專利名稱：油沙中油含量的聲學(xué)測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油沙中油含量的測(cè)定方法，提出了利用聲學(xué)方法對(duì)油沙中的油含量進(jìn) 行測(cè)定的一種新方法。二、 背景技術(shù)隨著世界經(jīng)濟(jì)對(duì)石油需求的不斷增加，常規(guī)石油資源已不能滿足石油需求的快速 增長(zhǎng)，人們紛紛把目光轉(zhuǎn)向非常規(guī)石油資源，其中之一就是油沙。油沙屬非金屬礦產(chǎn)， 同石油、煤炭一樣是一種礦藏資源，是提煉石油類產(chǎn)品的優(yōu)選材料。北美地區(qū)分布最 廣，加拿大是目前世界上最大的地面"油沙"開(kāi)采國(guó)。我國(guó)油沙資源也十分豐富，分布非 常廣闊，在準(zhǔn)葛爾、柴達(dá)木、鄂爾多斯、松遼、四川、二連、塔里木、吐哈等盆地都 發(fā)現(xiàn)了油沙的分布。我國(guó)油沙點(diǎn)多面廣，且含油率高，勘探前景十分喜人。非常規(guī)油 氣資源已經(jīng)成為全球勘探的熱點(diǎn)，與之相配套的評(píng)價(jià)方法、勘探技術(shù)也正在形成之中。 因此，在當(dāng)今"能源就是發(fā)展，能源就是經(jīng)濟(jì)，能源就是國(guó)力，能源就是生命"的國(guó)際大 環(huán)境中，開(kāi)展油沙中的礦物油含量測(cè)定的研究對(duì)油沙資源的勘探、評(píng)價(jià)和開(kāi)發(fā)都具有 重要的戰(zhàn)略指導(dǎo)意義。聲波在沙中的傳播伴隨著被稱為"自我增亮"的非線性效應(yīng)，即大振幅聲波要比小振 幅聲波衰減得慢，也就是說(shuō)，大振幅聲波的衰減系數(shù)要比小振幅聲波的衰減系數(shù)來(lái)得 小。這種效應(yīng)在兩種極端情況即干沙和完全油飽和的沙中，都表現(xiàn)得很明顯，然而， 其程度卻在數(shù)量上有所不同。這意味著某些參量同沙中的油含量有著一定的依賴關(guān)系。 因此，對(duì)沙中的油含量與"自我增亮"效應(yīng)關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)研究，并進(jìn)而確定相關(guān)敏感參量 是很有意義的。 一旦參量被確定，它可以用來(lái)解決反問(wèn)題，例如，沙中的油含量可以 通過(guò)對(duì)這個(gè)參量值的測(cè)量而得到。目前未有油沙中的油含量的聲學(xué)測(cè)定方法的公開(kāi)。三、 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種新的利用聲學(xué)方法測(cè)定油沙中油含量的方法，利用聲 波在油沙中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性耗散現(xiàn)象，找到一個(gè)與油含量密切相關(guān)的參量來(lái)表征 油含量，從而通過(guò)該聲學(xué)參量的測(cè)定反推得到油沙中的油含量。本發(fā)明的技術(shù)方案通過(guò)獲得表征聲學(xué)效應(yīng)的聲參量——相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G和非線 性耗散指數(shù)a與油沙的油飽和度S之間存在著的依賴關(guān)系，從而獲得油沙中的油含量； 具體方案是在系統(tǒng)的線性測(cè)量范圍內(nèi)，通過(guò)測(cè)量聲波在不同油飽和度的沙子中傳播 時(shí)接收信號(hào)幅值與發(fā)射信號(hào)幅值之間的關(guān)系，測(cè)定相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G與油飽和度S之間 的關(guān)系曲線以及非線性耗散指數(shù)a與油飽和度S之間的關(guān)系曲線；從而根據(jù)實(shí)際油沙樣 品的G值和a值，在G~s和a~s曲線上可以查詢得到該樣本的油飽和度，即可獲得該 油沙的含油量。試驗(yàn)裝置如圖l所示管內(nèi)注滿樣品，用金屬塞子密封兩端， 一端接發(fā)射換能器， 另一端接壓電加速度計(jì)，示波器一通道接經(jīng)過(guò)前置放大的接收信號(hào)，另一通道接發(fā)射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)選幾十至幾百KHz (—般取決于發(fā)射換能器的中心頻率)的正弦猝發(fā) 信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后接入超聲換能器。換能器探頭通過(guò)耦合劑(凡士林) 與下端金屬塞緊密耦合，向管中發(fā)射聲波。