CN107505391B

CN107505391B - 驱替前缘的检测方法及装置

Info

Publication number: CN107505391B
Application number: CN201710705465.0A
Authority: CN
Inventors: 华陈权; 车新跃; 杨毅森; 王基波
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2017-08-17
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2037-08-17
Also published as: CN107505391A

Abstract

本发明提供了一种驱替前缘的检测方法及装置，涉及自动化技术领域，包括：发射探头和接收探头，岩心模型，数据采集器和控制器，发射探头和接收探头设置在岩心模型的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面为岩心模型上相对应的表面，岩心模型为注入驱油CO₂的模型；发射探头用于在CO₂驱油过程中，向岩心模型发射超声波；接收探头用于接收超声波透射过岩心模型的超声波信号；数据采集器用于采集超声波信号；控制器用于控制通道的切换、超声波信号的发射，在超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值，并根据首波波谷幅值确定突变点，其中，突变点用于确定驱替前缘的到达时刻，缓解了传统的驱替前缘检测方法检测精度较低，且检测成本较高的技术问题。

Description

驱替前缘的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，尤其是涉及一种驱替前缘的检测方法及装置。

背景技术

超临界CO₂驱在提高原油采收率及CO₂地下埋存方面有着巨大的应用前景，CO₂驱油过程中驱替前缘得检测是超临界CO₂驱替模拟实验的关键内容之一，它对研究超临界CO₂驱油机理、驱油效率等方面具有重要意义。

现有技术中的检测方法主要包括以下几种：(1)电容法、电容法是通过测量电容的变化来反映含油饱和度的变化，进而发现驱替前缘。(2)电阻率法、电阻率法是通过测量流体平均电阻率的变化来反映含油饱和度的变化，进而发现驱替前缘。(3)微波法、微波法是通过微波衰减值的变化来反映岩心内部含油饱和度的变化，从而发现驱替前缘。(4)CT成像法、CT成像法是生成被测物体内部流体分布的三维图像，从而发现驱替前缘。(5)核磁共振成像法、核磁共振成像法通过核磁信号转化成的灰度图像来直观地反映岩心内的流体分布，从而发现驱替前缘。

但是，电容法非线性严重，不适合检测CO₂驱油过程的驱替前缘。电阻率法测量精度较低，且电阻率法也不适合检测CO₂驱油过程的驱替前缘。微波法仅适用于低含水饱和度的情况，不适用于含气的情况。CT成像法与核磁共振成像法这两种方法具有实验费用高、不适合频繁使用等特点，且受穿透能力、射线防护的限制，对实验模型尺寸、实验环境、实验材料和实验流程有严格的限制。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种驱替前缘的检测方法及装置，以缓解传统的驱替前缘检测方法检测精度较低，且检测成本较高的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种驱替前缘的检测装置，包括：发射探头和接收探头，岩心模型，数据采集器和控制器，所述发射探头和所述接收探头设置在所述岩心模型的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面为所述岩心模型上相对应的表面，所述岩心模型为注入驱油CO₂的模型；所述发射探头用于在CO₂驱油过程中，向所述岩心模型发射超声波；所述接收探头用于接收所述超声波透射过所述岩心模型的超声波信号；所述数据采集器用于采集所述超声波信号；所述控制器用于在所述超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值，并根据所述首波波谷幅值确定突变点，其中，所述突变点用于确定驱替前缘的到达时刻。

进一步地，所述发射探头中的第一组发射探头均匀设置在所述岩心模型的上表面，所述接收探头中的第一组接收探头均匀设置在所述岩心模型的下表面。

进一步地，所述第一组发射探头和所述第一组接收探头之间满足以下关系：一一对应关系和/或一对多关系。

进一步地，所述装置还包括：第一组多路开关，所述第一组多路开关中包含的开关的数量与所述第一组发射探头的数量相等，且所述第一组多路开关与所述第一组发射探头一一对应设置；第二组多路开关，所述第二组多路开关中包含的开关的数量与所述第一组接收探头的数量相等，且所述第二组多路开关与所述第一组接收探头一一对应设置；其中，所述控制器用于基于所述第一组发射探头和所述第一组接收探头之间的关系依次控制所述第一组多路开关和所述第二组多路开关中相应的开关处于打开状态。

