一种测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验装置的制作方法

本发明涉及一种实验测量装置，具体涉及一种测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验装置。属于分析及测量控制技术领域。

背景技术：

为了满足国家能源战略需求，油气钻探技术不断发展，目前油气钻探向着更深地层和海洋深水方向发展。在钻井过程中，一般通过调整钻井液密度控制井筒环空(钻杆与地层之间的环形空间)的压力分布，以使环空中的液柱压力大于或等于地层流体压力，避免地层流体进入环空。气侵是指地层中的气体由于压差或替代作用进入井筒环空，是一种常见的钻井复杂情况。气侵如果处理不当，会进一步发展为井口溢流，甚至井喷事故，造成重大安全事故。

气侵初期，侵入气以小气泡的形式存在于井筒环空中，并随钻井液向井口运移。根据Wood方程(Wood,1930)，液体中侵入少量气体后，弹性波在气液混合物中传播的相速度会迅速减小。考虑到气液混合物中弹性波的衰减较大，采用低频弹性波的响应特征进行气侵井下早期主动监测是一种创新性的技术方案。通过实验方法测量分析环空气侵后低频弹性波的响应特征对于实现井下气侵早期监测具有重要的理论意义。

要实现环空气侵后低频弹性波响应特征的实验测量，首要具备的技术是：在环空液流中形成稳定的气泡。对于气液两相混合物来说，含气率是一个基础概念，它是指在单位体积气液混合物中，气体所占的体积百分比。在气液两相流研究领域，多年来已经形成了一些成熟的气液两相流实验测量装置，但这些装置不能用来完成环空气侵后低频弹性波响应特征的实验测量，主要原因是：(1)传统研究气液两相流的实验装置，为了形成稳定的流态，一般实验管路较长(>5m)，含气率一般大于5％。而弹性波在气液混合物中衰减显著，其响应特征测量必须在较短管路内完成，否则弹性波信号衰减严重，无法采集到可靠有效的弹性波信号；另一方面，为了便于尽早监测气侵，特别需要在低含气率(<2％)、短管路(<2m)的条件下形成稳定的气泡，这在传统气液两相流实验装置中是无法实现的。(2)传统气液两相流实验装置侧重对流型的控制，因此在泡状流状态下，对气泡尺寸的控制能力较弱，这也不适于在此类装置基础上改装实现环空气侵后低频弹性波响应特征的实验测量。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验装置，其能够在环空液体静止或流动条件下，控制压力、气泡尺寸、含气率等条件，特别是能在低含气率(0.5～2％)范围实现稳定控制，测量环空气侵后的弹性波相速度和衰减，结构简单，测量数据的可靠性高，实验成本低。

本发明还提供了一种利用上述实验装置测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验方法。

为实现上述目的，本发明采用以下述技术方案：

一种测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验装置，它包括以下四部分：

井筒环空模拟部分，包括内管以及套设于其外部的密封外管，内管的底端与环形内管底座固定连接，环形内管底座上设有液体导流口和发泡针形孔，其中，内管模拟井筒，在环形内管底座以上，密封外管与内管之间形成的环空模拟井筒环空；

液体循环控制部分，包括液体循环管道，一端探入内管，另一端连接至密封外管顶部一侧开设的开口Ⅰ，使得注入内管的液体依次流经液体导流口、环空、开口Ⅰ和液体循环管道，然后通过液体循环管道流回内管，形成循环；

气泡生成及循环控制部分，包括位于密封外管底部一侧的气体注入结构，其出气端与发泡针形孔连接，所述密封外管的顶部一侧设有开口Ⅱ，其连接至气体回收结构，并且，开口Ⅱ的位置高于开口Ⅰ；以及

弹性波响应特征测量部分，包括移动测量板、脉冲发生器和示波器，所述移动测量板卡设于密封外管与内管之间，环形内管底座的上表面与移动测量板的下表面分别设有相同数量、并一一对齐的低频压电传感器Ⅰ和低频压电传感器Ⅱ；其中，低频压电传感器Ⅰ与脉冲发生器连接，示波器的输入端分别连接至脉冲发生器和低频压电传感器Ⅱ，示波器的输出端连接至计算机。