通過(guò)固定在上端金屬塞上的壓電加速度計(jì)， 將傳播到玻璃管另一端的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這一電信號(hào)經(jīng)由前級(jí)放大器放大后 送往數(shù)字示波器，并通過(guò)PCI總線正EE488接口卡采集到計(jì)算機(jī)中，完成波形采集和 數(shù)據(jù)處理。管中樣品是可以控制油含量的沙子樣品。本發(fā)明的測(cè)試是在發(fā)射-接收系統(tǒng)本身是線性的，即聲波經(jīng)過(guò)中空玻璃管時(shí)輸出信 號(hào)的幅度正比于輸入信號(hào)的條件下進(jìn)行的，可保證測(cè)量觀察到的非線性效應(yīng)完全是由 油沙樣品所引起的。發(fā)射信號(hào)幅度的測(cè)量將加速度計(jì)緊貼發(fā)射換能器，測(cè)量不同正 弦信號(hào)輸入幅值UT (0~300mV)下的入射聲波幅度Uo，找出系統(tǒng)的線性測(cè)量范圍，例 如輸入幅值為0 300mV時(shí)，入射聲波幅度Uo與輸入幅值UT成正比，則系統(tǒng)的線性測(cè) 量范圍為0 300mV。以一定輸入幅度(例如8mV)時(shí)的入射聲波幅度作為參考小振幅 入射聲波幅度U0*。通過(guò)測(cè)量和分析聲波在不同油飽和度的沙子中傳播時(shí)，接收信號(hào)幅值與發(fā)射信號(hào) 幅值之間的關(guān)系，就可以尋找并確定與油含量相關(guān)的敏感參量。發(fā)射信號(hào)幅值Uo可以 直接在信號(hào)源顯示屏上讀出，接收信號(hào)幅值ul可以通過(guò)對(duì)接收波形進(jìn)行頻譜分析來(lái)獲 得。輸入正弦信號(hào)幅值依次從lmV到10mV,然后是每10mV遞增，至300mV止。油飽和度s是根據(jù)玻璃管中實(shí)際含油體積V與最大含油量即完全油飽和時(shí)的含油 體積Vo的比值得到的，s = V/Vo。在一定的油飽和度(s=70%)下，管中的油就很難 再被抽出，因此試驗(yàn)結(jié)果中的s在0.7到l之間變化。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)聲波通過(guò)不同油飽和度的油沙時(shí)，相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)不同。 在小振幅或大振幅輸入幅度下，輸出與輸入為線性關(guān)系，而在中等振幅范圍內(nèi)，UL比 Uo增長(zhǎng)得更快。相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G定義為接收信號(hào)增長(zhǎng)率與發(fā)射信號(hào)增長(zhǎng)率之比。圖2 中油飽和度3=82%時(shí)，輸入從XI到X2增長(zhǎng)率a=X2/Xl=10，而輸出從Yl到Y(jié)2增長(zhǎng) 率b-Y2/Y1^8，相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G-b/a4.8 。不同油飽和度下，相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)不同。由 圖3相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G與油飽和度s的依賴關(guān)系，我們可以根據(jù)油沙的相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)反 推得到油飽和度，從而測(cè)定油沙的含油率。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，如果進(jìn)行坐標(biāo)變換，令M-Ul/U^， N=lVUo*，其中Uo 和UL分別為不同振幅聲波入射幅度和接收幅度，U^和UJ分別為參考小振幅聲波入射 幅度和接收幅度，貝Un[ln(M/N)]與lnN之間存在著線性關(guān)系，這與理論預(yù)計(jì)是一致的。 通過(guò)對(duì)聲波在油沙中傳播的非線性波動(dòng)方程的求解，可以推導(dǎo)出ln卩n(M/N)]-dnN+C， 其中a稱為非線性耗散指數(shù)，C是與材料性質(zhì)有關(guān)的一個(gè)物理參數(shù)。對(duì)ln[ln(M/N)]和 lnN的關(guān)系曲線進(jìn)行直線擬合，得到的斜率即為非線性耗散指數(shù)a 。 a與油飽和度s之 間存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)圖4)，因此我們也可以根據(jù)油沙的非線性耗散指數(shù)反推得 到油飽和度。本發(fā)明的特點(diǎn)和有益效果是利用聲學(xué)方法對(duì)油沙中的油含量進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)觀察聲波在油沙中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性耗散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)表征該效應(yīng)的聲學(xué)參量——相對(duì) 增長(zhǎng)系數(shù)G和非線性耗散指數(shù)a與油沙的油飽和度s之間存在著依賴關(guān)系，從而可以 通過(guò)聲學(xué)檢測(cè)的方法來(lái)獲得油沙中的油含量。該檢測(cè)方法裝置簡(jiǎn)單，操作方便，所需 樣品量少。此發(fā)明也可以推廣到其他多孔媒質(zhì)，例如土壤、粘土、礦渣、巖石等的水 滲透度或油飽和度檢測(cè)。四

圖1是本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置框2 s-100。/。和8=82%時(shí)輸入一輸出信號(hào)之間的關(guān)系 圖3相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G與油飽和度s的依賴關(guān)系 圖4非線性耗散指數(shù)"與油飽和度s的依賴關(guān)系圖l中圓柱形玻璃管l、金屬塞2、超聲發(fā)射換能器3、加速度計(jì)4、橡皮軟管5。五具體實(shí)施方式
1. 系統(tǒng)搭試玻璃(樣品)管內(nèi)注滿樣品，用金屬塞子密封兩端，下端接發(fā)射換能器， 上端接壓電加速度計(jì)，示波器一通道接經(jīng)過(guò)前置放大的接收信號(hào)，另一通道接發(fā)射信號(hào)。發(fā)射信號(hào)中心頻率39KHz (取決于發(fā)射換能器的中心頻率)，脈沖持續(xù)時(shí)間 30Cycles，脈沖重復(fù)頻率50Hz的正弦猝發(fā)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后接入 超聲換能器。換能器探頭通過(guò)耦合劑(凡士林)與下端金屬鋁塞緊密耦合，向玻璃 管中發(fā)射聲波。通過(guò)固定在上端金屬鋁塞上的壓電加速度計(jì)，將傳播到玻璃管另一 端的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這一電信號(hào)經(jīng)由前級(jí)放大器放大后送往數(shù)字示波器， 并通過(guò)PCI總線正EE488接口卡釆集到計(jì)算機(jī)中，完成波形采集和數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn) 裝置框圖如圖1所示。玻璃管內(nèi)直徑30.5mm,外直徑33.5mm，長(zhǎng)度37.5cm。最初， 管中裝滿完全油飽和的沙子，其上下端均用金屬鋁塞密封，沙粒的平均直徑在0.2mm 左右。在靠近上下端處各有一個(gè)內(nèi)直徑2mm的旁支管開(kāi)口，用軟管與其相連。軟 管另一端連接醫(yī)用注射器，用以控制沙中的油含量。2. 基本測(cè)試驗(yàn)證發(fā)射-接收系統(tǒng)本身是線性的，即聲波經(jīng)過(guò)中空玻璃管時(shí)輸出信號(hào)的 幅度正比于輸入信號(hào)。此基本測(cè)試保證了以下試驗(yàn)觀察到的非線性效應(yīng)完全是由油 沙樣品所引起的。3. 發(fā)射信號(hào)幅度的測(cè)量將加速度計(jì)緊貼發(fā)射換能器，測(cè)量不同正弦信號(hào)輸入幅值ut(0~300mV)下的入射聲波幅度Uo，找出系統(tǒng)的線性測(cè)量范圍，例如輸入幅值為 0~300mV時(shí)，入射聲波幅度Uo與輸入幅值Ut成正比，則系統(tǒng)的線性測(cè)量范圍為 0~300mV。以一定輸入幅度(例如8mV)時(shí)的入射聲波幅度作為參考小振幅入射聲 波幅度IV=。4. 接收信號(hào)幅度的測(cè)量玻璃管內(nèi)注滿完全油飽和的沙子。測(cè)量不同入射幅度Uo的聲 波經(jīng)過(guò)管長(zhǎng)為L(zhǎng)的沙子后的接收信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到接收信號(hào)幅度 Ul。以一定輸入幅度(例如8mV)時(shí)的接收信號(hào)幅度作為UJ。并進(jìn)行以下數(shù)據(jù)處 理(1) 確定該油飽和度下的相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G。畫(huà)出聲波在沙子中傳播時(shí)接收幅度Ut與 入射幅度Uo的關(guān)系曲線。在小振幅和大振幅入射聲波時(shí)，接收幅度與入射幅度 成線性關(guān)系，在中間振幅時(shí)，接收幅度比入射幅度增長(zhǎng)得快。在曲線上選取中 等入射幅度時(shí)的兩點(diǎn)A(X1,Y1)和B(X2,Y2)，計(jì)算該油飽和度下中等幅度聲波 的相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G: (Y2/Y1) / (X2/X1)。(2) 確定非線性耗散指數(shù)a 。