本实用新型属于油气开发技术领域，涉及一种应用于油气田开发过程中注水井情况智能监控的室内实验装置，特别涉及用于注水井的地面与井下信息双向传输的一种流体压力波码室内实验装置及方法。
背景技术：
油气田开发过程中，随着油气开采时间的增长，储层（储藏油气的地层）压力逐渐下降，对油气的驱动能力减弱，造成油气井产量的大幅度下降。为保证储层中的油气继续向生产井中运移，需要对储层不断补充高压流体以增强地层能量，而通过地面向井下储层注水是油气田补充储层能量、提高油气田采收率（油气总采出量与可采储量之比）的最经济有效的技术手段。油气田注水是在生产井附近打若干口注水井，在注水井中通过适当控制多个储层的注入压力和流量，使各个注水井注入储层的水可以驱赶储层中的油气向生产井的井筒中移动，提高生产井的油气产量并最终提高油气田的采收率。由于生产井存在多个不同深度的储层，各个储层在产油或产气过程中的能量降低有较大差别，因此对各个储层的能量补充量要区别对待。注水井中的注水储层称为注水层，各个注水层的注水流量由注水井中井下配水器的水嘴开度来控制配水器安装有多个水嘴，各水嘴对应不同的注水层，见附图1。注水井情况的智能监控包括地面注水流量的控制、井下配水器的水嘴开度监控、井下各个注水层的注入流量监控、地面与井下信息的无线双向传输等；其中，地面与井下信息的无线双向传输采用流体压力波码方式。有关注水井的地面与井下信息的无线双向传输，杨玲智等在论文“鄂尔多斯超低渗储层智能注水监控技术”（石油钻探技术2017）中介绍了流体压力波码技术在智能分层注水中的应用，但没有说明流体压力波码的产生与传输机理；康学玺等在“一种利用流量波调控分层注水的装置及方法”（专利申请号：201710807149.4）的专利申请中，叙述了通过改变地面进入注水管的流量实现地面控制命令的下传，通过井下配水器水嘴开度的突然变化来改变注水管的流量实现井下信息的上传，达到地面与井下信息双向传输的目的，但该研究存在的问题是，当井下配水器水嘴的开度突然变化时，由于注水管中水的流动惯性，水的流速不会突然改变，此时注水管中的水流处于恒流状态，因此注水管中的流量并不会随着配水器水嘴开度的突然变化而发生改变，即无法在注水管中产生流量波来实现井下信息的上传。理论研究表明，流体压力波码进行地面与井下信息的无线双向传输机理是，通过突然改变地面进入注水管的流量在井下产生压力变化来实现地面控制命令的下传，通过突然改变井下配水器水嘴的开度使水嘴的前后压力差发生变化，水嘴压差产生的压力波在注水管中向井口或地面传播来实现井下信息的上传。虽然目前流体压力波码技术已在注水井的智能监控中得到初步应用，但压力波信号如何在注水管中进行传输，接收端的压力信号强度如何受信号特性与传输过程的影响，配水器的水嘴开度如何影响其产生的压力脉冲信号强度，配水器水嘴开度随时间的变化速率如何影响流体压力波码信号的传输，如何进一步改善或完善流体压力波码技术的应用等，需要对流体压力波码无线双向传输的机理进行必要的室内实验验证。由于压力波在水中的传播速度大约为1500米/秒，相关室内实验装置需要配备上千米长度的刚性高压管道来模拟注水管，受室内面积的限制，现有的技术方法还无法实现。
技术实现要素：
为了克服现有室内实验装置需要配备上千米长度的刚性高压管道来模拟注水管，受室内面积的限制，现有的方法还无法实现的问题，本实用新型提供一种流体压力波码实验装置，本实用新型中盘管柱中流速与实际注水管中流速相同，采用旋转式步进阀提高水嘴开度随时间的变化速率，采用电控旋转式步进阀来模拟井下配水器阀门，可以提高水嘴开度随时间的变化速率；通过调整步进电机的脉冲驱动电压频率可以改变阀门开度随时间的变化速率，使阀门水嘴产生的压力脉冲信号的上升与下降时间发生变化，用于研究脉冲形状对压力信号传输的影响及信号传输的失真情况。
本实用新型采用的技术方案为：
一种流体压力波码实验装置，包括水池、手动阀、柱塞泵、脉冲阻尼器、流量计、a压力传感器、电控阀、b压力传感器、盘管柱、c压力传感器、电控旋转式步进阀、旁路电控阀和电控安全阀；所述的水池上端进口与盘管柱连接，盘管柱出口端与水池上端进口之间依次设置有c压力传感器和电控旋转式步进阀；所述的盘管柱进口端与柱塞泵连接，所述的柱塞泵与盘管柱进口端之间依次设置有脉冲阻尼器、流量计、a压力传感器、电控阀和b压力传感器；所述的柱塞泵进口与水池之间通过管线连接，该管线上设置有手动阀；所述的脉冲阻尼器与电控旋转式步进阀的出口端之间设置有旁通管线，该旁通管线上设置有旁路电控阀；所述的电控安全阀与旁路电控阀并列设置。
