专利名称:石油岩芯物理模型含水饱和度微波测量装置的制作方法
本发明是一种用于石油开发研究的石油岩芯物理模型含水饱和度微波测量装置。
在石油开发研究中，需在实验室进行油田注水开发模拟实验，以观察在不同注采方式下，油层中注入水的流动情况、驱油效率、注入水和残余油的分布等等，研究并制订出最佳的注采开发工艺方案，以最高的采油速度和最高的采收率来开发油田，达到油田开发长期高产稳产的目的。一九七四年十月，美国R·W·帕逊斯在美国石油工程师协会第49次秋季年会上，首先发表了用微波衰减法测量石油岩芯物理模型含水饱和度的实验装置和实验结果的文章(参考文献1)，利用水强烈收微波，而模型的其它成份(油、气、砂石、环氧树脂涂层等)则吸收甚微的特性，可以简便迅速地测定石油岩芯物理模型中水驱油过程含水饱和度的分布及其变化。这为观察油田注水开采过程、研究采油机理(包括二次、三次采油机理)、寻求最佳注采方案找到了一种新方法。实验表明，用微波衰减法测量石油岩芯物理模型中的含水饱和度比石油开发研究中传统沿用的解剖法、电阻法、电容法、X射线法和同位素示踪法等均具有许多明显的优越性，快速、简便、准确、无需接触和破坏样品。但是，帕逊斯的实验装置只是由一对发射、接收天线组成的单支路测量装置，因此，只解决了一维条状石油岩芯物理模型含水饱和度的测量。一九七九年，我国玉门油田管理局勘探开发规划设计院和兰州大学合作研制了采用一对发射、接收天线作“S”型机械扫描的石油岩芯物理模型含水饱和度测量装置(参考文献2)，实现了二维大面积块状岩芯物理模型含水饱和度的测量。但是，由于采用“S”型纯机械扫描，所以，测量速度比较慢，未能解决石油岩芯物理模型含水饱和度的瞬时分布问题，而且，也未能消除因天线和岩芯之间的相互影响而产生的测量误差。
本发明的目的就是为了提高二维大面积块状岩芯物理模型含水饱和度的测量速度，在工程上实现岩芯物理模型含水饱和度的瞬时分布问题，降低因天线与岩芯之间的相互影响而产生的测量误差，进一步提高测试精度。
其解决的方案是采用单行发射、接收天线阵列组成多路测量装置取代现有技术中只有一对发射、接收天线组成的单支路测量装置，通过单刀多掷微波开关实现微波讯号对岩芯物理模型的分时发射和接收，构成一维条状快速电扫描。同时，由天线控制单元和移动执行机构带动，使发射、接收天线阵列在与其相垂直的方向上直线移动作机械扫描，从而对岩芯物理模型实现二维大面积快速的机电扫描。为了实现快速扫描测量，就必须对发射、接收天线阵列进行快速扫描控制、多路数据采集、数据处理、显示和打印输出。所以，需用微处理机作为数据采集与控制系统。采用简单易行的光电行扫描激励器为数据采集与控制系统提供行激励讯号。为了提高测量精度，岩芯支架应能升降，可在不同位置上对岩芯物理模型进行测量，通过多次测量再取其平均值的办法来降低因岩芯与天线之间的相互影响而产生的测量误差。此外，发射、接收天线阵列采用交叉馈电方式来提高相邻天线对之间的隔离度，用以降低相邻天线之间的相互影响而产生的测量误差。
本发明的解决方案是以如下办法实现的发射、接收天线采用多元天线构成单行天线阵列组成多路测量支路，微波讯号经单刀多掷微波开关〔6〕控制发射、接收天线阵列〔12，12′〕对石油岩芯物理模型〔13〕进行分时发射和接收，构成一维条状快速电扫描;发射、接收天线阵列〔12，12′〕安装在天线支架〔14〕上，天线支架〔14〕通过导轮〔15〕置于测试架〔16〕的框架台面〔17〕侧面的导轨〔18〕上，由天线控制单元〔8〕和移动执行机构〔9〕带动，在与发射、接收天线阵列〔12，12′〕相垂直的方向上直线移动作机械扫描，从而实现二维大面积块状岩芯的快速机电扫描;数据采集与控制系统〔4〕产生的控制讯号控制单刀多掷微波开关〔6〕对发射、接收天线阵列〔12、12′〕进行快速电扫描控制，同时，对由接收天线阵列〔12′〕接收，经检波〔7〕、放大〔2〕后，反映石油岩芯物理模型〔13〕中含水饱和度变化的低频测量讯号进行实时数据采集和处理、数据予处正、存贮与显示和打印输出，并对各路接收、发射支路进行检测以及各种测量、检查和输出等工作状态提供各种操作方式;光电行扫描激励器〔10〕为数据采集与控制系统〔4〕提供行激励讯号;岩芯支架及其升降机构〔11〕位于发射、接收天线阵列〔12，12′〕之间，装置在测试架〔16〕的框架台面〔17〕上，可使石油岩芯物理模型〔13〕处于不同的测量位置，通过多次测量再取其平均值的办决来降低因岩芯与天线之间的相互影响而产生的测量误差;发射、接收天线阵列〔12、12′〕采用交叉馈电方式来提高相邻天线对之间的隔离度，以降低相邻天线对之间的相互影响而产生的测量误差，其馈电顺序和时间均由数据采集与控制系统〔4〕控制。
