一种基于超声衰减的自发渗吸测量装置及方法与流程

本发明涉及一种基于超声衰减的自发渗吸测量装置及方法，属于油田开发技术领域。

背景技术：

致密低渗油藏常规注水开发往往会遇到压力高、注不进等问题，而非均质性造成的水窜现象也非常严重，这些难题都将导致开发效果不佳。但与此同时，致密低渗油藏低孔隙度、低渗透率的特点却为自发渗吸提供了良好条件，相对较大的毛管力增加了驱油动力，采收效率显著。所以，研究毛细管力作用下的渗吸过程，对致密低渗油藏现场生产开发具有指导意义。

目前，自发渗吸实验的装置主要分为计量和计重。将岩心放置入渗吸容器里，向容器内注入润湿相，并浸没岩心，前者是原油上浮后通过顶部有刻度线的玻璃管进行读数，记录液面随时间变化，计算岩石吸水速率和原油自渗吸采收率；而后者是通过岩心称重，以质量变化计算岩石中含水变化，最终计算渗吸速度。这两种方法都会出现水分蒸发的情况，进而影响实验结果；另外，大量的原油从岩心中驱出后牢牢吸附在表面，无法脱离并上浮，这样不管对体积计量还是质量计量都有巨大误差；最后这些方式都是从外部观察，无法对岩心内部进行实时监测，导致了不能研究其内部吸入水量随位置、时间的变化。

技术实现要素：

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种基于超声衰减的自发渗吸测量装置及方法，本发明的结构紧凑，价格低廉、坚固耐用、操作简单，不仅能从外部观察渗吸发生后的现象，也能监测岩心内部实时饱和度变化情况；由于饱和油气水的砂岩和碳酸盐岩，超声波衰减量随含油率的变化而变化，通过超声衰减云图对岩心不同位置、不同时间点的油水分布进行监测，从而全方位了解整个渗吸过程。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种基于超声衰减的自发渗吸测量装置，包括丝扣底座、设置在所述丝扣底座上的渗吸瓶体、用于放置岩心的支撑架、高度调节旋钮、手摇式围压泵、加压管线、信号源、数字存储示波器、计算机；

所述丝扣底座上设有与渗吸瓶体相通的注水通道，所述丝扣底座底部设有与注水通道相通的快速接头，所述快速接头通过加压管线与手摇式围压泵连通，所述加压管线上设有压力表、储液装置，所述储液装置与加压管线之间设有阀门；

所述高度调节旋钮螺纹连接在所述丝扣底座上并穿过丝扣底座与支撑架的底部连接；

所述渗吸瓶体具有瓶体部和竖直测量部，所述瓶体部的外表面上设有加热套，两侧分别设有换能器、超声波感应装置，所述信号源与换能器电连接，所述超声波感应装置、数字存储示波器、计算机依次电连接。

进一步的技术方案，所述渗吸瓶体上设有玻璃可视刻度窗口。

进一步的技术方案，所述丝扣底座底部还设有支架。

进一步的技术方案，该装置还包括壳体，所述壳体罩住渗吸瓶体和丝扣底座。

进一步的技术方案，该装置还包括温度控制开关，所述加热套通过导线和外部的温度控制开关相连，从而达到控温的目的。

进一步的技术方案，所述储液装置为盛液杯。

一种基于超声衰减的自发渗吸测量方法，包括以下步骤：

(1)首先建立基准比对样；将烘干后未经其他处理的岩心放置到底座上，盖上筒盖并旋紧，从窗口位置观察岩心位置，拧动钢针调节高度；

(2)连接温控、信号发生和处理器电源，检查是否正常工作，设定温度，待升至T1后，打开示波器，启动脉冲电源，开始测试；

(3)将示波器中波谱图存储进计算机后，打开采集系统，将传感器接收的数据导入COMSOL Multiphysics软件中，提取各位置声压分布并绘云图作为基准图像；

(4)取出岩心，抽真空饱和原油后，放入装置中，向盛液杯中加入目标渗吸液体，打开围压阀，排空后接入装置注水通道，调节围压泵加入渗吸液，同时使得岩心围压升至P1；

(5)调节温度并升至T1，按照上述相同步骤，提取声压分布云图，进行比对；

(6)每隔t时间，记录窗口上端出油量，同时使用超声提取声压云图，观察流体饱和情况和自渗吸变化过程，记录并绘制曲线。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、该装置结构紧凑，价格低廉、坚固耐用、操作简单，不仅能从外部观察渗吸发生后的现象，也能监测岩心内部实时饱和度变化情况；

