一种电模拟流场实验仪的设计

【摘 要】在采油过程中,分支井之间的相互干扰,成为影响分支井产能的主要因素[1].为了更好的研究分支井的相互干扰对产能的影响,本文根据水流和电流现象之间的相似性[2],设计了一种研究在采油过程中流压的实验仪.针对采油过程中可能出现的对称式多分支井,任意夹角的双分支井和鱼骨型分支井,本文进行了一系列的模拟实验,实践证明实验仪操作简单,实验结果快速、准确,对油层流动的研究起到很好的辅助作用.

【关 键 词】双分支井；鱼骨型分支井；流压

1.引言

为了更好的研究在采油过程中油气层在地层的流动情况,电模拟作为一种最广泛的实验模拟手段得到越来越多的应用.为了更好的研究,提高实验精度,本文在研究现有的实验装置的基础上,将实验电路进行改进,设计出一种新型的电模拟流场试验仪,目前该试验仪在长江大学石油工程学院正式投入使用,实验结果良好,得到老师的好评.

2.电模拟流场实验原理

在采油过程中,油气层在地层的流动情况遵循拉普拉斯方程[3][4],即：

稳定电流场中电势情况也遵循拉普拉斯方程,即：

油田开采过程中,根据相似原理,油气层的压力场分布与稳定电流场中电势分布具有相似性.

据此,我们可以用稳定电流场中电势的分布来模拟油气层的压力场分布.如表1列出了压力场和电流场的对比关系.

3.实验装置基本原理

本文将电模拟流场实验仪分成两个部分,即模拟油层区域模型和信号发生及电压电流检测部分.如图1所示,为本文设计电模拟流场实验仪示意图.流场部分即模拟油层区域部分,我们采用了水作为模型介质,但是液体介质水具有电极化效应,如果使用直流信号作为信号源将发生电极化现象,对测量产生影响,因此在模拟稳定电流场时,我们选用1KHz频率的±5V双极流方波电压信号作为信号源,如图1所示,为了分析油层压力分布情况,我们将模拟油层设计成矩形,高电势电极一个,低电势电极两个,放置位置如图1所示,电压信号的高低端分别接A电极（高电势电极）和GND电极（低电势电极）,测量电极接C电极（探针）,于是在通电之后,交流方波信号在模拟流场中产生一个电势分布,我们通过测量电极知道模拟流场中油层压力分布情况.为了分析分支井产量问题,我们直接在矩形流场中放置一个圆环模拟流场,圆环内侧有一层导电介质,在实验时,我们把A电极接在圆环导电介质上,将用导电材料做出的油井分布模型放置在圆环内,B电极（铜棒）接油井分布模型上,通过测量流过B电极的电流大小来分析不同情况下油层产量问题.

4.电路设计部分

为了满足现代实验要求,我们将±5V双极性信号发生器,测量电路,电源,显示部分做成一个整体.如图2所示为本文设计的电路关系示意图.

如图3所示是试验仪信号发生器,电压电流检测及显示部分的实物组装图.

本文选择的控制器为STC12C5620系列单片机,该系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统51单片机,速度快8-15倍,工作电压在3.5-5.5V,工作频率范围在0-35MHz,本文选用的单片机用户应用程序空间20K字节.本文选用MCP3208作为ADC转化芯片,该芯片是由Microchip公司制造的一种精度为12位的ADC转换芯片,其优势是采样速度快,可以达到100K/S,工作电流小,只有400μA,静态电流500nA,工作电压范围宽（2.7～5.5V均可）,芯片采用工业级标准SPI总线作为通信总线,数据传输性能好.

实验过程中,当按键A按下时,我们进入电压测量模式,通过C电极,双极性信号通过相敏检波,A/D转换,单片机将采集的电压值发送给液晶显示部分,把当前电压值显示出来,这样我们可以了解流场中任意位置的电压值；当按键B按下时,我们进入百分比模式,这个和电压模式一样,只是显示的方式不同,这个模式以百分比模式显示电压值,通过这个模式,我们可以找出流场中同百分比的等电势线；当按键C按下时,我们进入电流测量模式.

电路功率放大及极性变换部分如图4所示,I_C是由单片机产生的1KHz的单极性方波信号,经过功率放大及极性变换之后变成双极性的信号源.电路中C1起到隔离作用,C2起到隔离直流通交流信号的作用,保证O_S输出的是上下对称的双极性信号,防止电位漂移.该电路采用集电极输出电压方式,输出阻抗高,具有限流保护,防止电路短路的特点.当试验仪进入电流模式时,实验要求A电极能够提供较大的电流,通过调试,当我们将R2取150Ω,R3取2KΩ,R4取1KΩ,O_S能够输出最大电流有效值为150mA左右,这已经能够满足实验要求.

相敏检波电路如图5所示,电路使用模拟开关CD4053芯片,I_1为待检测信号,I_C与I_1同频率的方波信号.当I_C为“1”这个半周期时,CD4053输出信号放大倍数为“-1”；

当I_C为“0”这个半周期时,CD4053输出信号放大倍数为“1”,所以当I_1与I_C同相时,CD4053输出信号为单极性的负电压信号,反之,则为单极性的正电压信号.该电路的设计简单,输入阻抗高,灵敏度高,抗干扰能力强.

试验仪显示部分我们采用MK-D24064N智能液晶模块,如图6所示,液晶模块尺寸4.6英寸,背光种类为LED,电源电压大小为D.9―5.2V,接口有TTL电平串口,单片机系统任意I/O线,RS232串行接口三种,使用起来方便,通讯波特率共15种,用户可以自行选择.

5.结论

通过在长江大学石油工程学院实验室的使用情况证明本文设计的电模拟流场试验仪更加安全、方便、可靠,电路相比现有的实验仪电路更加的简洁.根据使用者的反应,该试验仪得出的实验结果良好,使用者的反应也为本试验仪的设计工作提供了宝贵的经验.