由于本发明采取了上述技术措施，与现有技术相比，本发明具有测量速度快(如采用纯机械扫描方式，测量一块500×500毫米2的岩芯需要20～30分钟，而采用机电扫描方式，测量同样面积的岩芯仅需半分钟)，使得岩芯物理模型含水饱和度的瞬时分布问题在工程上获得真正实现，测量误差小，测试精度高，操作灵活，使用方便，并具有自动化、数字化和电脑化等特点。
附图描述了本发明的一个实施例。
图1是本发明的方框图;
图2是本发明机电扫描方式示意图;
图3是本发明机电扫描结构图;
图4是本发明单刀十六掷PIN微波开关构成及交叉馈电方式示意图;
图5是本发明数据采集与控制系统方框图;
图6是本发明数据采集与控制系统的控制扫描程序流程图;
图7是本发明数据采集与控制系统的数据采集和予修正应用程序流程图;
图8是本发明数据采集与控制系统的系统程序;
图9是本发明岩芯支架及其升降机构示意图;
图10是本发明光电行扫描激励器的结构示意图。
在实施例中，微波系统〔1〕选用了3厘米波段为工作波段;发射、接收天线阵列〔12、12′〕采用16元波导喇叭天线构成单行天线阵列，组成16路测量支路，各天线对是轮流工作，每一瞬间只有一路天线发射、接收;单刀多掷微波开关〔6〕采用单刀十六掷PIN微波开关，它由五个单刀四掷PIN微波开关构成，其中一个单刀四掷开关为主开关，主开关有四个支路，每一支路又连接一个单刀四掷开关，组成单刀十六掷PIN微波开关〔6〕。单刀十六掷PIN微波开关〔6〕接在微波源〔5〕和发射天线〔12〕以及接收天线〔12′〕和检波〔7〕之间，实现微波讯号的转换，控制发射、接收天线阵列〔12、12′〕分时发射、接收;数据采集与控制系统〔4〕利用现有的MC6800系列微处理机LSI芯片附加B-MSZ集成A/D转换器和一些外围接口电路组成一个专用微型计算机系统作为扫描测量过程控制和数据采集的前端处理机，而测量数据的图形处理及显示则由CROMEMCO-Ⅲ通用微机系统支持的多用户图形系统来完成。在与CROMEMCO-Ⅲ系统所支持的图形脱机工作时，为了测量部分仍能方便地测量运行和输出记录数据，本数据采集与控制系统〔4〕又配置了一个微处理机控制的并带有数据暂存存贮器的点阵式窄行打印机，可供测量数据成批按所选格式输出打印;软件有系统控制扫描程序、数据采集和予修正应用程序和系统程序三部分组成;光电行扫描激励器〔10〕由电源〔19〕、光源〔20〕、光束〔21〕、漏光板〔22〕、漏光孔〔23〕、移动支架〔24〕、光敏元件〔25〕、微处理机〔26〕等组成，光源〔20〕和光敏元件〔25〕安装在移动支架〔24〕上，移动支架〔24〕固定于天线支架〔14〕并随其直线移动，漏光板〔22〕位于移动支架〔24〕内并装置在测试架〔16〕框架台面〔17〕的侧面，使其漏光孔〔23〕的中心处于光束传播的途径中;当光源〔20〕和光敏元件〔25〕随天线支架〔14〕移动时，光源〔20〕发出的光束〔21〕穿过漏光孔〔23〕被光敏元件〔25〕接收后，将光变成电脉冲讯号送往数据采集与控制系统〔4〕去激励单刀十六掷PIN微波开关〔6〕的驱动电路作一次电扫描，与此同时也提供了行位置讯号;岩芯支架及其升降机构〔11〕由电机-减速器〔27〕、丝杆〔28〕、螺母〔29〕、轴承轮〔30〕、推杆〔31〕、连杆〔32〕、斜块〔33〕、岩芯支架〔34〕和滑座〔35〕等组成联动机构，它位于发射、接收天线阵列〔12、12′〕之间，安装在测试架〔16〕框架台面〔17〕上;当发射、接收天线阵列〔12、12′〕进行第一次扫描测量时，岩芯支架〔34〕处于低位状态，当天线支架〔14〕移出测试区后，触动到岩芯支架升降机构的控制单元时，即启动电机-减速器〔27〕转动、经丝杆〔28〕传动螺母〔29〕和连杆〔32〕，斜块〔33〕随之运动，并推动轴承轮〔30〕及推杆〔31〕，把岩芯支架〔34〕升起处于高位，石油岩芯物理模型〔13〕进行第二次扫描测量，取两次测量值的平均值，即为石油岩芯物理模型〔13〕含水饱和度的测量值;为了提高相邻天线对之间的隔离度，发射、接收天线阵列〔12、12′〕采用交叉馈电方式，按1-5-9-13、2-6-10-14、3-7-11-15和4-8-12-16的顺序馈电，其馈电顺序和时间均由数据采集与控制系统〔4〕控制。
