油沙中油含量的声学测定方法

摘要

油沙中油含量的声学测定方法：通过观察声波在油沙中传播时产生的非线性耗散现象，发现表征该效应的声学参量——相对增长系数G和非线性耗散指数α与油沙的油饱和度s之间存在着依赖关系。根据对相对增长系数G与油饱和度s之间的对应关系以及非线性耗散指数α与油饱和度s之间的对应关系的测定，可以通过测得声波在油沙样本中传播时的相对增长系数G和非线性耗散指数α来反推得知该样本的油饱和度，从而获得该油沙的含油量。

说明书

一、技术领域

本发明涉及油沙中油含量的测定方法，提出了利用声学方法对油沙中的油含量进行测定的一种新方法。

二、背景技术

随着世界经济对石油需求的不断增加，常规石油资源已不能满足石油需求的快速增长，人们纷纷把目光转向非常规石油资源，其中之一就是油沙。油沙属非金属矿产，同石油、煤炭一样是一种矿藏资源，是提炼石油类产品的优选材料。北美地区分布最广，加拿大是目前世界上最大的地面“油沙”开采国。我国油沙资源也十分丰富，分布非常广阔，在准葛尔、柴达木、鄂尔多斯、松辽、四川、二连、塔里木、吐哈等盆地都发现了油沙的分布。我国油沙点多面广，且含油率高，勘探前景十分喜人。非常规油气资源已经成为全球勘探的热点，与之相配套的评价方法、勘探技术也正在形成之中。因此，在当今“能源就是发展，能源就是经济，能源就是国力，能源就是生命”的国际大环境中，开展油沙中的矿物油含量测定的研究对油沙资源的勘探、评价和开发都具有重要的战略指导意义。

声波在沙中的传播伴随着被称为“自我增亮”的非线性效应，即大振幅声波要比小振幅声波衰减得慢，也就是说，大振幅声波的衰减系数要比小振幅声波的衰减系数来得小。这种效应在两种极端情况即干沙和完全油饱和的沙中，都表现得很明显，然而，其程度却在数量上有所不同。这意味着某些参量同沙中的油含量有着一定的依赖关系。因此，对沙中的油含量与“自我增亮”效应关系进行详细研究，并进而确定相关敏感参量是很有意义的。一旦参量被确定，它可以用来解决反问题，例如，沙中的油含量可以通过对这个参量值的测量而得到。目前未有油沙中的油含量的声学测定方法的公开。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种新的利用声学方法测定油沙中油含量的方法，利用声波在油沙中传播时产生的非线性耗散现象，找到一个与油含量密切相关的参量来表征油含量，从而通过该声学参量的测定反推得到油沙中的油含量。

本发明的技术方案：通过获得表征声学效应的声参量——相对增长系数G和非线性耗散指数α与油沙的油饱和度s之间存在着的依赖关系，从而获得油沙中的油含量；具体方案是：在系统的线性测量范围内，通过测量声波在不同油饱和度的沙子中传播时接收信号幅值与发射信号幅值之间的关系，测定相对增长系数G与油饱和度s之间的关系曲线以及非线性耗散指数α与油饱和度s之间的关系曲线；从而根据实际油沙样品的G值和α值，在G～s和a～s曲线上可以查询得到该样本的油饱和度，即可获得该油沙的含油量。

试验装置如图1所示：管内注满样品，用金属塞子密封两端，一端接发射换能器，另一端接压电加速度计，示波器一通道接经过前置放大的接收信号，另一通道接发射信号。发射信号选几十至几百KHz(一般取决于发射换能器的中心频率)的正弦猝发信号。该信号经功率放大器放大后接入超声换能器。换能器探头通过耦合剂(凡士林)与下端金属塞紧密耦合，向管中发射声波。通过固定在上端金属塞上的压电加速度计，将传播到玻璃管另一端的声压信号转换成电信号。这一电信号经由前级放大器放大后送往数字示波器，并通过PCI总线IEEE488接口卡采集到计算机中，完成波形采集和数据处理。管中样品是可以控制油含量的沙子样品。