所述的盘管柱采用5层盘管层叠连接形成1200米长管道。
所述的水池下端出口设有放水阀。
所述的电控旋转式步进阀由定子及相对于定子转动的转子组成，所述的转子采用步进电机驱动，转子连接有转子轴，转子在步进电机驱动下绕转子轴转动。
所述的定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定，转子安装在定子下部，定子和转子上有相同数量的多个相同尺寸的孔口，定子孔口和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔。
所述的定子和转子上有相同数量的多个相同尺寸的孔口，孔口为扇形孔口。
所述的转子在步进电机驱动下绕转子轴每步转动
本实用新型的有益效果是：
本实用新型采用小口径高压盘管的层叠连接形成上千米长度的刚性管道，用于模拟实际的注水管道；采用电控旋转式步进阀来模拟井下配水器阀门，可以提高水嘴开度随时间的变化速率；通过调整步进电机的脉冲驱动电压频率可以改变阀门开度随时间的变化速率，使阀门水嘴产生的压力脉冲信号的上升与下降时间发生变化，本实用新型装置能够真实地模拟脉冲形状对压力信号传输的影响及信号传输的失真情况。
以下将结合附图进行进一步的说明。
附图说明
图1是现有技术中包含有井下配水器的注水井情况智能监控装置示意图。
图2是流体压力波码室内实验装置的组成示意图。
图3是电控旋转式步进阀的转子结构示意图。
图中，附图标记为：1、水；2、地面电控阀；3、流量计；4、注水管；5、井口压力传感器；6、地面；7、井下配水器；8、配水器水嘴；9、电池；10、封隔器；11、地层；12、水池；13、手动阀；14、柱塞泵；15、脉冲阻尼器；16、流量计；17、a压力传感器；18、电控阀；19、b压力传感器；20、盘管柱；21、c压力传感器；22、电控旋转式步进阀；23、旁路电控阀；24、电控安全阀；25、放水阀；26、孔口；27、转子轴。
具体实施方式
实施例1;
为了克服现有室内实验装置需要配备上千米长度的刚性高压管道来模拟注水管，受室内面积的限制，现有的方法还无法实现的问题，本实用新型提供如图2和3所示的一种流体压力波码实验装置，本实用新型中盘管柱中流速与实际注水管中流速相同，采用旋转式步进阀提高水嘴开度随时间的变化速率，采用电控旋转式步进阀来模拟井下配水器阀门，可以提高水嘴开度随时间的变化速率；通过调整步进电机的脉冲驱动电压频率可以改变阀门开度随时间的变化速率，使阀门水嘴产生的压力脉冲信号的上升与下降时间发生变化，用于研究脉冲形状对压力信号传输的影响及信号传输的失真情况。
一种流体压力波码实验装置，包括水池12、手动阀13、柱塞泵14、脉冲阻尼器15、流量计16、a压力传感器17、电控阀18、b压力传感器19、盘管柱20、c压力传感器21、电控旋转式步进阀22、旁路电控阀23和电控安全阀24；所述的水池12上端进口与盘管柱20连接，盘管柱20出口端与水池12上端进口之间依次设置有c压力传感器21和电控旋转式步进阀22；所述的盘管柱20进口端与柱塞泵14连接，所述的柱塞泵14与盘管柱20进口端之间依次设置有脉冲阻尼器15、流量计16、a压力传感器17、电控阀18和b压力传感器19；所述的柱塞泵14进口与水池12之间通过管线连接，该管线上设置有手动阀13；所述的脉冲阻尼器15与电控旋转式步进阀22的出口端之间设置有旁通管线，该旁通管线上设置有旁路电控阀23；所述的电控安全阀24与旁路电控阀23并列设置。
如图2所示，水池12、手动阀13、柱塞泵14、脉冲阻尼器15、流量计16、a压力传感器17、电控阀18、b压力传感器19、旁路电控阀23组成的管道装置用于模拟注水井的地面系统；盘管柱20用于模拟注水管中压力波信号的传输；c压力传感器21、电控旋转式步进阀22构成的管道装置用于模拟注水井的井下配水系统。本实用新型的流体压力波码室内实验装置可以较好地模拟注水井注水过程的工况及地面与井下信息的无线双向传输。