权利要求
1.一种用于石油开发研究的石油岩芯物理模型含水饱和度微波测量装置是由微波系统[1]、低频放大系统[2]、扫描系统[3]和记录装置[4]等组成，其特征在于发射、接收天线采用多元单行天线阵列组成多路测量支路，微波讯号经单刀多掷微波开关[6]控制发射、接收天线阵列[12、12′]对岩芯物理模型[13]进行分时发射和接收，构成一维条状快速电扫描；发射、接收天线阵列[12、12′]安装在天线支架[14]上，天线支架通过导轮[15]置于测试架[16]的框架台面[17]侧面的导轨[18]上，由天线控制单元[8]和移动执行机构[9]带动，在与发射、接收天线阵列[12、12′]相垂直的方向上直线移动作机械扫描，从而实现二维大面积块状岩芯物理模型的快速机电扫描；数据采集与控制系统[4]产生的控制讯号控制单刀多掷微波开关[6]对发射、接收天线阵列[12、12′]进行快速电扫描控制，同时，对由接收天线阵列[12′]接收，经检波[7]、放大[2]后反映石油岩芯物理模型[13]中含水饱和度变化的低频测量讯号进行实时数据采集和处理、数据予修正、存贮与显示和打印输出，并为各路发射、接收支路进行检测以及各种测量、检查和输出等工作状态提供各种操作方式；光电行扫描激励器[10]为数据采集与控制系统[4]提供行激励讯号；岩芯支架及升降机构[11]位于发射、接收天线阵列[12、12′]之间，装置在测试架[16]的框架台面[17]上，可使石油岩芯物理模型[13]处于不同的测量位置，通过多次测量再取其平均值的办法来降低因岩芯与天线之间的相互影响而产生的测量误差；发射、接收天线阵列[12、12′]采用交叉馈电方式来提高相邻天线对之间的隔离度，以降低因相邻天线对之间的相互影响而产生的测量误差，其馈电顺序和时间由数据采集与控制系统[4]控制。
2.根据权利要求
1的测量装置，其特征在于发射、接收天线阵列〔12、12′〕是16元波导喇叭天线阵列。
3.根据权利要求
1的测量装置，其特征在于单刀多掷微波开关〔6〕是单刀十六掷PIN微波开关，它由五个单刀四掷PIN微波开关组成，其中一个单刀四掷开关为主开关，主开关有四个支路，每一支路又连接一个单刀四掷开关。
4.根据权利要求
1的测量装置，其特征在于数据采集与控制系统〔4〕采用MC6800系列微处理机LSI芯片附加B-MSZ集成A/D转换器和一些外围接口电路组成一个微型计算机系统作为扫描测量过程控制和数据采集的前端处理机，测量数据的图形处理及显示由CRO-MEMCO-Ⅲ通用微处理机系统的多用户图形系统完成，在与CROMEM-CO-Ⅲ系统所支持的图形脱机工作时，为使测量部分仍能方便地测量运行和输出记录数据，本系统还配置了一个微处理机控制的并带有数据暂存存储器点阵式窄行打印机;软件包括系统控制程序、数据采集和予修正应用程序和系统程序三部分。
5.根据权利要求
1的测量装置，其特征在于光电行扫描激励器〔10〕是由电源〔19〕、光源〔20〕、光束〔21〕、漏光板〔22〕、漏光孔〔23〕、移动支架〔24〕、光敏元件〔25〕和微处理机〔26〕等所组成。
6.根据权利要求
1的测量装置，其特征在于岩芯支架及其升降机构〔11〕是由电机-减速器〔27〕、丝杆〔28〕、螺母〔29〕、轴承轮〔30〕、推杆〔31〕、连杆〔32〕、斜块〔33〕、岩芯支架〔34〕和滑座〔35〕等构成的联动机构。
专利摘要
本发明是一种用于石油开发研究的岩芯物理模型含水饱和度微波测量装置。为解决岩芯物理模型含水饱和度的瞬时分布问题，本发明采用多元单行收发天线阵列组成多路测量，由数据采集与控制系统经单刀多掷微波开关实现微波讯号的分时发射和接收；同时，由天线控制单元和移动执行机构带动，使收发天线阵列在与其相垂直的方向上作机械扫描，构成大面积块状岩芯物理模型的快速机电扫描。操作灵活、简便，并具有自动化、数字化和电脑化等特点。
文档编号G01N22/00GK86100707SQ86100707
公开日1987年1月31日 申请日期1986年1月24日
发明者江永福, 何武魁, 邹姚定, 高维禄, 石树珍, 黄明瑞 申请人:航天工业部第二研究院二十五所, 石油工业部, 石油勘探开发科学研究院油层物性测试中心导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan