华陈权， 车新跃， 邢兰昌， 杨毅森

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院,山东 青岛 266580)

0 引 言

高温高压油藏物理模型实验装置用于模拟油藏地层高温(恒温箱控制)、高压(RUSKA泵控制)环境下，在恒流ISCO双泵提供的驱替动力下，对油藏物理模型(岩芯)进行注水、注气、注聚合物等驱油试验，研究不同介质在模拟地层环境下的复杂渗流规律和驱油机理[1-3]。

在驱油试验过程中，岩芯空隙内各相流体空间动态分布检测及运移规律研究是驱油模拟试验的关键内容之一，它对研究驱油机理、驱油效率等具有重要的意义。目前通常采用电容法、电阻率法、CT成像技术、微波法等方法实时监测检测岩芯空隙内流体饱和度的动态分布。电容法[4]与电阻率法[5]同属于插入式测量，需要将探头插入到岩芯内部，影响岩芯内部流场分布和渗流规律。CT法属于非侵入式方法，利用X射线对各种不同物质穿透能力的差别，生成被测物体内部流体分布的三维图像,能较准确、直观地展现岩芯内部流体分布，但是实验费用高,不适合频繁使用，且受穿透能力、射线防护的限制，对实验模型尺寸、实验材料、实验环境和实验流程有严格的限制[6-7]。微波法利用微波通过不同物质的衰减特性，具有非侵入式,快速、安全等优点，但此法仅适用于低含水饱和度的情况，而在高饱和度时由于溶剂与吸收剂的相互作用，以及折光指数随饱和度变化而变化，测量结果常发生偏差，也不适用于含气的情况[8]。

本文提出了一种用于实时监测驱油过程中岩芯空隙内各相流体空间动态分布的非侵入式方法和实验平台——超声透射法，由于超声在不同介质中具有不同的声速、声幅衰减[9-12]，通过研究超声波透射岩芯的声速变化和声幅衰减特征，实现驱油过程中岩芯空隙内各相流体饱和度的动态测量、各相流体空间分布的可视化以及流体运移过程与运移规律的研究。

1 基本测量原理

当声波穿透厚度为d的某单一介质时，声波所经历的时间为：

t=d/v

(1)

当声波穿透厚度为d的某单一介质后声幅衰减为：

P=P0·e-αd

(2)

式中,α为超声在传播介质中的衰减系数。声波在油、水、CO2中具有不同的衰减系数且差别较大，引起声波穿透岩芯后声幅衰减不同(见图1)。当岩芯某一位置的油、水、CO2饱和度(含率)变化时，将引起声幅不同程度的衰减，从而引起声波穿透岩芯后声幅的变化。所以，通过测量超声波穿透岩芯后声幅的变化，也可以反映这一位置油、水、CO2饱和度的变化。

图1 声波时差和衰减特性示意图

综上所述，超声波作用于岩芯-多相流体时，当岩心空隙内各相流体(油、水、CO2)的饱和度(含率)变化时,将引起平均声速、声幅衰减这两个敏感特性的变化。即通过测量超声探头阵列接收到的超声波的平均声速、声幅衰减的变化，可反映岩芯空隙内流体油、水、CO2饱和度的动态变化。

2 实验平台设计

声场测试实验平台通过测试超声波在岩芯不同状态时的时差(声速)和声幅衰减特征，由此判断岩芯孔隙内的各相流体分布状况，如图2所示。包括岩芯模型、超声发生部分、超声接收部分、中央控制单元4部分。

图2 声场测试实验平台总体设计图

岩芯模型是进行驱替实验的主体部分，模拟实际生产过程。超声发生部分的作用是产生合适的超声波进入岩芯模型，进行探测。超声接收部分的作用是接收穿过模型的超声信号，并将整个实验过程的信号完整保存下来。软件控制部分的作用是实现实验过程的自动化，保证整套设备精确无误的工作，确保测试结果的可靠性，并且编写的上位机软件需要能够协同所有的硬件设备。

由于超声发射与接收必须保证同步，“一发多收”时必须保证采集卡各接收通道同步，平台设计需要考虑同步性及快速性的问题。

2.1 岩芯模型设计

物理模型是由几何尺寸小于500 mm×500 mm×150 mm的矩形岩石由天然露头岩石或人工胶结石英砂等制成的，根据测试要求加工成不同尺寸，模型上布置模拟注入井、生产井和声波发射/接收探头。模型表面覆涂高温高压树脂密封，驱替流体从注入井进入，从生产井采出。图3所示为两类不同规格的岩芯模型及探头阵列布置示意图。

