本發(fā)明涉及一種實驗測量裝置，具體涉及一種測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗裝置。屬于分析及測量控制技術領域。

背景技術：

為了滿足國家能源戰(zhàn)略需求，油氣鉆探技術不斷發(fā)展，目前油氣鉆探向著更深地層和海洋深水方向發(fā)展。在鉆井過程中，一般通過調整鉆井液密度控制井筒環(huán)空(鉆桿與地層之間的環(huán)形空間)的壓力分布，以使環(huán)空中的液柱壓力大于或等于地層流體壓力，避免地層流體進入環(huán)空。氣侵是指地層中的氣體由于壓差或替代作用進入井筒環(huán)空，是一種常見的鉆井復雜情況。氣侵如果處理不當，會進一步發(fā)展為井口溢流，甚至井噴事故，造成重大安全事故。

氣侵初期，侵入氣以小氣泡的形式存在于井筒環(huán)空中，并隨鉆井液向井口運移。根據(jù)Wood方程(Wood,1930)，液體中侵入少量氣體后，彈性波在氣液混合物中傳播的相速度會迅速減小?？紤]到氣液混合物中彈性波的衰減較大，采用低頻彈性波的響應特征進行氣侵井下早期主動監(jiān)測是一種創(chuàng)新性的技術方案。通過實驗方法測量分析環(huán)空氣侵后低頻彈性波的響應特征對于實現(xiàn)井下氣侵早期監(jiān)測具有重要的理論意義。

要實現(xiàn)環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗測量，首要具備的技術是：在環(huán)空液流中形成穩(wěn)定的氣泡。對于氣液兩相混合物來說，含氣率是一個基礎概念，它是指在單位體積氣液混合物中，氣體所占的體積百分比。在氣液兩相流研究領域，多年來已經形成了一些成熟的氣液兩相流實驗測量裝置，但這些裝置不能用來完成環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗測量，主要原因是：(1)傳統(tǒng)研究氣液兩相流的實驗裝置，為了形成穩(wěn)定的流態(tài)，一般實驗管路較長(>5m)，含氣率一般大于5％。而彈性波在氣液混合物中衰減顯著，其響應特征測量必須在較短管路內完成，否則彈性波信號衰減嚴重，無法采集到可靠有效的彈性波信號；另一方面，為了便于盡早監(jiān)測氣侵，特別需要在低含氣率(<2％)、短管路(<2m)的條件下形成穩(wěn)定的氣泡，這在傳統(tǒng)氣液兩相流實驗裝置中是無法實現(xiàn)的。(2)傳統(tǒng)氣液兩相流實驗裝置側重對流型的控制，因此在泡狀流狀態(tài)下，對氣泡尺寸的控制能力較弱，這也不適于在此類裝置基礎上改裝實現(xiàn)環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗測量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗裝置，其能夠在環(huán)空液體靜止或流動條件下，控制壓力、氣泡尺寸、含氣率等條件，特別是能在低含氣率(0.5～2％)范圍實現(xiàn)穩(wěn)定控制，測量環(huán)空氣侵后的彈性波相速度和衰減，結構簡單，測量數(shù)據(jù)的可靠性高，實驗成本低。

本發(fā)明還提供了一種利用上述實驗裝置測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下述技術方案：

一種測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗裝置，它包括以下四部分：

井筒環(huán)空模擬部分，包括內管以及套設于其外部的密封外管，內管的底端與環(huán)形內管底座固定連接，環(huán)形內管底座上設有液體導流口和發(fā)泡針形孔，其中，內管模擬井筒，在環(huán)形內管底座以上，密封外管與內管之間形成的環(huán)空模擬井筒環(huán)空；

液體循環(huán)控制部分，包括液體循環(huán)管道，一端探入內管，另一端連接至密封外管頂部一側開設的開口Ⅰ，使得注入內管的液體依次流經液體導流口、環(huán)空、開口Ⅰ和液體循環(huán)管道，然后通過液體循環(huán)管道流回內管，形成循環(huán)；

氣泡生成及循環(huán)控制部分，包括位于密封外管底部一側的氣體注入結構，其出氣端與發(fā)泡針形孔連接，所述密封外管的頂部一側設有開口Ⅱ，其連接至氣體回收結構，并且，開口Ⅱ的位置高于開口Ⅰ；以及