进一步地，所述发射探头中的第一组发射探头均匀设置在所述岩心模型的上表面，所述接收探头中的第一组接收探头均匀设置在所述岩心模型的下表面；所述发射探头中的第二组发射探头均匀设置在所述岩心模型的左表面，所述接收探头中的第二组接收探头均匀设置在所述岩心模型的右表面。

进一步地，所述第一组发射探头和所述第一组接收探头之间满足以下关系：一一对应关系和/或一对多关系；所述第二组发射探头和所述第二组接收探头之间满足以下关系：一一对应关系和/或一对多关系。

进一步地，所述装置还包括：第三组多路开关，所述第三组多路开关中包含的开关的数量与第一数量相等，且所述第三组多路开关分别与所述第一组发射探头和所述第二组发射探头一一对应设置，其中，所述第一数量为所述第一组发射探头和所述第二组发射探头数量的总和；第四组多路开关，所述第四组多路开关中包含的开关的数量与第二数量相等，且所述第四组多路开关分别与所述第一组接收探头和所述第二组接收探头一一对应设置，其中，所述第二数量为所述第二组接收探头和所述第二组接收探头数量的总和；其中，所述控制器用于基于第一关系和第二关系，依次控制所述第三组多路开关和所述第四组多路开关中相应的开关处于打开状态，所述第一关系为所述第一组发射探头和所述第一组接收探头之间的关系，所述第二关系为所述第二组发射探头和所述第二组接收探头之间的关系。

进一步地，所述发射探头与所述岩心模型之间涂抹有耦合剂，且所述接收探头和所述岩心模型之间同样涂抹有耦合剂。

第二方面，本发明实施例还提供一种驱替前缘的检测方法，应用于上述所述的驱替前缘的检测装置，包括：在驱油过程中，依次采集每个接收探头接收到的超声波信号，其中，所述超声波信号为发射探头发射的超声波透射过所述岩心模型的超声波信号；在所述超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值；根据所述首波波谷幅值确定突变点，其中，所述突变点为每个所述接收探头接收到的超声波信号中首波波谷幅值的绝对值发生突变的时刻；基于所述突变点确定驱替前缘的到达时刻。

进一步地，根据所述首波波谷幅值确定突变点包括：计算每个所述接收探头在不同时刻的所述首波波谷幅值的绝对值；将所述绝对值按照时间进行排序，得到排序结果；在所述排序结果中查找所述首波波谷幅值的绝对值发生突变的时刻，并确定所述发生突变的时刻为所述驱替前缘的到达时刻。

在本发明实施例中，将发射探头和接收探头设置在岩心模型的相对应的表面上，在CO₂驱油的过程中，首先通过发射探头向岩心模型发射超声波；接收探头就可以接收超声波透射过岩心模型的超声波信号；数据采集器就可以采集该超声波信号，并将采集到的波形信息传输至控制器中进行分析处理；控制器在接收到该超声波信号之后，在超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值，并根据首波波谷幅值确定驱替前缘的到达时刻。在本发明实施例提供的驱替前缘的检测装置中，无需插入至岩心的内部，因此，该装置的线性度更好，且该装置适用于含气检测，测量结果不容易发生偏差，同时，该装置穿透能力强，速度快，成本低，安全无害，进而缓解传统的驱替前缘检测方法检测精度较低，且检测成本较高的技术问题，从而实现了高精度低成本地对岩心内部某一位置在某一时刻的驱替前缘是否到达进行检测的技术效果。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的一种驱替前缘的检测装置的俯视图；