所述内管的内径优选为25.4～76.2mm，长度0.5～2m。

所述密封外管的内径优选为50.8～127mm，长度0.5～2m。

所述环形内管底座包括环形内管底座基底，环形内管底座基底上设有四个低频压电传感器Ⅰ、四个液体导流口和八个发泡针形孔，它们的中心均位于环形中心线上，其中，低频压电传感器Ⅰ与液体导流口间隔均匀分布，发泡针形孔位于低频压电传感器Ⅰ与液体导流口之间的中间位置。

所述的液体导流口与发泡针形孔均为通孔，通过发泡针形孔的孔径选择和/或注气排量，以形成不同尺寸的气泡。

所述发泡针形孔的孔径优选为0.2～3.0mm，形成气泡的尺寸范围为1～6mm。

所述内管和密封外管的材料优选为透明的强化有机玻璃管，所述环形内管底座基底的材料优选为透明的有机玻璃板，以便于在实验测量过程中观察气泡生成情况和循环控制。

优选的，液体循环控制部分的各个部件之间通过耐压圆管密封连接。

所述液体循环管道上依次设有：储液罐、液压泵、增压罐、压力表Ⅰ、阀门Ⅰ、液体流量计Ⅰ和液体注入管，所述液体注入管探入内管，在密封外管的顶部一侧设有开口Ⅰ，其与阀门Ⅱ连接，阀门Ⅱ通过液体流量计Ⅱ连接至储液罐。

优选的，气泡生成及循环控制部分的各个部件之间通过耐压圆管密封连接。

所述气体注入结构包括依次连接的气瓶、压力表Ⅱ、阀门Ⅲ、气体流量计Ⅰ和气体注入管，所述开口Ⅱ与压力表Ⅲ连接，压力表Ⅲ通过阀门Ⅳ和气体流量计Ⅱ连接至气体回收罐。

优选的，所述发泡针形孔有若干个，它们并联后与气体注入管密封连接。

所述移动测量板与限位杆固定连接，通过上提或下放限位杆将移动测量板定位于两个已知的环空位置。

所述移动测量板包括移动测量板基底，其整体尺寸与密封外管的内径相适应，移动测量板基底的中央设有通孔，通孔的直径与内管的外径相适应，沿通孔周向均匀设有四个分支，每个分支的下表面分别设置一个低频压电传感器Ⅱ。

优选的，所述低频压电传感器Ⅰ和低频压电传感器Ⅱ分别通过环氧树脂粘贴于环形底座基底的上表面和分支的下表面。

所述移动测量板基底的材料优选为透明的有机玻璃板。

所述低频压电传感器Ⅰ和低频压电传感器Ⅱ的工作频率为20～200Hz。

一种利用上述实验装置测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验方法，在完成充液和充气加压后，通过液体循环控制部分建立液体循环，然后利用气泡生成及循环控制部分建立气体循环，接着使发泡针形孔处产生气泡并分布于环空中，最后，利用弹性波响应特征测量部分完成弹性波响应特征的分析和计算。

所述实验方法的具体步骤如下：

(1)实验开始前，先将所有阀门关闭；在储液罐中准备足够量的液体。

(2)接通电源，打开液压泵，向增压罐内缓慢泵送液体，待压力表Ⅰ达到预定压力后，关闭液压泵；缓慢打开阀门Ⅰ和阀门Ⅱ，向内管直接注入液体；当环空液面高度到达阀门Ⅱ和阀门Ⅳ所处的高度之间时，关闭阀门Ⅰ和阀门Ⅱ，完成充液；

(3)缓慢打开阀门Ⅲ，注意观察压力表Ⅲ的示数变化，当压力表Ⅲ示数达到设定实验压力时，关闭阀门Ⅲ，完成充气加压；

(4)如果测量环空液体静止情况下的弹性波响应特征，则直接进入步骤(5)；如果测量环空液体循环情况下的弹性波响应特征，则先缓慢打开阀门Ⅰ，再缓慢打开阀门Ⅱ，调节阀门Ⅰ和阀门Ⅱ，使液体流量计Ⅰ和液体流量计Ⅱ的示数相同，建立液体循环；