彈性波響應特征測量部分，包括移動測量板、脈沖發(fā)生器和示波器，所述移動測量板卡設于密封外管與內管之間，環(huán)形內管底座的上表面與移動測量板的下表面分別設有相同數(shù)量、并一一對齊的低頻壓電傳感器Ⅰ和低頻壓電傳感器Ⅱ；其中，低頻壓電傳感器Ⅰ與脈沖發(fā)生器連接，示波器的輸入端分別連接至脈沖發(fā)生器和低頻壓電傳感器Ⅱ，示波器的輸出端連接至計算機。

所述內管的內徑優(yōu)選為25.4～76.2mm，長度0.5～2m。

所述密封外管的內徑優(yōu)選為50.8～127mm，長度0.5～2m。

所述環(huán)形內管底座包括環(huán)形內管底座基底，環(huán)形內管底座基底上設有四個低頻壓電傳感器Ⅰ、四個液體導流口和八個發(fā)泡針形孔，它們的中心均位于環(huán)形中心線上，其中，低頻壓電傳感器Ⅰ與液體導流口間隔均勻分布，發(fā)泡針形孔位于低頻壓電傳感器Ⅰ與液體導流口之間的中間位置。

所述的液體導流口與發(fā)泡針形孔均為通孔，通過發(fā)泡針形孔的孔徑選擇和/或注氣排量，以形成不同尺寸的氣泡。

所述發(fā)泡針形孔的孔徑優(yōu)選為0.2～3.0mm，形成氣泡的尺寸范圍為1～6mm。

所述內管和密封外管的材料優(yōu)選為透明的強化有機玻璃管，所述環(huán)形內管底座基底的材料優(yōu)選為透明的有機玻璃板，以便于在實驗測量過程中觀察氣泡生成情況和循環(huán)控制。

優(yōu)選的，液體循環(huán)控制部分的各個部件之間通過耐壓圓管密封連接。

所述液體循環(huán)管道上依次設有：儲液罐、液壓泵、增壓罐、壓力表Ⅰ、閥門Ⅰ、液體流量計Ⅰ和液體注入管，所述液體注入管探入內管，在密封外管的頂部一側設有開口Ⅰ，其與閥門Ⅱ連接，閥門Ⅱ通過液體流量計Ⅱ連接至儲液罐。

優(yōu)選的，氣泡生成及循環(huán)控制部分的各個部件之間通過耐壓圓管密封連接。

所述氣體注入結構包括依次連接的氣瓶、壓力表Ⅱ、閥門Ⅲ、氣體流量計Ⅰ和氣體注入管，所述開口Ⅱ與壓力表Ⅲ連接，壓力表Ⅲ通過閥門Ⅳ和氣體流量計Ⅱ連接至氣體回收罐。

優(yōu)選的，所述發(fā)泡針形孔有若干個，它們并聯(lián)后與氣體注入管密封連接。

所述移動測量板與限位桿固定連接，通過上提或下放限位桿將移動測量板定位于兩個已知的環(huán)空位置。

所述移動測量板包括移動測量板基底，其整體尺寸與密封外管的內徑相適應，移動測量板基底的中央設有通孔，通孔的直徑與內管的外徑相適應，沿通孔周向均勻設有四個分支，每個分支的下表面分別設置一個低頻壓電傳感器Ⅱ。

優(yōu)選的，所述低頻壓電傳感器Ⅰ和低頻壓電傳感器Ⅱ分別通過環(huán)氧樹脂粘貼于環(huán)形底座基底的上表面和分支的下表面。

所述移動測量板基底的材料優(yōu)選為透明的有機玻璃板。

所述低頻壓電傳感器Ⅰ和低頻壓電傳感器Ⅱ的工作頻率為20～200Hz。

一種利用上述實驗裝置測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗方法，在完成充液和充氣加壓后，通過液體循環(huán)控制部分建立液體循環(huán)，然后利用氣泡生成及循環(huán)控制部分建立氣體循環(huán)，接著使發(fā)泡針形孔處產生氣泡并分布于環(huán)空中，最后，利用彈性波響應特征測量部分完成彈性波響應特征的分析和計算。

所述實驗方法的具體步驟如下：

(1)實驗開始前，先將所有閥門關閉；在儲液罐中準備足夠量的液體。

(2)接通電源，打開液壓泵，向增壓罐內緩慢泵送液體，待壓力表Ⅰ達到預定壓力后，關閉液壓泵；緩慢打開閥門Ⅰ和閥門Ⅱ，向內管直接注入液體；當環(huán)空液面高度到達閥門Ⅱ和閥門Ⅳ所處的高度之間時，關閉閥門Ⅰ和閥門Ⅱ，完成充液；

(3)緩慢打開閥門Ⅲ，注意觀察壓力表Ⅲ的示數(shù)變化，當壓力表Ⅲ示數(shù)達到設定實驗壓力時，關閉閥門Ⅲ，完成充氣加壓；

(4)如果測量環(huán)空液體靜止情況下的彈性波響應特征，則直接進入步驟(5)；如果測量環(huán)空液體循環(huán)情況下的彈性波響應特征，則先緩慢打開閥門Ⅰ，再緩慢打開閥門Ⅱ，調節(jié)閥門Ⅰ和閥門Ⅱ，使液體流量計Ⅰ和液體流量計Ⅱ的示數(shù)相同，建立液體循環(huán)；

(5)先緩慢打開閥門Ⅲ，再緩慢打開閥門Ⅳ，調節(jié)閥門Ⅲ和閥門Ⅳ，使氣體流量計Ⅰ和氣體流量計Ⅱ的示數(shù)相同，建立氣體循環(huán)；待氣體循環(huán)穩(wěn)定后，緩慢調節(jié)閥門Ⅲ和閥門Ⅳ，使發(fā)泡針形孔處產生的氣泡大小基本一致；

(6)氣體循環(huán)和氣泡尺寸穩(wěn)定后，采用數(shù)碼攝像機拍攝氣泡在環(huán)空中的分布情況，用于后期在計算機上處理提取氣泡實際尺寸大?。?/p>

(7)上提或下放限位桿，取兩個定位點，將距離低頻壓電傳感器Ⅰ較近的定位點記為A，另一個記為B，分別啟動彈性波響應特征測量部分，分別記錄兩個定位點的激發(fā)和接收信號：脈沖發(fā)生器產生固定頻率和寬度的電壓脈沖，該電壓脈沖一方面被示波器記錄，另一方面激勵低頻壓電傳感器Ⅰ產生脈沖振動，形成彈性波震源；該彈性波經過環(huán)空的氣液混合物傳播后，被低頻壓電傳感器Ⅱ接收，將彈性波振動轉化為電壓信號，并被示波器采集；示波器采集的激發(fā)脈沖信號和接收信號一起傳送到計算機，在計算機上完成彈性波響應特征的分析和計算。

步驟(7)中的信號分析和計算的具體方法是：

按照公式計算彈性波相速度v，其中，L為兩定位點A和B之間的距離；t_A為在定位點A測量時，接收信號第一個波峰到達的時間；t_B為在定位點B測量時，接收信號第一個波峰到達的時間；

按照公式計算彈性波衰減α，其中，L為兩定位點A和B之間的距離；P_A為在定位點A測量時，接收信號第一個波峰的峰值；P_B為在定位點B測量時，接收信號第一個波峰的峰值。

在整個實驗過程中，注意觀察壓力表Ⅰ和壓力表Ⅱ的示數(shù)，當壓力表Ⅰ示數(shù)接近設定實驗壓力時，應及時啟動液壓泵向增壓罐中補充液體；當壓力表Ⅱ示數(shù)接近設定實驗壓力時，應及時更換氣瓶補充氣源。

本發(fā)明的有益效果：

(1)將低頻壓電傳感器、液體導流口和發(fā)泡針形孔集中設計到環(huán)形內管底座上，既簡化了裝置結構，又可保證氣泡在環(huán)空中均勻分布和隨液體勻速上移，提高了測量數(shù)據(jù)的可靠性；