图2是根据本发明实施例的一种驱替前缘的检测装置的主视图；

图3是根据本发明实施例的一种可选地驱替前缘的检测装置的俯视图；

图4是根据本发明实施例的一种可选地发射探头和接收探头的布置方式的示意图；

图5是根据本发明实施例的另一种可选地发射探头和接收探头的布置方式的示意图；

图6是根据本发明实施例的一种可选地发射探头和接收探头之间一一对应关系的示意图；

图7是根据本发明实施例的一种可选地发射探头和接收探头之间一对多的对应关系的示意图；

图8是根据本发明实施例的一种驱替前缘的检测系统的示意图；

图9是根据本发明实施例中的一个接收探头在不同时刻的首波波谷幅值绝对值的示意图；

图10是根据本发明实施例中的另一个接收探头在不同时刻的首波波谷幅值绝对值的示意图；

图11是根据本发明实施例的一种驱替前缘的检测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

根据本发明实施例，提供了一种驱替前缘的检测装置的实施例。下面将结合图1至图8对本发明实施例进行详细介绍。

图1是根据本发明实施例的一种驱替前缘的检测装置的俯视图，图2是根据本发明实施例的一种驱替前缘的检测装置的主视图。如图1至图3所示，该装置包括：发射探头10，接收探头20，岩心模型30，数据采集器(如图8所示)和控制器(如图8所示)。

从图1和图2中可以看出，发射探头10和接收探头20分两排设置在岩心模型30的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面为岩心模型上相对应的表面，如图3所示，岩心模型为注入驱油CO₂的模型。

发射探头10用于在CO₂驱油过程中，向岩心模型30发射超声波；

接收探头20用于接收超声波透射过岩心模型30的超声波信号；

在本发明实施例中，接收探头又称为超声波接收探头。当接收探头接收超声波时，换能器实现将声能转变成电能。在接收声波时，外来声波作用在探头接收面上，引起换能器的机械振动系统振动。该振动使得储能元件中电场或磁场发生改变，换能器输出电压和电流，用来表示声信号。在本发明实施例中，超声波接收探头与发射探头是同一种探头，该探头的中心频率为300kHz。

数据采集器用于采集超声波信号；

控制器用于在超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值，并根据首波波谷幅值确定突变点，其中，突变点用于确定驱替前缘的到达时刻。

在本发明实施例中，采用超声波检测的方法对岩心模型的驱替过程进行采样，那么超声探头(即，发射探头和接收探头)的布置位置及布置方式对于最终的分析有着至关重要的影响。因此，下面将结合图4至图7对本发明实施例中的发射探头和接收探头的布置位置及布置方式进行详细的介绍。

如图4所示，在一个可选的实施方式中，发射探头中的第一组发射探头(即，图4中所示的发射探头1至发射探头8)均匀设置在岩心模型的上表面，接收探头中的第一组接收探头(即，图4中所示的接收探头9至接收探头16)均匀设置在岩心模型的下表面。

在本发明实施例中，通过将发射探头与接收探头分别布置在岩心模型的上表面和下表面，能够采集到横剖面若干点的数据，通过相关计算生成二维图像。显然，探头数目越多，采集点越多，同一时刻得到的数据就越多，图像的分辨率就越高。但是，探头的功率与大小是正相关的，考虑到岩心模型尺寸以及探头的价格，作为优选，可以设计为岩心模型的上下表面均匀分布12对超声探头，如图4所示，在岩心模型中仅布置了8对超声探头，对此，在本发明实施例中，不做具体的限制。因此，在本发明实施例中，选择的岩心模型为试验用岩心，因此，在布置超声探头时，可以依据岩心模型确定超声探头的数量。

进一步地，在该实施方式中，第一组发射探头和第一组接收探头之间满足以下关系：一一对应关系和/或一对多关系。其中，一一对应关系是指，由一个发射探头发射超声波，然后数据采集器接收一个接收探头采集到的超声波信号，具体，对应关系如图6所示；一对多关系是指由一个发射探头发射超声波，然后，数据采集器接收多个接收探头采集到的超声波信号，具体对应关系如图7所示。其中，一一对应关系和一对多关系是通过多路开关来实现的。

具体地，可以通过第一组多路开关来控制高压信号发生器和第一组发射探头之间的通断状态，其中，第一组多路开关中包含的开关的数量与第一组发射探头的数量相等，且第一组多路开关与第一组发射探头一一对应设置。

