華陳權， 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)環境下，在恒流ISCO雙泵提供的驅替動力下，對油藏物理模型(巖芯)進行注水、注氣、注聚合物等驅油試驗，研究不同介質在模擬地層環境下的復雜滲流規律和驅油機理[1-3]。

在驅油試驗過程中，巖芯空隙內各相流體空間動態分布檢測及運移規律研究是驅油模擬試驗的關鍵內容之一，它對研究驅油機理、驅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、微波法等方法實時監測檢測巖芯空隙內流體飽和度的動態分布。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部，影響巖芯內部流場分布和滲流規律。CT法屬于非侵入式方法，利用X射線對各種不同物質穿透能力的差別，生成被測物體內部流體分布的三維圖像,能較準確、直觀地展現巖芯內部流體分布，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的衰減特性，具有非侵入式,快速、安全等優點，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，以及折光指數隨飽和度變化而變化，測量結果常發生偏差，也不適用于含氣的情況[8]。

本文提出了一種用于實時監測驅油過程中巖芯空隙內各相流體空間動態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，實現驅油過程中巖芯空隙內各相流體飽和度的動態測量、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的某單一介質時，聲波所經歷的時間為：

t=d/v

(1)

當聲波穿透厚度為d的某單一介質后聲幅衰減為：

P=P0·e-αd

(2)

式中,α為超聲在傳播介質中的衰減系數。聲波在油、水、CO2中具有不同的衰減系數且差別較大，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，可反映巖芯空隙內流體油、水、CO2飽和度的動態變化。

2 實驗平臺設計

聲場測試實驗平臺通過測試超聲波在巖芯不同狀態時的時差(聲速)和聲幅衰減特征，由此判斷巖芯孔隙內的各相流體分布狀況，如圖2所示。包括巖芯模型、超聲發生部分、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計圖

巖芯模型是進行驅替實驗的主體部分，模擬實際生產過程。超聲發生部分的作用是產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實驗過程的自動化，保證整套設備精確無誤的工作，確保測試結果的可靠性，并且編寫的上位機軟件需要能夠協同所有的硬件設備。

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

2.1 巖芯模型設計

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石英砂等制成的，根據測試要求加工成不同尺寸，模型上布置模擬注入井、生產井和聲波發射/接收探頭。模型表面覆涂高溫高壓樹脂密封，驅替流體從注入井進入，從生產井采出。圖3所示為兩類不同規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 超聲發生單元設計

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

超聲發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。根據不同實驗的需要，進行優化設計，確定超聲探頭的數量(≤50)、頻率(0.2～10 MHz)、不同激發方式(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“一發一收”或“一發多收”的發射-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

信號發生器與多路切換使用日本探頭株式會社生產的JPR-10CN型超高功率及多波形超聲波發射接收器作為信號發生器。該設備可以產生10～600 V的激勵電壓，發射頻率為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，實驗時發射探頭每次只有一個工作，為保證“一發一收”或“一發多收”實驗，該設備配套了64路高頻高壓多路開關(100 MHz，1 kV)，用于將超聲信號發生器產生的激勵信號進行發射通道切換，實現超聲波發射探頭依次受到電壓激勵進行工作。

2.3 超聲接收單元設計

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、放大器和數據采集卡。

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NI PXI-2593進行通道切換，每塊可以實現16×1多路復用。但能量受到衰減，其幅值非常微弱，通常達不到數據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。

由于設計的超聲頻率最高為10 MHz，同時保證“一發多收”，需選用高采樣率的同步采集卡，選用2塊NI PXIe-5122型數據采集卡，可實現4路同步采樣。該數據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 中央控制單元設計

中央控制單元是整個實驗平臺的神經中樞，采用美國NI公司的虛擬儀器技術[14]，用于控制整個試驗進程、對組成平臺的各個硬件設備進行控制、控制各路超聲信號的發射、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平臺。

超聲發射接收的工作流程如圖5所示。

圖5 數據采集的工作流程

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

(2) 信號發射。由工控機通過USB接口控制信號發生器產生高頻高壓(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，受激勵信號激發的超聲探頭發出超聲信號。

(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，由高速數據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替實驗：抽空、飽和水、飽和油、CO2驅油實驗，在上述驅替實驗過程中利用所設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組波形數據；飽和油實驗共測得31 478組波形數據；CO2驅油實驗共測得24 551組波形數據。

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。模型上下兩側布置12對聲波傳感器(發射和接收探頭)，探頭在巖石厚度方向等間距分布，發射探頭與接收探頭一一垂直對應，將發射和接收探頭黏接在巖石表面，注采井分布在探頭外側，且位于模型寬度中間。

(1)飽和油實驗結果分析。圖6是某探頭在飽和油(油驅水)過程中不同時刻的超聲信號，數據分析：

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)飽和油實驗結果分析。圖7也是該探頭在CO2驅油過程中不同時刻的超聲信號，數據分析：

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驅油過程中某探頭不同時刻的超聲信號

(3)各相流體動態分布的計算分析。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，可以實時監測CO2驅油過程中巖芯內各相流體(油、水、CO2)的飽和度空間分布。

通過對聲波發生器的發射聲波信號、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。結合不同時刻、超聲探頭陣列的分布位置，得到巖心孔隙內不同流體的飽和度動態分布和驅替前緣的變化，利用Matlab軟件繪制驅替過程中不同時刻超聲速度場、超聲幅值場、驅替過程飽和度場、前緣變化圖等，根據不同時刻的場圖生成動態場圖，從而確定CO2驅油過程中巖芯多空隙內各相流體的運移過程與運移規律。

圖8所示為CO2驅油實驗過程中不同時刻巖芯空隙內油、氣的動態分布情況，與實驗情況相符。

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

4 結 語

所設計的聲場測試實驗平臺經過2 a多的多次試驗，用于實時監測油藏物理模擬驅替實驗過程中巖心多空隙內各相流體(油、水、CO2)空間動態分布，實現了各相流體運移過程的可視化。實驗結果表明，各項功能運行正常，為明確驅替過程中巖芯孔隙內各相流體的運移過程和運移規律，進一步為超臨界CO2驅油機理、驅油效率等研究提供了重要試驗基礎數據。

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