本实用新型中水池12中的水通过手动阀13和柱塞泵14进入脉冲阻尼器15，脉冲阻尼器15将柱塞泵14输出的脉动流量平滑成稳定流量，流量由流量计16测出，电控阀18用于模拟地面控制阀，改变电控阀18的开度可以改变实验管道流量，使管道中水的流速与实际注水管中的水流速度一致，电控阀18两端的a压力传感器17和b压力传感器19用于监控电控阀18压差，管道中的水流进入盘管柱20；盘管柱20的出水通过电控旋转式步进阀22流回水池12，电控旋转式步进阀22用于模拟井下配水器的注水阀门及水嘴，电控旋转式步进阀22的出口压力为大气压强，改变电控旋转式步进阀22的开度可以改变其两端的压差，电控旋转式步进阀22两端的压差通过c压力传感器22监控。a压力传感器17和b压力传感器19还用于检测电控旋转式步进阀22产生的压力脉冲信号通过盘管柱20传输至地面的压力变化，c压力传感器21用于检测电控阀18的开度突变引起的井下压力变化，旁路电控阀23用于柱塞泵泵出液的分流，模拟地面管网的恒压状态，电控安全阀24用于柱塞泵的出口压力保护，防止管线憋压。a压力传感器17、b压力传感器19、c压力传感器21、流量计16的测量值通过计算机数据采集与控制系统送入计算机进行处理，电控阀18、电控旋转式步进阀22的开度通过计算机数据采集与控制系统的位控输出信号控制。
本实用新型采用电控旋转式步进阀22提高水嘴开度随时间的变化速率；水嘴开度随时间的变化速率影响其产生的压力脉冲信号的上升时间，水嘴开度随时间的变化速率越大，压力脉冲信号的上升时间越短，脉冲信号的品质越好，有利于信号的检测与处理；同时，水嘴开度随时间的变化速率大，单位时间内产生的脉冲数就越多，有利于提高井下数据的传输速率，井下配水器上采用电控旋转式步进阀，通过步进电机驱动转子相对于定子的快速步进转动来控制阀门开度，使阀门开度随时间的变化速率大幅度提高；通过调整步进电机的脉冲驱动电压频率可以改变阀门开度随时间的变化速率，使阀门水嘴产生的压力脉冲信号的上升与下降时间发生变化，用于研究脉冲形状对压力信号传输的影响及信号传输的失真情况。
实施例2：
基于实施例1的基础上，本实施例中，所述的盘管柱20采用5层盘管层叠连接形成1200米长管道。
由于流体在阀门或水嘴产生的压差与流速有关，为保证实验装置的实验数据能真实反映注水管的地面控制阀与井下配水器水嘴产生的压差，实验装置的刚性管道流速应与实际注水管中的流速相同，实验装置的刚性管道即盘管柱20采用内径为16mm、外径20mm的小口径不锈钢高压盘管，盘管的内壁光滑以减小沿程压力损失，在盘外径2.5米、盘内径0.5米情况下的管道长度大约为240米，将5个盘外径2.5米的环形管道连接并垂直层叠，达到1200米的管道总长，由于压力波是类似于声波的纵波，当压力波进入充满水的盘管时，在水与盘管内壁界面的入射角为
其中，
本实用新型采用小口径高压盘管的层叠连接模拟上千米长度的注水管，将5个环形管道连接并垂直层叠，盘管内壁中既无纵波也无横波，盘管中的压力波在入射到盘管内壁时产生声波全反射，压力波信号不产生额外的声波能量损失，采用小口径高压盘管的层叠连接形成上千米长度的刚性管道，用于模拟实际的注水管道；采用电控旋转式步进阀22来模拟井下配水器阀门，可以提高水嘴开度随时间的变化速率；通过调整步进电机的脉冲驱动电压频率可以改变阀门开度随时间的变化速率，使阀门水嘴产生的压力脉冲信号的上升与下降时间发生变化，本实用新型能够真实地模拟脉冲形状对压力信号传输的影响及信号传输的失真情况。
所述的水池12下端出口设有放水阀25。
所述的电控旋转式步进阀22由定子及相对于定子转动的转子组成，所述的转子采用步进电机驱动，转子连接有转子轴27，转子在步进电机驱动下绕转子轴27转动。
所述的定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定，转子安装在定子下部，定子和转子上有相同数量的多个相同尺寸的孔口26，定子孔口和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔。
所述的定子和转子上有相同数量的多个相同尺寸的孔口26，孔口26为扇形孔口。
所述的转子在步进电机驱动下绕转子轴27每步转动