在本发明实施例中，还可以通过第二组多路开关来控制数据采集器，其中，第二组多路开关中包含的开关的数量与第一组接收探头的数量相等，且第二组多路开关与第一组接收探头一一对应设置；其中，控制器用于基于第一组发射探头和第一组接收探头之间的关系依次控制第一组多路开关和第二组多路开关中相应的开关处于打开状态。

如图8所示为一种驱替前缘的检测系统的示意图，如图8所示，包括驱替前缘的检测装置，多路开关1，高压信号发生器，多路开关2，数据采集器和控制器。从图8中可以看出，高压信号发生器用于向发射探头产生高压信号，其中，多路开关1用于控制高压信号发生器和发射探头之间的通断关系。数据采集器用于采集接收探头检测到的超声波信号，其中，多路开关2用于控制数据采集器和接收探头之间的通断状态。其中，多路开关1和多路开关2的通断状态是由控制器来控制的，同时，高压信号发生器和数据采集器的工作状态均是由控制器来控制的。

在如图4所示的实施方式中，多路开关1即为第一组多路开关，多路开关2即为第二组多路开关。

假设，第一组发射探头和第一组接收探头之间满足一一对应关系，且第一组发射探头和第一组接收探头的数量均为12个时，如图8所示的系统的工作原理如下：

首先，控制器控制高压信号发生器生成高电压，并控制多路开关1中的1号开关导通，其中，1号开关与1号发射探头相连接；控制器还控制多路开关2中的1号多路开关导通，该1号多路开关与1号接收探头相连接。其中，为了准确测量首波波至时间，在发射探头发出超声波的同时，接收探头必须也开始接收，这样才能保证由波形图得到的首波波至时间是可靠的。此时，1号发射探头就能够向岩心模型发射超声波，该超声波透射过岩心模型之后，被12个接收探头接收，但是，只有多路开关2中的1号多路开关导通，因此，1号接收探头接收到的超声波信号被数据采集器接收。

接下来，控制器控制多路开关1中的2号开关导通，其中，2号开关与2号发射探头相连接；控制器还控制多路开关2中的2号多路开关导通，该2号多路开关与2号接收探头相连接。此时，2号发射探头就能够向岩心模型发射超声波，该超声波透射过岩心模型之后，被12个接收探头接收，但是，只有多路开关2中的2号多路开关导通，因此，2号接收探头接收到的超声波信号被数据采集器接收。

此时，控制器将依次控制12个发射探头均执行上述过程，直至12个发射探头均执行完上述过程。其中，当第一组发射探头和第一组接收探头之间满足一对多的关系时，如图8所示的系统的工作原理如上所示，对此，不再赘述。

如图5所示，在一个可选的实施方式中，发射探头中的第一组发射探头均匀设置在岩心模型的上表面，接收探头中的第一组接收探头均匀设置在岩心模型的下表面；

发射探头中的第二组发射探头均匀设置在岩心模型的左表面，接收探头中的第二组接收探头均匀设置在岩心模型的右表面。

也就是说，在本发明实施例中，可以采用1维或者2维晶片阵列布置方式来对各个探头进行布置。其中，图4所示的即为1维晶片阵列布置方式，如图5所示的即为2维晶片阵列布置方式。

在本发明实施例中，在对驱替前缘进行研究检测时，选择的岩心模型的尺寸是：长300mm、宽100mm、高60mm，其孔隙率为30％，在两端分别布置一口注采井。用于实验的岩心模型必须经过封装才能够承受注入水、气、油时的压力。待超声探头与岩心模型粘接牢固后，包括探头相连的导线，模型整体浇注环氧树脂进行密封，探头导线及注采井管线引出，在之后的实验中需要连接相应设备。

其中，第一组发射探头和第一组接收探头之间满足以下关系：一一对应关系和/或一对多关系；第二组发射探头和第二组接收探头之间满足以下关系：一一对应关系和/或一对多关系。其中，一一对应关系是指，由一个发射探头发射超声波，然后数据采集器接收一个接收探头采集到的超声波信号，具体，对应关系如图6所示；一对多关系是指由一个发射探头发射超声波，然后，数据采集器接收多个接收探头采集到的超声波信号，具体对应关系如图7所示。其中，一一对应关系和一对多关系是通过多路开关来实现的。

