值慢慢減小，衰減增大，說明：隨著時間的增加，CO2氣量也增加，導致透射后的聲波幅值減小(聲波在水/油中衰減比氣中小)；

④ 與油驅(qū)水過程相比，首波時間變化、首波波峰幅值變化都明顯變大，說明：油與水之間聲速、衰減的相差較小。氣與水/油之間聲速、衰減的相差較大。

總之，隨著時間的增加，CO2氣量增加，首波時間逐漸增大，波速減小；由于衰減增大,首波波峰幅值慢慢減小。與實驗情況相符[15]。

圖7 CO2驅(qū)油過程中某探頭不同時刻的超聲信號

(3)各相流體動態(tài)分布的計算分析。由于不同流體(油、水、CO2)的超聲波聲速、吸收衰減不同，各相流體飽和度的變化將引起超聲波透射巖芯的平均聲速、聲波衰減發(fā)生改變，所以，通過超聲波透射過巖石后的平均聲速和聲波衰減這兩個敏感特性，可以實時監(jiān)測CO2驅(qū)油過程中巖芯內(nèi)各相流體(油、水、CO2)的飽和度空間分布。

通過對聲波發(fā)生器的發(fā)射聲波信號、采集卡采集得到的接收聲波信號，進行濾波、波形比對、分析計算，得到不同時刻、不同位置的首波波至時間(時差)和首波聲幅(衰減)，從而得到超聲波在巖芯中的平均速度、聲幅衰減情況。結(jié)合不同時刻、超聲探頭陣列的分布位置，得到巖心孔隙內(nèi)不同流體的飽和度動態(tài)分布和驅(qū)替前緣的變化，利用Matlab軟件繪制驅(qū)替過程中不同時刻超聲速度場、超聲幅值場、驅(qū)替過程飽和度場、前緣變化圖等，根據(jù)不同時刻的場圖生成動態(tài)場圖，從而確定CO2驅(qū)油過程中巖芯多空隙內(nèi)各相流體的運移過程與運移規(guī)律。

圖8所示為CO2驅(qū)油實驗過程中不同時刻巖芯空隙內(nèi)油、氣的動態(tài)分布情況，與實驗情況相符。

以上實驗表明，所設(shè)計的聲場測試實驗平臺可以用于實時監(jiān)測驅(qū)替過程中巖芯多空隙內(nèi)各相流體(油、水、CO2)空間動態(tài)分布。

4 結(jié) 語

所設(shè)計的聲場測試實驗平臺經(jīng)過2 a多的多次試驗，用于實時監(jiān)測油藏物理模擬驅(qū)替實驗過程中巖心多空隙內(nèi)各相流體(油、水、CO2)空間動態(tài)分布，實現(xiàn)了各相流體運移過程的可視化。實驗結(jié)果表明，各項功能運行正常，為明確驅(qū)替過程中巖芯孔隙內(nèi)各相流體的運移過程和運移規(guī)律，進一步為超臨界CO2驅(qū)油機理、驅(qū)油效率等研究提供了重要試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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