(a) 6×2布置

(b) 5×5布置

2.2 超声发生单元设计

超声波发生单元的作用是产生符合要求的超声信号，并作用于岩芯模型。包括信号发生器、多路开关和超声发射探头。

超声发射探头和接收探头均采用相同的超声晶片，最多50对超声探头。根据不同实验的需要，进行优化设计，确定超声探头的数量(≤50)、频率(0.2～10 MHz)、不同激发方式(正脉冲/负脉冲/正负脉冲)、不同电压(10～600 V)，以及采用一维或二维晶片阵列布置方式，采用“一发一收”或“一发多收”的发射-接收模式形式。

(a)一维超声晶片布置与组合(b)二维超声晶片布置与组合

图4 超声探头的布置与组合

信号发生器与多路切换使用日本探头株式会社生产的JPR-10CN型超高功率及多波形超声波发射接收器作为信号发生器。该设备可以产生10～600 V的激励电压，发射频率为0.03～10 MHz，通过USB由PC控制，可以使用LabVIEW软件进行编程。考虑到声波的干涉效应，实验时发射探头每次只有一个工作，为保证“一发一收”或“一发多收”实验，该设备配套了64路高频高压多路开关(100 MHz，1 kV)，用于将超声信号发生器产生的激励信号进行发射通道切换，实现超声波发射探头依次受到电压激励进行工作。

2.3 超声接收单元设计

超声波接收单元的主要功能是接收、放大、采集透射岩芯模型的超声波信号。包括接收探头、多路开关、放大器和数据采集卡。

超声波穿过岩芯模型后，由接收探头接收透射岩心模型的超声波信号，采用4块高频低压(500 MHz，150 V)多路开关NI PXI-2593进行通道切换，每块可以实现16×1多路复用。但能量受到衰减，其幅值非常微弱，通常达不到数据采集卡的最小输入信号要求，因此在对其进行采集之前，需要将其进行放大。放大器采用超低噪声(0.6 nV/Hz1/2)、高增益(20～80 dB)的前置放大器。

由于设计的超声频率最高为10 MHz，同时保证“一发多收”，需选用高采样率的同步采集卡，选用2块NI PXIe-5122型数据采集卡，可实现4路同步采样。该数据采集卡最大采样率为100 MS/s，2路同步采样，具有14位分辨率，64 MB大容量板载内存，能够以最高100 MS/s采样率对两个通道进行同步采集[13]。

2.4 中央控制单元设计

中央控制单元是整个实验平台的神经中枢，采用美国NI公司的虚拟仪器技术[14]，用于控制整个试验进程、对组成平台的各个硬件设备进行控制、控制各路超声信号的发射、实时采集/处理各路超声信号。

中央控制单元主要有两部分构成：底层硬件，选用NI的PXIe模块化硬件平台(PXIe-8135型控制器、NI PXIe-1085型机箱)；上层软件，选用NI的Labview2014中文版图形化软件开发平台。

超声发射接收的工作流程如图5所示。

图5 数据采集的工作流程

(1) 通道切换。首先由工控机通过多路开关控制超声的发射通道和接收通道：由高频高压多路开关将发射通道切换到需发射的超声探头，工控机通过RS-232接口控制高频低压多路开关将接收通道切换到需接收的超声探头。

(2) 信号发射。由工控机通过USB接口控制信号发生器产生高频高压(300 kHz，600 V)的脉冲激励信号，通过这个激励信号激励相应的超声探头，受激励信号激发的超声探头发出超声信号。

(3) 信号接收。超声信号穿透岩芯后，信号比较微弱，通过放大器放大后，由高速数据采集卡采集进入工控机。

3 实验测试

利用高温高压油藏物理模型实验装置对某岩芯模型进行了一系列驱替实验：抽空、饱和水、饱和油、CO2驱油实验，在上述驱替实验过程中利用所设计的声场测试实验平台对某岩芯进行了超声实时检测。饱和水实验共测得8 742组波形数据；饱和油实验共测得31 478组波形数据；CO2驱油实验共测得24 551组波形数据。