本发明的测试是在发射-接收系统本身是线性的，即声波经过中空玻璃管时输出信号的幅度正比于输入信号的条件下进行的，可保证测量观察到的非线性效应完全是由油沙样品所引起的。发射信号幅度的测量：将加速度计紧贴发射换能器，测量不同正弦信号输入幅值U_T(0～300mV)下的入射声波幅度U₀，找出系统的线性测量范围，例如输入幅值为0～300mV时，入射声波幅度U₀与输入幅值U_T成正比，则系统的线性测量范围为0～300mV。以一定输入幅度(例如8mV)时的入射声波幅度作为参考小振幅入射声波幅度U₀^*。

通过测量和分析声波在不同油饱和度的沙子中传播时，接收信号幅值与发射信号幅值之间的关系，就可以寻找并确定与油含量相关的敏感参量。发射信号幅值U₀可以直接在信号源显示屏上读出，接收信号幅值U_L可以通过对接收波形进行频谱分析来获得。输入正弦信号幅值依次从1mV到10mV，然后是每10mV递增，至300mV止。

油饱和度s是根据玻璃管中实际含油体积V与最大含油量即完全油饱和时的含油体积V₀的比值得到的，s＝V/V₀。在一定的油饱和度(s＝70％)下，管中的油就很难再被抽出，因此试验结果中的s在0.7到1之间变化。

根据试验结果，我们发现声波通过不同油饱和度的油沙时，相对增长系数不同。在小振幅或大振幅输入幅度下，输出与输入为线性关系，而在中等振幅范围内，U_L比U₀增长得更快。相对增长系数G定义为接收信号增长率与发射信号增长率之比。图2中油饱和度s＝82％时，输入从X1到X2增长率a＝X2/X1＝10，而输出从Y1到Y2增长率b＝Y2/Y1＝18，相对增长系数G＝b/a＝1.8。不同油饱和度下，相对增长系数不同。由图3相对增长系数G与油饱和度s的依赖关系，我们可以根据油沙的相对增长系数反推得到油饱和度，从而测定油沙的含油率。

进一步的数据处理发现，如果进行坐标变换，令M＝U_L/U_L^*，N＝U₀/U₀^*，其中U₀和U_L分别为不同振幅声波入射幅度和接收幅度，U₀^*和U_L^*分别为参考小振幅声波入射幅度和接收幅度，则ln[1n(M/N)]与lnN之间存在着线性关系，这与理论预计是一致的。通过对声波在油沙中传播的非线性波动方程的求解，可以推导出1n[1n(M/N)]＝αlnN+C，其中α称为非线性耗散指数，C是与材料性质有关的一个物理参数。对1n[1n(M/N)]和lnN的关系曲线进行直线拟合，得到的斜率即为非线性耗散指数α。α与油饱和度s之间存在着一一对应关系(见图4)，因此我们也可以根据油沙的非线性耗散指数反推得到油饱和度。

本发明的特点和有益效果是：利用声学方法对油沙中的油含量进行测定。通过观察声波在油沙中传播时产生的非线性耗散现象，发现表征该效应的声学参量——相对增长系数G和非线性耗散指数α与油沙的油饱和度s之间存在着依赖关系，从而可以通过声学检测的方法来获得油沙中的油含量。该检测方法装置简单，操作方便，所需样品量少。此发明也可以推广到其他多孔媒质，例如土壤、粘土、矿渣、岩石等的水渗透度或油饱和度检测。