具体地，可以通过第三组多路开关来控制高压信号发生器与第一组发射探头和第二组发射探头之间的通断状态，其中，第三组多路开关中包含的开关的数量与第一数量相等，且第三组多路开关分别与第一组发射探头和第二组发射探头一一对应设置，其中，第一数量为第一组发射探头和第二组发射探头数量的总和；

还可以通过第四组多路开关控制数据采集器与第一组接收探头和第二组接收探头之间的通断状态，其中，第四组多路开关中包含的开关的数量与第二数量相等，且第四组多路开关分别与第一组接收探头和第二组接收探头一一对应设置，其中，第二数量为第二组接收探头和第二组接收探头数量的总和；

其中，控制器用于基于第一关系和第二关系，依次控制第三组多路开关和第四组多路开关中相应的开关处于打开状态，第一关系为第一组发射探头和第一组接收探头之间的关系，第二关系为第二组发射探头和第二组接收探头之间的关系。

在如图5所示的实施方式中，多路开关1即为第三组多路开关，多路开关2即为第四组多路开关。

需要说明的是，在如图5所示的实施方式中，如图8所示的系统的工作原理如上所示，对此，不再赘述。

综上，通过上述描述可知，考虑到声波的干涉效应，确定为实验时发射探头每次只有一个工作，采用“一发一收”以及“一发多收”的形式对岩心模型进行数据采集。如图6和图7所示，所谓“一发一收”是当发射探头发出超声波时，只有正对面的接收探头产生的信号会通过多路开关进入采集卡，从而进行数据采集，该工作方式好处是存储数据相对较少，软件开发程序相对简单，后期数据处理花费时间短，图像生成的原理相对简单；而“一发多收”则是发射探头发射超声波时，对面临近的多个探头产生的信号会通过多路开关进入采集卡，至于哪几个接收探头工作则可以根据需要自行设定，一般只设定相近的探头接收，那么数量不会超过4个，该工作方式的好处是通过更多的采集数据能够生成效果更好的图像。

在另一个可选实施方式中，发射探头与岩心模型之间涂抹有耦合剂，且接收探头和岩心模型之间同样涂抹有耦合剂。

具体地，为了使接收探头得到的超声波信号能够尽可能明显，需要使进入被测对象的超声脉冲信号达到最强，采用的办法是在超声波发射探头与被测对象(例如，岩心模型)、接收探头与被测对象(例如，岩心模型)之间需要涂抹耦合剂。耦合剂是加在探头与被测对象(例如，岩心模型)之间的液体薄层，目的是增大超声波在检测面上的声强透射率。当探头与被测对象之间有一层空气时，即使很薄，也可以阻止超声波传入被测对象(例如，岩心模型)。耦合剂可以使探头与被测对象(例如，岩心模型)之间没有空气间隙，从而让超声波能够尽量多的传入被测对象(例如，岩心模型)。并且耦合剂还能润滑探头与被测对象(例如，岩心模型)，减小两者之间的摩擦，防止探头磨损。

需要说明的是，在本发明实施例中，可以使用JPR-10CN型超高功率及多波形超声波发射接收器作为高压信号发生器。该设备可以产生10V～600V的激励电压，发射频率为30kHz～10MHz，通过USB由PC控制，可以使用LabVIEW软件进行编程。

在本发明实施例中，可以选用NI PXIe-5122型数据采集卡作为数据采集器。该数据采集卡最大实时采样率为100MS/s，2路同步采样具有14位分辨率，能够以最高100MS/s采样率将从两个通道采集的数据写入磁盘，带有去噪和抗混叠滤波器的100MHz模拟带宽，拥有大容量板载内存，每通道标准内存为8MB，最大为256MB。