(5)先缓慢打开阀门Ⅲ，再缓慢打开阀门Ⅳ，调节阀门Ⅲ和阀门Ⅳ，使气体流量计Ⅰ和气体流量计Ⅱ的示数相同，建立气体循环；待气体循环稳定后，缓慢调节阀门Ⅲ和阀门Ⅳ，使发泡针形孔处产生的气泡大小基本一致；

(6)气体循环和气泡尺寸稳定后，采用数码摄像机拍摄气泡在环空中的分布情况，用于后期在计算机上处理提取气泡实际尺寸大小；

(7)上提或下放限位杆，取两个定位点，将距离低频压电传感器Ⅰ较近的定位点记为A，另一个记为B，分别启动弹性波响应特征测量部分，分别记录两个定位点的激发和接收信号：脉冲发生器产生固定频率和宽度的电压脉冲，该电压脉冲一方面被示波器记录，另一方面激励低频压电传感器Ⅰ产生脉冲振动，形成弹性波震源；该弹性波经过环空的气液混合物传播后，被低频压电传感器Ⅱ接收，将弹性波振动转化为电压信号，并被示波器采集；示波器采集的激发脉冲信号和接收信号一起传送到计算机，在计算机上完成弹性波响应特征的分析和计算。

步骤(7)中的信号分析和计算的具体方法是：

按照公式计算弹性波相速度v，其中，L为两定位点A和B之间的距离；t_A为在定位点A测量时，接收信号第一个波峰到达的时间；t_B为在定位点B测量时，接收信号第一个波峰到达的时间；

按照公式计算弹性波衰减α，其中，L为两定位点A和B之间的距离；P_A为在定位点A测量时，接收信号第一个波峰的峰值；P_B为在定位点B测量时，接收信号第一个波峰的峰值。

在整个实验过程中，注意观察压力表Ⅰ和压力表Ⅱ的示数，当压力表Ⅰ示数接近设定实验压力时，应及时启动液压泵向增压罐中补充液体；当压力表Ⅱ示数接近设定实验压力时，应及时更换气瓶补充气源。

本发明的有益效果：

(1)将低频压电传感器、液体导流口和发泡针形孔集中设计到环形内管底座上，既简化了装置结构，又可保证气泡在环空中均匀分布和随液体匀速上移，提高了测量数据的可靠性；

(2)通过移动测量板在两个定位点的信号接收，能同时完成弹性波相速度和衰减的测量计算，节省了一组低频压电传感器，降低了实验成本；

(3)该实验装置的液体循环与气体循环分开独立控制，通过流量控制和发泡针形孔尺寸的选择，可有效控制气泡尺寸，特别是实现了在低含气率(0.5～2％)范围的稳定控制。

附图说明

图1是本发明的一种测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验装置示意图；

图2是图1中部件3的放大图；

图3是图1中部件4的放大图；

其中，1为密封外管；2为内管；3为环形内管底座；4为移动测量板；5为限位杆；6为脉冲发生器；7为示波器；8为计算机；9为液体注入管；10为液体流量计；11为阀门Ⅰ；12为压力表Ⅰ；13为增压罐；14为液压泵；15为储液罐；16为阀门Ⅱ；17为液体流量计Ⅱ；18为气体注入管；19为气体流量计Ⅰ；20为阀门Ⅲ；21为压力表Ⅱ；22为气瓶；23为压力表Ⅲ；24为阀门Ⅳ；25为气体流量计Ⅱ；26为气体回收罐；31为内管底座基底；32为低频压电传感器Ⅰ；33为液体导流口；34为发泡针形孔；41为移动测量板基底；42为低频压电传感器Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

如图1～3所示，本发明的一种测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验装置，它包括井筒环空模拟部分、液体循环控制部分、气泡生成及循环控制部分和弹性波响应特征测量部分四部分，具体如下：

井筒环空模拟部分：包括内管2以及套设于其外部的密封外管1，内管2的底端与环形内管底座3固定连接，环形内管底座3上设有液体导流口33和发泡针形孔34，其中，内管3模拟井筒，在环形内管底座3以上，密封外管1与内管2之间形成的环空模拟井筒环空；