四、附图说明

图1是本发明实验装置框图

图2s＝100％和s＝82％时输入-输出信号之间的关系

图3相对增长系数G与油饱和度s的依赖关系

图4非线性耗散指数α与油饱和度s的依赖关系

图1中圆柱形玻璃管1、金属塞2、超声发射换能器3、加速度计4、橡皮软管5。

五、具体实施方式

1.系统搭试：玻璃(样品)管内注满样品，用金属塞子密封两端，下端接发射换能器，上端接压电加速度计，示波器一通道接经过前置放大的接收信号，另一通道接发射信号。发射信号中心频率39KHz(取决于发射换能器的中心频率)，脉冲持续时间30Cycles，脉冲重复频率50Hz的正弦猝发信号。该信号经功率放大器放大后接入超声换能器。换能器探头通过耦合剂(凡士林)与下端金属铝塞紧密耦合，向玻璃管中发射声波。通过固定在上端金属铝塞上的压电加速度计，将传播到玻璃管另一端的声压信号转换成电信号。这一电信号经由前级放大器放大后送往数字示波器，并通过PCI总线IEEE488接口卡采集到计算机中，完成波形采集和数据处理。实验装置框图如图1所示。玻璃管内直径30.5mm，外直径33.5mm，长度37.5cm。最初，管中装满完全油饱和的沙子，其上下端均用金属铝塞密封，沙粒的平均直径在0.2mm左右。在靠近上下端处各有一个内直径2mm的旁支管开口，用软管与其相连。软管另一端连接医用注射器，用以控制沙中的油含量。

2.基本测试：验证发射-接收系统本身是线性的，即声波经过中空玻璃管时输出信号的幅度正比于输入信号。此基本测试保证了以下试验观察到的非线性效应完全是由油沙样品所引起的。

3.发射信号幅度的测量：将加速度计紧贴发射换能器，测量不同正弦信号输入幅值UT(0～300mV)下的入射声波幅度U₀，找出系统的线性测量范围，例如输入幅值为0～300mV时，入射声波幅度U₀与输入幅值U_T成正比，则系统的线性测量范围为0～300mV。以一定输入幅度(例如8mV)时的入射声波幅度作为参考小振幅入射声波幅度U₀^*。

4.接收信号幅度的测量：玻璃管内注满完全油饱和的沙子。测量不同入射幅度U₀的声波经过管长为L的沙子后的接收信号，对信号进行频谱分析，得到接收信号幅度U_L。以一定输入幅度(例如8mV)时的接收信号幅度作为U_L^*。并进行以下数据处理：

(1)确定该油饱和度下的相对增长系数G。画出声波在沙子中传播时接收幅度U_L与入射幅度U₀的关系曲线。在小振幅和大振幅入射声波时，接收幅度与入射幅度成线性关系，在中间振幅时，接收幅度比入射幅度增长得快。在曲线上选取中等入射幅度时的两点：A(X1，Y1)和B(X2，Y2)，计算该油饱和度下中等幅度声波的相对增长系数G＝(Y2/Y1)/(X2/X1)。

(2)确定非线性耗散指数α。由测量得到的参考小振幅声波入射幅度U₀^*和接收幅度U_L^*，以及各中等振幅声波入射幅度U₀和接收幅度U_L，进行变量代换，得到M＝U_L/U_L^*和N＝U₀/U₀^*，画出ln[1n(M/N)]和lnN的关系曲线。在中等振幅条件下，两者近似为线性关系，这与理论预期相吻合。经过直线拟合，获得该直线的斜率，即为非线性耗散指数α。

5.改变油饱和度，重复上述测量，确定不同油饱和度下的相对增长系数G和非线性耗散指数α。画出G～s的关系曲线和a～s的关系曲线。油饱和度的确定：利用医用注射器抽取玻璃管中的油，首先在样品准备时记录管中注满完全油饱和的沙子时油的初始体积V₀，然后精确测量从管中抽出的油的体积V₁，油饱和度s＝(V₀-V₁)/V₀×100％。

6.测量实际油沙样品的G值和α值，在G～s和a～s曲线上查询得到该样本的油饱和度，即获得该油沙的含油量。