电控旋转式步进阀22由定子及相对于定子转动的转子组成，转子采用步进电机驱动，通过计算机数据采集与控制系统调整步进电机的脉冲驱动电压频率可以改变阀门开度随时间的变化速率，使阀门水嘴产生的压力脉冲信号的上升与下降时间发生变化，根据a压力传感器17和b压力传感器19得到的压力信号传输值及信号波形，可以反映脉冲形状对压力信号传输的影响及信号传输的失真情况。
如图3所示，图3是本实用新型中电控旋转式步进阀的转子结构示意图。定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定，转子安装在定子下部，定子和转子上有相同数量的多个相同尺寸的扇形孔口26，定子孔口和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔，当定子孔口和转子孔口的完全重合时阀孔的流通截面最大，阀孔达到最大开度。从定子孔口和转子孔口完全重合时的位置开始，转子在步进电机驱动下绕转子轴27每步转动
一种流体压力波码实验方法，具体步骤为：
水池12中的水通过手动阀13和柱塞泵14进入脉冲阻尼器15，脉冲阻尼器15将柱塞泵14输出的脉动流量平滑成稳定流量，流量由流量计16测出，电控阀18用于模拟地面控制阀，改变电控阀18的开度可以改变实验管道流量，使管道中水的流速与实际注水管中的水流速度一致，通过电控阀18两端的a压力传感器17和b压力传感器19监控电控阀18压差，管道中的水流进入盘管柱20；盘管柱20的出水通过电控旋转式步进阀22流回水池12；a压力传感器17、b压力传感器19、c压力传感器21、流量计16的测量值通过计算机数据采集与控制系统送入计算机进行处理，电控阀18、电控旋转式步进阀22的开度通过计算机数据采集与控制系统的位控输出信号控制；
通过计算机数据采集与控制系统输出脉冲状位控信号给电控阀18改变阀门的开度，同时检测a压力传感器17、b压力传感器19和c压力传感器21的测量值，根据a压力传感器17和b压力传感器19测量值得到电控阀18两端压差，以压差的变化值作为压力信号的输入值，根据c压力传感器21的测量值与大气压强之差得到电控旋转式步进阀22两端压差，以压差的变化值作为压力信号的传输值，用压力信号的传输值与压力信号输入值的比值表示地面压力信号下传过程的传输系数；
模拟井下信息的上传时，通过计算机数据采集与控制系统输出脉冲状位控信号给电控旋转式步进阀22改变阀门的开度，同时检测a压力传感器17、b压力传感器19和c压力传感器21的测量值，根据c压力传感器21的测量值与大气压强之差的变化值作为压力信号的输入值，根据a压力传感器17和b压力传感器19测量值之差的变化值作为压力信号的传输值，用传输值与输入值的比值表示井下压力信号上传过程的传输系数，实现地面与井下信息双向传输的室内实验测量；测量结束后，水池12的水通过放水阀25放出。
所述的电控旋转式步进阀22模拟井下配水器的注水阀门及水嘴，电控旋转式步进阀22的出口压力为大气压强，改变电控旋转式步进阀22的开度可以改变其两端的压差，电控旋转式步进阀22两端的压差通过c压力传感器21监控；a压力传感器17和b压力传感器19还用于检测电控旋转式步进阀产生的压力脉冲信号通过盘管柱传输至地面的压力变化，压力传感器c21用于检测电控阀18的开度突变引起的井下压力变化，旁路电控阀23用于柱塞泵14泵出液的分流，模拟地面管网的恒压状态，电控安全阀24用于柱塞泵14的出口压力保护，防止管线憋压。
图1所示是现有的包含有井下配水器的注水井情况智能监控装置。在地面泵站的出口压力调节与控制下，地面管网的水压基本处于恒压状态，来自地面6管网的水1通过地面电控阀2和流量计3进入注水管4流入井下配水器7，井下配水器中的阀门控制器控制配水器的阀门开度，通过与配水器阀门连接的水嘴8将注水管中的水注入地层11。为实现分层注水中各个注水层的流量控制，各个注水层之间通过注水管下部的封隔器10隔离，各个注水层的流量由配水器阀门的开度控制，配水器阀门控制器6的控制命令来源于地面下传的信息，井下配水器由电池9供电。