2、超声波具有抗外界干扰，高精度等特点，对岩心内部的情况测量会更加准确；

3、现存的自渗吸装置并不能完全模拟油藏条件，使得实验结果与实际有一定差别，而通过本装置的可控温调压设计，更加趋近原始条件，具有参考价值；

4、计算机完成数据和图像采集、输出，过程中造成的人为误差小，软件实现云图制作，实验结果更加直观。

附图说明

图1为本发明基于超声衰减的自发渗吸测量装置的结构示意图；

图2为基于超声衰减岩心油水饱和度测试原理示意图；

图3为超声检测系统连接示意图；

图4为刺激电源串联换能器和电感等效电路示意图；

图5为超声衰减随岩心中油相含率变化图；

图6为测定的自渗吸采收率随时间变曲线。

图中所示：1-温度控制开关，2-加热套，3-信号源，4-换能器，5-丝扣底座，6-支撑架，7-高度调节旋钮，8-支架，9-数字存储示波器，10-计算机，11-压力表，12-储液装置，13-手摇式围压泵，14-玻璃可视刻度窗口，15-阀门，16-快速接头，17-超声波感应装置，101-电源电路，102-脉冲放大电路，103-换能器控制中心，104-接收放大电路，105-滤波器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的说明。

本发明的一种基于超声衰减的自发渗吸测量装置，包括丝扣底座5、丝扣连接在所述丝扣底座5上的渗吸瓶体、用于放置岩心的支撑架6、高度调节旋钮7、手摇式围压泵13、加压管线、信号源3、数字存储示波器9、计算机10；

所述丝扣底座5上设有与渗吸瓶体相通的注水通道，所述丝扣底座5底部设有与注水通道相通的快速接头16，所述快速接头16通过加压管线与手摇式围压泵13连通，所述加压管线上设有压力表11、储液装置12，所述储液装置12与加压管线之间设有阀门15；具体的是将渗吸液加入储液装置12中，打开阀门15，使用手摇式围压泵13通过丝扣底座55的快速接头16注水通道向里加入；同时，可通过压力表11控制腔体内的压力；

所述高度调节旋钮7螺纹连接在所述丝扣底座5上并穿过丝扣底座5与支撑架6的底部连接，从而高度调节旋钮7在丝扣底座5上旋转调节高度调节旋钮7的高度，最终调节支撑架6在所述渗吸瓶体内的高度，不影响岩心底部与水的接触面积；

所述渗吸瓶体具有瓶体部和竖直测量部，所述瓶体部的外表面上设有加热套2，两侧分别设有换能器4、超声波感应装置17，所述加热套2通过导线和外部的温度控制开关1相连，从而达到控温的目的，温度范围30-120℃；

所述信号源3与换能器4电连接，所述超声波感应装置17、数字存储示波器9、计算机10依次电连接。

本发明中电路的工作流程是：脉冲式超声波信号从换能器4进入正对层位，经过透射、反射后到达超声波感应装置17，不同介质和不同尺寸相区块对超声的吸收程度不同，在超声波感应装置17得到的超声波衰减程度就不同；超声波感应装置17提取声信号，经过采集、放大、处理和显示后上传至电脑，通过事先建立好的孔隙中油水相介质分布模型，对不同层位的声场进行仿真拟合，实现油水在孔道中相含率的表征。

所述若干对发射和感应端口分布属于纵向上相同间隔，用以测量延岩心高度上不同位置相含率变化情况；作为无损非接触式检测，换能器4和超声波感应装置17保持一定距离，正对且经过圆心。