(2)通過移動測量板在兩個定位點的信號接收，能同時完成彈性波相速度和衰減的測量計算，節(jié)省了一組低頻壓電傳感器，降低了實驗成本；

(3)該實驗裝置的液體循環(huán)與氣體循環(huán)分開獨立控制，通過流量控制和發(fā)泡針形孔尺寸的選擇，可有效控制氣泡尺寸，特別是實現(xiàn)了在低含氣率(0.5～2％)范圍的穩(wěn)定控制。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗裝置示意圖；

圖2是圖1中部件3的放大圖；

圖3是圖1中部件4的放大圖；

其中，1為密封外管；2為內管；3為環(huán)形內管底座；4為移動測量板；5為限位桿；6為脈沖發(fā)生器；7為示波器；8為計算機；9為液體注入管；10為液體流量計；11為閥門Ⅰ；12為壓力表Ⅰ；13為增壓罐；14為液壓泵；15為儲液罐；16為閥門Ⅱ；17為液體流量計Ⅱ；18為氣體注入管；19為氣體流量計Ⅰ；20為閥門Ⅲ；21為壓力表Ⅱ；22為氣瓶；23為壓力表Ⅲ；24為閥門Ⅳ；25為氣體流量計Ⅱ；26為氣體回收罐；31為內管底座基底；32為低頻壓電傳感器Ⅰ；33為液體導流口；34為發(fā)泡針形孔；41為移動測量板基底；42為低頻壓電傳感器Ⅱ。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行進一步的闡述，應該說明的是，下述說明僅是為了解釋本發(fā)明，并不對其內容進行限定。

實施例1：

如圖1～3所示，本發(fā)明的一種測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗裝置，它包括井筒環(huán)空模擬部分、液體循環(huán)控制部分、氣泡生成及循環(huán)控制部分和彈性波響應特征測量部分四部分，具體如下：

井筒環(huán)空模擬部分：包括內管2以及套設于其外部的密封外管1，內管2的底端與環(huán)形內管底座3固定連接，環(huán)形內管底座3上設有液體導流口33和發(fā)泡針形孔34，其中，內管3模擬井筒，在環(huán)形內管底座3以上，密封外管1與內管2之間形成的環(huán)空模擬井筒環(huán)空；

內管2的內徑為25.4mm，長度1.5m；密封外管1的內徑為76.2mm，長度2m。

環(huán)形內管底座3包括環(huán)形內管底座基底31，環(huán)形內管底座基底31上設有四個低頻壓電傳感器Ⅰ32、四個液體導流口33和八個發(fā)泡針形孔34，它們的中心均位于環(huán)形中心線上，其中，低頻壓電傳感器Ⅰ32與液體導流口33間隔均勻分布，發(fā)泡針形孔34位于低頻壓電傳感器Ⅰ32與液體導流口33之間的中間位置。液體導流口33與發(fā)泡針形孔34均為通孔，通過發(fā)泡針形孔34的孔徑選擇和/或注氣排量，以形成不同尺寸的氣泡。發(fā)泡針形孔34的孔徑為0.2mm，形成氣泡的尺寸范圍為1.5～2.1mm，含氣率0.5～1.0％。

內管2和密封外管1的材料為透明的強化有機玻璃管，環(huán)形內管底座基底31的材料為透明的有機玻璃板，以便于在實驗測量過程中觀察氣泡生成情況和循環(huán)控制。

液體循環(huán)控制部分：包括依次連接的儲液罐15、液壓泵14、增壓罐13、壓力表Ⅰ12、閥門Ⅰ11、液體流量計Ⅰ10和液體注入管9，液體注入管9探入內管2，在密封外管1的頂部一側設有開口Ⅰ，其與閥門Ⅱ16連接，閥門Ⅱ16通過液體流量計Ⅱ17連接至儲液罐15。液體循環(huán)控制部分的各個部件之間通過耐壓圓管密封連接。液體介質為蒸餾水。

液體循環(huán)路徑為：儲液罐15→液壓泵14→增壓罐13→閥門Ⅰ11→液體流量計Ⅰ10→液體注入管9→內管2→液體導流口33→井筒環(huán)空→閥門Ⅱ16→液體流量計Ⅱ17→儲液罐15。