地面向井下配水器发出的控制信息为井下各注水层的配水器阀开度命令，为实现地面控制命令的下传，首先通过控制命令使地面电控阀2的开度突然增大，注水管的流量突然增加，在井下配水器水嘴上产生脉冲状的压力信号，将地面控制命令传输至井下，井下配水器解析该命令用于控制各个分层的阀门开度，完成各个注水层的流量控制。井下配水器向地面传输的信息包括注水层位号、各注水层流量、温度、压力等；为实现井下信息的上传，井下配水器7中的阀门控制器会按照特定的控制规则快速改变最上部注水层的配水阀门开度，在配水器水嘴8上产生一串代表井下相应信息的脉冲状压力信号，该信号以压力波形式通过注水管传输至井口压力传感器5，通过信号处理与解码得到井下信息。但是图1所示的这种装置不适合室内进行，室内地方有限，故而采用如图2所示的流体压力波码室内实验装置来进行室内实验。
本实用新型采用小口径高压盘管的层叠连接模拟上千米长度的注水管，压力波信号在盘管中传播时，压力波入射角远大于水与盘管内壁界面处产生纵波全反射时的第一临界角和盘管内壁中无横波时的第二临界角，因此盘管内壁中既无纵波也无横波，盘管中的压力波在入射到盘管内壁时产生声波全反射，压力波信号不产生额外的声波能量损失，即盘管对压力波信号传输的影响与直管相同。
本实用新型中盘管中流速与实际注水管中流速相同，流体在阀门或水嘴产生的压差与流速有关，为使实验数据能真实反映注水管的地面控制阀与井下配水器水嘴产生的压差，实验装置的盘管中流速与实际注水管中的流速相同。
本实用新型采用旋转式步进阀22提高水嘴开度随时间的变化速率，采用电控旋转式步进阀22来模拟井下配水器阀门，可以提高水嘴开度随时间的变化速率；通过调整步进电机的脉冲驱动电压频率可以改变阀门开度随时间的变化速率，使阀门水嘴产生的压力脉冲信号的上升与下降时间发生变化，用于研究脉冲形状对压力信号传输的影响及信号传输的失真情况。
以上所述仅是对本实用新型的较佳实施方式而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。本发明中未详细描述的结构部件及其系统方法均为现有技术，本发明中将不再进行一一描述。
1.一种流体压力波码实验装置，其特征在于：包括水池（12）、手动阀（13）、柱塞泵（14）、脉冲阻尼器（15）、流量计（16）、a压力传感器（17）、电控阀（18）、b压力传感器（19）、盘管柱（20）、c压力传感器（21）、电控旋转式步进阀（22）、旁路电控阀（23）和电控安全阀（24）；所述的水池（12）上端进口与盘管柱（20）连接，盘管柱（20）出口端与水池（12）上端进口之间依次设置有c压力传感器（21）和电控旋转式步进阀（22）；所述的盘管柱（20）进口端与柱塞泵（14）连接，所述的柱塞泵（14）与盘管柱（20）进口端之间依次设置有脉冲阻尼器（15）、流量计（16）、a压力传感器（17）、电控阀（18）和b压力传感器（19）；所述的柱塞泵（14）进口与水池（12）之间通过管线连接，该管线上设置有手动阀（13）；所述的脉冲阻尼器（15）与电控旋转式步进阀（22）的出口端之间设置有旁通管线，该旁通管线上设置有旁路电控阀（23）；所述的电控安全阀（24）与旁路电控阀（23）并列设置。
2.根据权利要求1所述的一种流体压力波码实验装置，其特征在于：所述的盘管柱（20）采用5层盘管层叠连接形成1200米长管道。
3.根据权利要求1所述的一种流体压力波码实验装置，其特征在于：所述的水池（12）下端出口设有放水阀（25）。
4.根据权利要求1所述的一种流体压力波码实验装置，其特征在于：所述的电控旋转式步进阀（22）由定子及相对于定子转动的转子组成，所述的转子采用步进电机驱动，转子连接有转子轴（27），转子在步进电机驱动下绕转子轴（27）转动。
5.根据权利要求4所述的一种流体压力波码实验装置，其特征在于：所述的定子与转子平面均为圆形，二者同心安装，定子固定，转子安装在定子下部，定子和转子上有相同数量的多个相同尺寸的孔口（26），定子孔口和转子孔口的重合部分形成流通的阀孔。
6.根据权利要求5所述的一种流体压力波码实验装置，其特征在于：所述的定子和转子上有相同数量的多个相同尺寸的孔口（26），孔口（26）为扇形孔口。
7.根据权利要求4所述的一种流体压力波码实验装置，其特征在于：所述的转子在步进电机驱动下绕转子轴（27）每步转动1°的角度。
技术总结