本次实验用的物理模型是由露头岩石板加工、处理后得到的,尺寸为300 mm×100 mm×60 mm的岩芯，其孔隙率为30%，在两端分别布置一口注采井，如图3(a)所示。模型上下两侧布置12对声波传感器(发射和接收探头)，探头在岩石厚度方向等间距分布，发射探头与接收探头一一垂直对应，将发射和接收探头黏接在岩石表面，注采井分布在探头外侧，且位于模型宽度中间。

(1)饱和油实验结果分析。图6是某探头在饱和油(油驱水)过程中不同时刻的超声信号，数据分析：

① 从9:40开始，首波才开始往右边移动，说明：9:40开始油的前缘已到达该探头；

② 从9:40开始，随着时间的增加，首波往右边移动，首波时间增大，说明：随着时间的增加，该探头所穿透的路径内油的含量增加，声速减小(声波在水中速度比油中快)；

③ 从9:40开始，随着时间的增加，首波波峰幅值慢慢减小，衰减增大，说明：随着时间的增加，油量也增加，导致透射后的声波幅值减小(声波在水中衰减比油中小);

④ 首波时间变化、首波波峰幅值变化都明显变小，说明油与水之间声速、衰减的相差较小，但也能明显区分变化。

总之，随着时间的增加，含油量增加，首波时间逐渐增大，波速减小；由于衰减增大,首波波峰幅值慢慢减小。与实验情况相符。

图6 饱和油过程中某探头不同时刻的超声信号

(2)饱和油实验结果分析。图7也是该探头在CO2驱油过程中不同时刻的超声信号，数据分析：

① 从9:25开始，首波才开始往右边移动，说明：9:25开始油的前缘已到达该探头；

② 从9:25开始，随着时间的增加，首波往右边移动，首波时间增大，说明：随着时间的增加，12#探头所穿透的路径内CO2的含量增加，声速减小(声波在水/油中速度比气中快得多)；

③ 从9:25开始，随着时间的增加，首波波峰幅值慢慢减小，衰减增大，说明：随着时间的增加，CO2气量也增加，导致透射后的声波幅值减小(声波在水/油中衰减比气中小)；

④ 与油驱水过程相比，首波时间变化、首波波峰幅值变化都明显变大，说明：油与水之间声速、衰减的相差较小。气与水/油之间声速、衰减的相差较大。

总之，随着时间的增加，CO2气量增加，首波时间逐渐增大，波速减小；由于衰减增大,首波波峰幅值慢慢减小。与实验情况相符[15]。

图7 CO2驱油过程中某探头不同时刻的超声信号

(3)各相流体动态分布的计算分析。由于不同流体(油、水、CO2)的超声波声速、吸收衰减不同，各相流体饱和度的变化将引起超声波透射岩芯的平均声速、声波衰减发生改变，所以，通过超声波透射过岩石后的平均声速和声波衰减这两个敏感特性，可以实时监测CO2驱油过程中岩芯内各相流体(油、水、CO2)的饱和度空间分布。

通过对声波发生器的发射声波信号、采集卡采集得到的接收声波信号，进行滤波、波形比对、分析计算，得到不同时刻、不同位置的首波波至时间(时差)和首波声幅(衰减)，从而得到超声波在岩芯中的平均速度、声幅衰减情况。结合不同时刻、超声探头阵列的分布位置，得到岩心孔隙内不同流体的饱和度动态分布和驱替前缘的变化，利用Matlab软件绘制驱替过程中不同时刻超声速度场、超声幅值场、驱替过程饱和度场、前缘变化图等，根据不同时刻的场图生成动态场图，从而确定CO2驱油过程中岩芯多空隙内各相流体的运移过程与运移规律。

图8所示为CO2驱油实验过程中不同时刻岩芯空隙内油、气的动态分布情况，与实验情况相符。

以上实验表明，所设计的声场测试实验平台可以用于实时监测驱替过程中岩芯多空隙内各相流体(油、水、CO2)空间动态分布。

4 结 语

所设计的声场测试实验平台经过2 a多的多次试验，用于实时监测油藏物理模拟驱替实验过程中岩心多空隙内各相流体(油、水、CO2)空间动态分布，实现了各相流体运移过程的可视化。实验结果表明，各项功能运行正常，为明确驱替过程中岩芯孔隙内各相流体的运移过程和运移规律，进一步为超临界CO2驱油机理、驱油效率等研究提供了重要试验基础数据。

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