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。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,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。

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,即:

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稳定电流场中电势情况也遵循拉普拉斯方程,即:

$2

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双极性交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。



5.结论

本文根据水流和电流现象之间的相似性,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,证明了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。