所述换能器4包括电源电路101、换能器控制中心103和脉冲放大电路102。

所述电源电路101接220V/50Hz交流电，输出9-100V脉动直流电，为换能器4供电；所述换能器控制中心主要由单片机系统构成，产生10个周期的频率为1MHz的等宽脉冲超声信号，重复频率1kHz；所述脉冲放大电路为换能器4输送高压脉冲激励，信号幅值5vpp。

所述超声波感应装置17包括感应端、接收放大电路104、滤波器105、数据采集器。

所述接收放大电路是将接收信号放大，以便输出处理；数据采集器是将调理后的模拟量电信号转化为数字量，并发送给计算机进行处理。

计算机10内有相关数据的驱动和应用软件，完成用户自定义交互，对数据进行后续分析。

本发明在能监测自发渗吸过程的岩心中不同高度油水相含率，利用了超声波技术具有不受被测介质的流场影响，不存在腐蚀和磨损，适用于非导电、非透光性介质，对油水界面有较灵敏的感应能力等优势。测试了岩石内部油水相饱和度分布情况和渗吸前沿移动变化情况，这不仅对渗吸过程有了更透明的了解，也可以将实验结果进行验证。

具体地，电源从下往上产生激励电压，控制中心依次输出的超声脉冲信号经放大后，从换能器传递到感应端，一一对应。感应端的信号延放大电路、数字存储示波器、传感器采集系统最终通过IEEE488接口进入到用户电脑。

如图4所示，电源经转换输出脉冲直流电后，LC支路串联谐振时f＝fs，设电容C1，电感L1，则实际的换能输出信号频率为：

设砂岩、碳酸盐岩岩心质量因子为Q，发射和感应端距离为x，测试样和标准样同样条件下的测试振幅分别为A1(f)和A2(fs)，超声波速为v，测试样和标准样的几何参数分别为G1(f)和G2(fs)，标准样岩心谱方差为σ²，标准样和测试样声波传递时差Δt，由于流体在岩心中迁移导致的质心变化，从而引起频率发生变化，两样的质心频率之差为fc，其中岩心质量因子：

根据电脑波谱图计算振幅A(f)与岩心质量因子Q变化关系，从而对应岩心中流体的变化情况，可得：

可以看到如图5所示，岩心饱和水越多超声振幅衰减越快。

设超声波换能器声波强度为V1感应端的声波强度为V2，换能器和感应端的距离为L，超声衰减系数α为：

基于有限元方法，利用COMSOLMultiphysics多物理场耦合仿真软件建立被测场二维几何剖分模型。

由于超声的束射特性有频率高、波长短，声束指向较好，可以使超声能量向一个确定的方向集中辐射，从而定位到岩心不同截面。纵向上，电压依次对几个换能器进行刺激并产生超声，感应端在得到岩心中超声反馈后，建立该层物理场仿真云图。使用者在空白基准上，可以观察到液相在截面的饱和程度和相含率变化。具体步骤如下：

(1)首先建立基准比对样；将烘干后未经其他处理的岩心放置到底座上，盖上筒盖并旋紧，从窗口位置观察岩心位置，拧动钢针调节高度；

(2)连接温控、信号发生和处理器电源，检查是否正常工作，设定温度，待升至T1后，打开示波器，启动脉冲电源，开始测试；

(3)将示波器中波谱图存储进计算机后，打开采集系统，将传感器接收的数据导入COMSOL Multiphysics软件中，提取各位置声压分布并绘云图作为基准图像；

(4)取出岩心，抽真空饱和原油后，放入装置中，向盛液杯中加入目标渗吸液体，打开围压阀，排空后接入装置注水通道，调节围压泵加入渗吸液，同时使得岩心围压升至P1；

(5)调节温度并升至T1，按照上述相同步骤，提取声压分布云图，进行比对；

(6)每隔t时间，记录窗口上端出油量，同时使用超声提取声压云图，观察流体饱和情况和自渗吸变化过程，记录并绘制曲线。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。