一種電模擬流場實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

1.引言

為了更好的研究在采油過程中油氣層在地層的流動情況，電模擬作為一種最廣泛的實(shí)驗(yàn)?zāi)M手段得到越來越多的應(yīng)用。為了更好的研究，提高實(shí)驗(yàn)精度，本文在研究現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，將實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種新型的電模擬流場試驗(yàn)儀，目前該試驗(yàn)儀在長江大學(xué)石油工程學(xué)院正式投入使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好，得到老師的好評。

2.電模擬流場實(shí)驗(yàn)原理

在采油過程中，油氣層在地層的流動情況遵循拉普拉斯方程，即：

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穩(wěn)定電流場中電勢情況也遵循拉普拉斯方程，即：

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油田開采過程中，根據(jù)相似原理，油氣層的壓力場分布與穩(wěn)定電流場中電勢分布具有相似性。

據(jù)此，我們可以用穩(wěn)定電流場中電勢的分布來模擬油氣層的壓力場分布。如表1列出了壓力場和電流場的對比關(guān)系。

3.實(shí)驗(yàn)裝置基本原理

本文將電模擬流場實(shí)驗(yàn)儀分成兩個部分，即模擬油層區(qū)域模型和信號發(fā)生及電壓電流檢測部分。如圖1所示，為本文設(shè)計(jì)電模擬流場實(shí)驗(yàn)儀示意圖。流場部分即模擬油層區(qū)域部分，我們采用了水作為模型介質(zhì)，但是液體介質(zhì)水具有電極化效應(yīng)，如果使用直流信號作為信號源將發(fā)生電極化現(xiàn)象，對測量產(chǎn)生影響，因此在模擬穩(wěn)定電流場時(shí)，我們選用1KHz頻率的±5V雙極性交流方波電壓信號作為信號源，如圖1所示，為了分析油層壓力分布情況，我們將模擬油層設(shè)計(jì)成矩形，高電勢電極一個，低電勢電極兩個，放置位置如圖1所示，電壓信號的高低端分別接A電極(高電勢電極)和GND電極(低電勢電極)，測量電極接C電極(探針)，于是在通電之后，交流方波信號在模擬流場中產(chǎn)生一個電勢分布，我們通過測量電極知道模擬流場中油層壓力分布情況。為了分析分支井產(chǎn)量問題，我們直接在矩形流場中放置一個圓環(huán)模擬流場，圓環(huán)內(nèi)側(cè)有一層導(dǎo)電介質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們把A電極接在圓環(huán)導(dǎo)電介質(zhì)上，將用導(dǎo)電材料做出的油井分布模型放置在圓環(huán)內(nèi)，B電極(銅棒)接油井分布模型上，通過測量流過B電極的電流大小來分析不同情況下油層產(chǎn)量問題。

4.電路設(shè)計(jì)部分

為了滿足現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)要求，我們將±5V雙極性信號發(fā)生器，測量電路，電源，顯示部分做成一個整體。如圖2所示為本文設(shè)計(jì)的電路關(guān)系示意圖。

如圖3所示是試驗(yàn)儀信號發(fā)生器，電壓電流檢測及顯示部分的實(shí)物組裝圖。

本文選擇的控制器為STC12C5620系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)，速度快8-15倍，工作電壓在3.5-5.5V,工作頻率范圍在0-35MHz,本文選用的單片機(jī)用戶應(yīng)用程序空間20K字節(jié)。本文選用MCP3208作為ADC轉(zhuǎn)化芯片，該芯片是由Microchip公司制造的一種精度為12位的ADC轉(zhuǎn)換芯片，其優(yōu)勢是采樣速度快，可以達(dá)到100K/S,工作電流小，只有400μA,靜態(tài)電流500nA,工作電壓范圍寬(2.7~5.5V均可)，芯片采用工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)SPI總線作為通信總線，數(shù)據(jù)傳輸性能好。

實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)按鍵A按下時(shí)，我們進(jìn)入電壓測量模式，通過C電極，雙極性信號通過相敏檢波，A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將采集的電壓值發(fā)送給液晶顯示部分，把當(dāng)前電壓值顯示出來，這樣我們可以了解流場中任意位置的電壓值;當(dāng)按鍵B按下時(shí)，我們進(jìn)入百分比模式，這個和電壓模式一樣，只是顯示的方式不同，這個模式以百分比模式顯示電壓值，通過這個模式，我們可以找出流場中同百分比的等電勢線;當(dāng)按鍵C按下時(shí)，我們進(jìn)入電流測量模式。

電路功率放大及極性變換部分如圖4所示，I_C是由單片機(jī)產(chǎn)生的1KHz的單極性方波信號，經(jīng)過功率放大及極性變換之后變成雙極性的信號源。電路中C1起到隔離作用，C2起到隔離直流通交流信號的作用，保證O_S輸出的是上下對稱的雙極性信號，防止電位漂移。

該電路采用集電極輸出電壓方式，輸出阻抗高，具有限流保護(hù)，防止電路短路的特點(diǎn)。

當(dāng)試驗(yàn)儀進(jìn)入電流模式時(shí)，實(shí)驗(yàn)要求A電極能夠提供較大的電流，通過調(diào)試，當(dāng)我們將R2取150Ω，R3取2KΩ，R4取1KΩ，O_S能夠輸出最大電流有效值為150mA左右，這已經(jīng)能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。

相敏檢波電路如圖5所示，電路使用模擬開關(guān)CD4053芯片，I_1為待檢測信號，I_C與I_1同頻率的方波信號。當(dāng)I_C為“1”這個半周期時(shí)，CD4053輸出信號放大倍數(shù)為“-1”;當(dāng)I_C為“0”這個半周期時(shí)，CD4053輸出信號放大倍數(shù)為“1”,所以當(dāng)I_1與I_C同相時(shí)，CD4053輸出信號為單極性的負(fù)電壓信號，反之，則為單極性的正電壓信號。該電路的設(shè)計(jì)簡單，輸入阻抗高，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。

5.結(jié)論

本文根據(jù)水流和電流現(xiàn)象之間的相似性，設(shè)計(jì)了一種研究在采油過程中流壓的實(shí)驗(yàn)儀。針對采油過程中可能出現(xiàn)的對稱式多分支井，任意夾角的雙分支井和魚骨型分支井，本文進(jìn)行了一系列的模擬實(shí)驗(yàn)，證明了本文設(shè)計(jì)的電模擬流場試驗(yàn)儀更加安全、方便、可靠，電路相比現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀電路更加的簡潔。