在通过上述方式布置好发射探头和接收探头之后，就可以通过数据采集器实时获取接收探头接收到的超声波信号，然后，对超声波信号进行处理，以确定突变点。

在本发明实施例中，数据处理共分为两部分内容：一部分内容是数据预处理，目的是去除干扰；另一部分是首波波至时间及首波波谷幅值的求取，这两个参数的变化能够分别代表声速及声幅衰减的变化情况。

第一、数据预处理

(1)、波形前端10us的数据置零

首先，获取超声波在砂岩中的传播速度为V＝3000～5000m/s；岩心模型的厚度为0.06m，则超声波穿过的最短距离为S＝0.06m。那么超声波穿透岩心的最小时间为

所以，前12us的数据并不是超声波穿过岩心模型到达接收探头的数据，可以认为是干扰信号。消除干扰的方法：可以将其置零，这里为了留有余量，将前10us的数据置为零。

(2)、带通滤波

由于发射的超声波中心频率为300kHz，所以接收的有效声波信号频率也在300kHz附近，其它频率的信号可以认为是干扰，所以可以使用带通滤波器消除这类干扰，通带频率设置为20kHz至2MHz。

第二，首波波至时间T₀及首波波谷幅值U_m的求取

将数据预处理完毕之后，需要求取波形的首波波至时间T₀以及首波波谷幅值U_m。其中，首波波至时间是接收信号中超声波首波起振点对应的时间，而首波波谷幅值是接收信号中超声波首波波谷点对应的幅值。

(1)，首波波谷幅值U_m的求取

对于U_m的求取，就是对波谷位置的确定。接收到的超声波信号在经过数据预处理之后，波形相对平滑了许多，没有毛刺。求取U_m的步骤如下：

首先，设定阈值U_threshold。

设定阈值的目的是将首波到来之前的噪声引起的波动排除在外。阈值设定需要提前观察采集到的数据波形。

然后，选取合适数量的点M个。

选取M个点的目的是对其进行二次曲线拟合。M的值需要通过计算获得，计算的原理及方法在求取U_m的步骤阐述完毕之后进行呈现。

接下来，二次拟合。

二次拟合的原理是利用最小二乘法将所选取的点拟合成近似的二次曲线，使曲线能够尽量反映数据点的变化趋势，并要求在所有数据点上的残差平方和最小如下述公式所示：该式中，δ为残差，f(x)代表二次函数，U_i代表某数据点的幅值。二次拟合的计算公式如式：

最后，求取导数并判断

判断拟合曲线导数为零的点其横坐标是否在所选的M个数据点的横坐标范围之内。如果在范围之内，则求得的点即为波谷点，如果不在范围之内则重新选择数据点。该波谷点可以不是所选数据中存在的点，可能是计算得到的值。

通过上述描述可知，在本发明实施例中，一个重要参数是首波波谷幅值，反映了超声波透射过岩心的衰减程度，具体反映到波形图像上为滤波去噪后波形第一个波的波谷的幅值。首波波谷幅值的绝对值越小，表明超声信号衰减的程度越大。

声压的衰减公式为：P(x)＝P₀*e^-ax。式中P₀为起始声压，x为声波穿过的距离，a为流体的吸收衰减系数。

已知声幅正比于声压，当岩心高度确定，声波穿过的距离x就确定，声压就取决于流体的吸收衰减系数，而流体不同其吸收衰减系数也不同，所以当驱替前缘到达某一位置时，该位置的首波波谷幅值U_m的绝对值会发生突变。

在驱替前缘到来之前，理论上该位置处只含有油，那么该处的首波波谷幅值的绝对值应当是不变的(实际有变化，但无突变)，而当驱替前缘到达时，该探头处超声波所穿透的路径内油气两相流体的含量发生突变，CO2的含量增加，油的含量减小，导致该时刻的首波波谷幅值的绝对值发生突变。

如图9和图10所示即为两个不同接收探头(例如，图9为5号接收探头，图10为6号接收探头)在不同时刻的首波波谷幅值绝对值的示意图，从图9中可以看出，5号接收探头的首波波谷幅值绝对值在9:25分出现突变，此时，确定9:25即为突变时刻(即，上述突变点)。从图10中可以看出，6号接收探头的首波波谷幅值绝对值在9:36分出现突变，此时，确定9:36即为突变时刻(即，上述突变点)。