内管2的内径为25.4mm，长度1.5m；密封外管1的内径为76.2mm，长度2m。

环形内管底座3包括环形内管底座基底31，环形内管底座基底31上设有四个低频压电传感器Ⅰ32、四个液体导流口33和八个发泡针形孔34，它们的中心均位于环形中心线上，其中，低频压电传感器Ⅰ32与液体导流口33间隔均匀分布，发泡针形孔34位于低频压电传感器Ⅰ32与液体导流口33之间的中间位置。液体导流口33与发泡针形孔34均为通孔，通过发泡针形孔34的孔径选择和/或注气排量，以形成不同尺寸的气泡。发泡针形孔34的孔径为0.2mm，形成气泡的尺寸范围为1.5～2.1mm，含气率0.5～1.0％。

内管2和密封外管1的材料为透明的强化有机玻璃管，环形内管底座基底31的材料为透明的有机玻璃板，以便于在实验测量过程中观察气泡生成情况和循环控制。

液体循环控制部分：包括依次连接的储液罐15、液压泵14、增压罐13、压力表Ⅰ12、阀门Ⅰ11、液体流量计Ⅰ10和液体注入管9，液体注入管9探入内管2，在密封外管1的顶部一侧设有开口Ⅰ，其与阀门Ⅱ16连接，阀门Ⅱ16通过液体流量计Ⅱ17连接至储液罐15。液体循环控制部分的各个部件之间通过耐压圆管密封连接。液体介质为蒸馏水。

液体循环路径为：储液罐15→液压泵14→增压罐13→阀门Ⅰ11→液体流量计Ⅰ10→液体注入管9→内管2→液体导流口33→井筒环空→阀门Ⅱ16→液体流量计Ⅱ17→储液罐15。

气泡生成及循环控制部分：包括依次连接的气瓶22、压力表Ⅱ21、阀门Ⅲ20、气体流量计Ⅰ19和气体注入管18，发泡针形孔34并联后与气体注入管18密封连接，密封外管1的顶部一侧设有开口Ⅱ，并且，开口Ⅱ的位置高于开口Ⅰ，开口Ⅱ与压力表Ⅲ23连接，压力表Ⅲ23通过阀门Ⅳ24和气体流量计Ⅱ25连接至气体回收罐。气体介质为氮气。

气体循环路径为：气瓶22→阀门Ⅲ20→气体流量计Ⅰ19→气体注入管18→八个发泡针形孔34→井筒环空→阀门Ⅳ24→气体流量计Ⅱ25→气体回收罐26。气体流量控制在标准状态下240～270ml/min。

弹性波响应特征测量部分：包括低频压电传感器Ⅰ32、低频压电传感器Ⅱ42、移动测量板4、脉冲发生器6和示波器7，移动测量板4卡设于密封外管1与内管2之间，环形内管底座3的上表面与移动测量板4的下表面分别设有相同数量、并一一对齐的低频压电传感器Ⅰ32和低频压电传感器Ⅱ42；其中，低频压电传感器Ⅰ32与脉冲发生器6连接，示波器7的输入端分别连接至脉冲发生器6和低频压电传感器Ⅱ42，示波器7的输出端连接至计算机8。

移动测量板4与限位杆5固定连接，通过上提或下放限位杆5将移动测量板4定位于两个已知的环空位置。移动测量板4包括移动测量板基底41，其整体尺寸与密封外管1的内径相适应，移动测量板基底41的中央设有通孔，通孔的直径与内管2的外径相适应，沿通孔周向均匀设有四个分支，每个分支的下表面分别设置一个低频压电传感器Ⅱ42。

低频压电传感器Ⅰ32和低频压电传感器Ⅱ42分别通过环氧树脂粘贴于环形底座基底31的上表面和分支的下表面。

移动测量板基底41的材料为透明的有机玻璃板。

低频压电传感器Ⅰ32和低频压电传感器Ⅱ42的工作频率为150Hz。

一种利用上述实验装置测量液体环空气侵后低频弹性波响应特征的实验方法，在完成充液和充气加压后，通过液体循环控制部分建立液体循环，然后利用气泡生成及循环控制部分建立气体循环，接着使发泡针形孔34处产生气泡并分布于环空中，最后，利用弹性波响应特征测量部分完成弹性波响应特征的分析和计算。

