一种电模拟流场实验仪的设计

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：

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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。