(2)首波波至时间T₀的求取

在计算过程中，有两个关键参数需要确定，一个是设置的阈值，另一个是进行二次拟合的点的数量A。对于阈值参数U_threshold的设置，由于不同实验、不同时刻的波形是有区别的，在实际程序中设置U_threshold与U_m的大小有关，为U_m的1/30。数量A的求取与之前M的求取相同，设置A的数量为50，其中，

通过随机抽取的150组实验数据进行计算，切线法求得的T₀与人工估读的值非常接近，可以认为该方法求得的解是有效的。由于岩心的厚度一定，根据T₀，可以求得穿透岩心的超声波波速，结合探头位置可以得到岩心内流体分布的速度场。

由于本发明实施例中，采用的方法是超声透射法，利用超声波在不同介质(流体)中具有不同的传播速度这一特性，通过测量超声波透射过岩心后的首波波至时间，可以得到超声波在岩心中的平均声速，对岩心内某一位置的不同时刻的平均声速按照时间顺序排列，找到平均声速突变的时刻即为驱替前缘到达该位置的时刻。

综上，在本发明实施例中，提供了一种驱替前缘的检测装置，该检测装置的检测方法是一种无损(非插入式)检测方法，在岩心内驱替前缘检测方面是一种新的方法。且相比于现有技术方法，该方法更适合CO₂驱油过程的驱替前缘检测。且该装置利用超声波在不同流体中具有不同的吸收衰减这一特性，通过测量超声波透射过岩心后的首波波谷幅值，可以得到超声波在岩心中的声幅衰减情况，对岩心内某一位置的不同时刻的首波波谷幅值的绝对值按照时间顺序排列，找到首波波谷幅值绝对值突变的时刻即为驱替前缘到达该位置的时刻。

实施例二：

本发明实施例还提供了一种驱替前缘的检测方法。该方法应用于上述实施例一中的驱替前缘的检测装置，

图11是根据本发明实施例的一种驱替前缘的检测方法的流程图，如图9所示，该驱替前缘的检测方法主要包括如下步骤：

步骤S1102，在驱油过程中，依次采集每个接收探头接收到的超声波信号，其中，超声波信号为发射探头发射的超声波透射过岩心模型的超声波信号；

步骤S1104，在超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值；

步骤S1106，根据首波波谷幅值确定突变点，其中，突变点为每个接收探头接收到的超声波信号中首波波谷幅值的绝对值发生突变的时刻；

步骤S1108，基于突变点确定驱替前缘的到达时刻。

可选地，根据首波波谷幅值确定突变点包括：首先计算每个接收探头在不同时刻的首波波谷幅值的绝对值；然后，将绝对值按照时间进行排序，得到排序结果；最后，在排序结果中查找首波波谷幅值的绝对值发生突变的时刻，并确定发生突变的时刻为驱替前缘的到达时刻。

可选地，根据首波波至时间确定突变点描述如下：由于本发明实施例中，采用的方法是超声透射法，利用超声波在不同介质(流体)中具有不同的传播速度这一特性，通过测量超声波透射过岩心后的首波波至时间，可以得到超声波在岩心中的平均声速，对岩心内某一位置的不同时刻的平均声速按照时间顺序排列，找到平均声速突变的时刻即为驱替前缘到达该位置的时刻。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种驱替前缘的检测装置，其特征在于，包括：发射探头和接收探头，岩心模型，数据采集器和控制器，所述发射探头和所述接收探头设置在所述岩心模型的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面为所述岩心模型上相对应的表面，所述岩心模型为注入驱油CO₂的模型；

所述发射探头用于在CO₂驱油过程中，向所述岩心模型发射超声波；

所述接收探头用于接收所述超声波透射过所述岩心模型的超声波信号；

所述数据采集器用于采集所述超声波信号；

所述控制器用于在所述超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值，并根据所述首波波谷幅值确定突变点，其中，所述突变点用于确定驱替前缘的到达时刻；