由測(cè)量得到的參考小振幅聲波入射幅度U^和接收幅 度UJ，以及各中等振幅聲波入射幅度Uo和接收幅度Ul，進(jìn)行變量代換，得到 M=Ul/Ul"PI N=Uo/Uo*，畫(huà)出ln[ln(M/N)]和lnN的關(guān)系曲線。在中等振幅條件下， 兩者近似為線性關(guān)系，這與理論預(yù)期相吻合。經(jīng)過(guò)直線擬合，獲得該直線的斜 率，即為非線性耗散指數(shù)a 。5. 改變油飽和度，重復(fù)上述測(cè)量，確定不同油飽和度下的相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G和非線性耗 散指數(shù)a。畫(huà)出G s的關(guān)系曲線和a s的關(guān)系曲線。油飽和度的確定利用醫(yī)用注 射器抽取玻璃管中的油，首先在樣品準(zhǔn)備時(shí)記錄管中注滿完全油飽和的沙子時(shí)油的 初始體積Vo，然后精確測(cè)量從管中抽出的油的體積V!，油飽和度s = (Vo-V。 / V0xl00%。6. 測(cè)量實(shí)際油沙樣品的G值和a值，在G s和a s曲線上查詢得到該樣本的油飽和度， 即獲得該油沙的含油量。
權(quán)利要求
1、油沙中油含量的聲學(xué)測(cè)定方法其特征是通過(guò)觀察聲波在油沙中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性耗散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)表征該效應(yīng)的聲學(xué)參量——相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G和非線性耗散指數(shù)α與油沙的油飽和度s之間存在著依賴關(guān)系；在系統(tǒng)的線性測(cè)量范圍內(nèi)，通過(guò)分析聲波在不同油飽和度的沙子中傳播時(shí)接收信號(hào)幅值與發(fā)射信號(hào)幅值之間的關(guān)系，測(cè)定相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G與油飽和度s之間的關(guān)系曲線以及非線性耗散指數(shù)α與油飽和度s之間的關(guān)系曲線；從而根據(jù)實(shí)際油沙樣品的G值和α值，在G～s和a～s曲線上可以查詢得到該樣本的油飽和度，即可獲得該油沙的含油量。
2、 由權(quán)利要求1所述的油沙中油含量的聲學(xué)測(cè)定方法其特征是具體步驟是在樣品管內(nèi)注滿油沙樣品，用金屬塞子密封兩端， 一端接發(fā)射換能器，另一端接壓電加速度計(jì)，固定在上端金屬塞上的壓電加速度計(jì)將接收到的的聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 這一電信號(hào)經(jīng)由前級(jí)放大器放大后送往數(shù)字示波器，并通過(guò)PCI總線IEEE488接口卡 采集到計(jì)算機(jī)中，完成波形采集和數(shù)據(jù)處理；示波器一通道接經(jīng)過(guò)前置放大的接收信 號(hào)，另一通道接發(fā)射信號(hào)；發(fā)射信號(hào)選幾十至幾百KHz的正弦猝發(fā)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)功 率放大器放大后接入超聲換能器；換能器探頭通過(guò)耦合劑與下端金屬塞緊密耦合，向 樣品管中發(fā)射聲波，管中樣品是可控制油含量的沙子樣品。
全文摘要
油沙中油含量的聲學(xué)測(cè)定方法通過(guò)觀察聲波在油沙中傳播時(shí)產(chǎn)生的非線性耗散現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)表征該效應(yīng)的聲學(xué)參量——相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G和非線性耗散指數(shù)α與油沙的油飽和度s之間存在著依賴關(guān)系。根據(jù)對(duì)相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G與油飽和度s之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系以及非線性耗散指數(shù)α與油飽和度s之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系的測(cè)定，可以通過(guò)測(cè)得聲波在油沙樣本中傳播時(shí)的相對(duì)增長(zhǎng)系數(shù)G和非線性耗散指數(shù)α來(lái)反推得知該樣本的油飽和度，從而獲得該油沙的含油量。
文檔編號(hào)G01N29/04GK101334380SQ20081002067
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月21日
發(fā)明者劉曉宙, 劉杰惠, 到 周, 朱金林, 龔秀芬 申請(qǐng)人:南京大學(xué)