具体步骤如下：

(1)实验开始前，先将所有阀门关闭；在储液罐15中准备足够量的液体。

(2)接通电源，打开液压泵14，向增压罐13内缓慢泵送液体，待压力表Ⅰ12达到预定压力后，关闭液压泵14；缓慢打开阀门Ⅰ11和阀门Ⅱ16，向内管2直接注入液体；当环空液面高度到达阀门Ⅱ16和阀门Ⅳ24所处的高度之间时，关闭阀门Ⅰ11和阀门Ⅱ16，完成充液；

(3)缓慢打开阀门Ⅲ20，注意观察压力表Ⅲ23的示数变化，当压力表Ⅲ23示数达到设定实验压力时，关闭阀门Ⅲ20，完成充气加压；

(4)如果测量环空液体静止情况下的弹性波响应特征，则直接进入步骤(5)；如果测量环空液体循环情况下的弹性波响应特征，则先缓慢打开阀门Ⅰ11，再缓慢打开阀门Ⅱ16，调节阀门Ⅰ11和阀门Ⅱ16，使液体流量计Ⅰ10和液体流量计Ⅱ17的示数相同，建立液体循环；

(5)先缓慢打开阀门Ⅲ20，再缓慢打开阀门Ⅳ24，调节阀门Ⅲ20和阀门Ⅳ24，使气体流量计Ⅰ19和气体流量计Ⅱ25的示数相同，建立气体循环；待气体循环稳定后，缓慢调节阀门Ⅲ20和阀门Ⅳ24，使发泡针形孔34处产生的气泡大小基本一致；

(6)气体循环和气泡尺寸稳定后，采用数码摄像机拍摄气泡在环空中的分布情况，用于后期在计算机上处理提取气泡实际尺寸大小；

(7)上提或下放限位杆5，取两个定位点，将距离低频压电传感器Ⅰ32较近的定位点记为A，另一个记为B，分别启动弹性波响应特征测量部分，分别记录两个定位点的激发和接收信号：脉冲发生器6产生固定频率和宽度的电压脉冲，该电压脉冲一方面被示波器7记录，另一方面激励低频压电传感器Ⅰ32产生脉冲振动，形成弹性波震源；该弹性波经过环空的气液混合物传播后，被低频压电传感器Ⅱ42接收，将弹性波振动转化为电压信号，并被示波器7采集；示波器7采集的激发脉冲信号和接收信号一起传送到计算机8，在计算机8上完成弹性波响应特征的分析和计算。

步骤(7)中的信号分析和计算的具体方法是：

按照公式计算弹性波相速度v，其中，L为两定位点A和B之间的距离；t_A为在定位点A测量时，接收信号第一个波峰到达的时间；t_B为在定位点B测量时，接收信号第一个波峰到达的时间；

按照公式计算弹性波衰减α，其中，L为两定位点A和B之间的距离；P_A为在定位点A测量时，接收信号第一个波峰的峰值；P_B为在定位点B测量时，接收信号第一个波峰的峰值。

在整个实验过程中，注意观察压力表Ⅰ12和压力表Ⅱ21的示数，当压力表Ⅰ12示数接近设定实验压力时，应及时启动液压泵14向增压罐13中补充液体；当压力表Ⅱ21示数接近设定实验压力时，应及时更换气瓶22补充气源。

实施例2：

内管2的内径为25.4mm，长度1.5m；密封外管1的内径为101.6mm，长度2m。发泡针形孔34的孔径为0.6mm，气体流量控制在标准状态下310～360ml/min，形成气泡的尺寸范围为1.9～2.8mm，含气率1.8～2.7％。低频压电传感器Ⅰ32和低频压电传感器Ⅱ42的工作频率为100Hz。其余同实施例1。

实施例3：

内管2的内径为50.8mm，长度1.5m；密封外管1的内径为127mm，长度2m。发泡针形孔34的孔径为2mm，气体流量控制在标准状态下430～490ml/min，形成气泡的尺寸范围为2.3～4.5mm，含气率3.5～4.4％。低频压电传感器Ⅰ32和低频压电传感器Ⅱ42的工作频率为50Hz。其余同实施例1。

上述虽然结合附图对本发明的结构和使用方法进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。