所述驱替前缘的检测装置还用于根据首波波至时间确定突变点，描述如下：利用超声波在不同介质中具有不同的传播速度这一特性，通过测量超声波信号透射过岩心后的首波波至时间，得到超声波信号在岩心中的平均声速，对岩心内某一位置的不同时刻的平均声速按照时间顺序排列，找到平均声速突变的时刻即为驱替前缘到达该位置的时刻；

所述装置还包括：

第三组多路开关，所述第三组多路开关中包含的开关的数量与第一数量相等，且所述第三组多路开关分别与所述发射探头中的第一组发射探头和所述发射探头中的第二组发射探头一一对应设置，其中，所述第一数量为所述第一组发射探头和所述第二组发射探头数量的总和；

第四组多路开关，所述第四组多路开关中包含的开关的数量与第二数量相等，且所述第四组多路开关分别与所述发射探头中的第一组接收探头和所述发射探头中的第二组接收探头一一对应设置，其中，所述第二数量为所述第二组接收探头和所述第二组接收探头数量的总和；

其中，所述控制器用于基于第一关系和第二关系，依次控制所述第三组多路开关和所述第四组多路开关中相应的开关处于打开状态，所述第一关系为所述第一组发射探头和所述第一组接收探头之间的关系，所述第二关系为所述第二组发射探头和所述第二组接收探头之间的关系；第一组发射探头均匀设置在所述岩心模型的上表面，所述第一组接收探头均匀设置在所述岩心模型的下表面，所述第二组发射探头均匀设置在所述岩心模型的左表面，所述第二组接收探头均匀设置在所述岩心模型的右表面；

第一组发射探头和第一组接收探头之间满足一对多关系，所述第二组发射探头和所述第二组接收探头之间满足一对多关系，且通过将发射探头与接收探头分别布置在岩心模型的上表面和下表面，能够采集到横剖面若干点的数据，通过相关计算生成二维图像，一对多关系是指由一个发射探头发射超声波。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射探头中的第一组发射探头均匀设置在所述岩心模型的上表面，所述接收探头中的第一组接收探头均匀设置在所述岩心模型的下表面。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一组多路开关，所述第一组多路开关中包含的开关的数量与所述第一组发射探头的数量相等，且所述第一组多路开关与所述第一组发射探头一一对应设置；

第二组多路开关，所述第二组多路开关中包含的开关的数量与所述第一组接收探头的数量相等，且所述第二组多路开关与所述第一组接收探头一一对应设置；

其中，所述控制器用于基于所述第一组发射探头和所述第一组接收探头之间的关系依次控制所述第一组多路开关和所述第二组多路开关中相应的开关处于打开状态。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射探头与所述岩心模型之间涂抹有耦合剂，且所述接收探头和所述岩心模型之间同样涂抹有耦合剂。

5.一种驱替前缘的检测方法，应用于上述权利要求1至4中任一项所述的驱替前缘的检测装置，其特征在于，包括：

在驱油过程中，依次采集每个接收探头接收到的超声波信号，其中，所述超声波信号为发射探头发射的超声波透射过所述岩心模型的超声波信号；

在所述超声波信号中提取各个时刻的首波波谷幅值；

根据所述首波波谷幅值，其中，所述突变点为每个所述接收探头接收到的超声波信号中首波波谷幅值的绝对值发生突变的时刻；

基于所述突变点确定驱替前缘的到达时刻；

其中，所述方法还包括：根据首波波至时间确定突变点，描述如下：利用超声波在不同介质中具有不同的传播速度这一特性，通过测量超声波信号透射过岩心后的首波波至时间，得到超声波信号在岩心中的平均声速，对岩心内某一位置的不同时刻的平均声速按照时间顺序排列，找到平均声速突变的时刻即为驱替前缘到达该位置的时刻。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述首波波谷幅值确定突变点包括：

计算每个所述接收探头在不同时刻的所述首波波谷幅值的绝对值；

将所述绝对值按照时间进行排序，得到排序结果；

在所述排序结果中查找所述首波波谷幅值的绝对值发生突变的时刻，并确定所述发生突变的时刻为所述驱替前缘的到达时刻。