氣泡生成及循環(huán)控制部分：包括依次連接的氣瓶22、壓力表Ⅱ21、閥門Ⅲ20、氣體流量計Ⅰ19和氣體注入管18，發(fā)泡針形孔34并聯(lián)后與氣體注入管18密封連接，密封外管1的頂部一側設有開口Ⅱ，并且，開口Ⅱ的位置高于開口Ⅰ，開口Ⅱ與壓力表Ⅲ23連接，壓力表Ⅲ23通過閥門Ⅳ24和氣體流量計Ⅱ25連接至氣體回收罐。氣體介質為氮氣。

氣體循環(huán)路徑為：氣瓶22→閥門Ⅲ20→氣體流量計Ⅰ19→氣體注入管18→八個發(fā)泡針形孔34→井筒環(huán)空→閥門Ⅳ24→氣體流量計Ⅱ25→氣體回收罐26。氣體流量控制在標準狀態(tài)下240～270ml/min。

彈性波響應特征測量部分：包括低頻壓電傳感器Ⅰ32、低頻壓電傳感器Ⅱ42、移動測量板4、脈沖發(fā)生器6和示波器7，移動測量板4卡設于密封外管1與內管2之間，環(huán)形內管底座3的上表面與移動測量板4的下表面分別設有相同數(shù)量、并一一對齊的低頻壓電傳感器Ⅰ32和低頻壓電傳感器Ⅱ42；其中，低頻壓電傳感器Ⅰ32與脈沖發(fā)生器6連接，示波器7的輸入端分別連接至脈沖發(fā)生器6和低頻壓電傳感器Ⅱ42，示波器7的輸出端連接至計算機8。

移動測量板4與限位桿5固定連接，通過上提或下放限位桿5將移動測量板4定位于兩個已知的環(huán)空位置。移動測量板4包括移動測量板基底41，其整體尺寸與密封外管1的內徑相適應，移動測量板基底41的中央設有通孔，通孔的直徑與內管2的外徑相適應，沿通孔周向均勻設有四個分支，每個分支的下表面分別設置一個低頻壓電傳感器Ⅱ42。

低頻壓電傳感器Ⅰ32和低頻壓電傳感器Ⅱ42分別通過環(huán)氧樹脂粘貼于環(huán)形底座基底31的上表面和分支的下表面。

移動測量板基底41的材料為透明的有機玻璃板。

低頻壓電傳感器Ⅰ32和低頻壓電傳感器Ⅱ42的工作頻率為150Hz。

一種利用上述實驗裝置測量液體環(huán)空氣侵后低頻彈性波響應特征的實驗方法，在完成充液和充氣加壓后，通過液體循環(huán)控制部分建立液體循環(huán)，然后利用氣泡生成及循環(huán)控制部分建立氣體循環(huán)，接著使發(fā)泡針形孔34處產生氣泡并分布于環(huán)空中，最后，利用彈性波響應特征測量部分完成彈性波響應特征的分析和計算。

具體步驟如下：

(1)實驗開始前，先將所有閥門關閉；在儲液罐15中準備足夠量的液體。

(2)接通電源，打開液壓泵14，向增壓罐13內緩慢泵送液體，待壓力表Ⅰ12達到預定壓力后，關閉液壓泵14；緩慢打開閥門Ⅰ11和閥門Ⅱ16，向內管2直接注入液體；當環(huán)空液面高度到達閥門Ⅱ16和閥門Ⅳ24所處的高度之間時，關閉閥門Ⅰ11和閥門Ⅱ16，完成充液；

(3)緩慢打開閥門Ⅲ20，注意觀察壓力表Ⅲ23的示數(shù)變化，當壓力表Ⅲ23示數(shù)達到設定實驗壓力時，關閉閥門Ⅲ20，完成充氣加壓；

(4)如果測量環(huán)空液體靜止情況下的彈性波響應特征，則直接進入步驟(5)；如果測量環(huán)空液體循環(huán)情況下的彈性波響應特征，則先緩慢打開閥門Ⅰ11，再緩慢打開閥門Ⅱ16，調節(jié)閥門Ⅰ11和閥門Ⅱ16，使液體流量計Ⅰ10和液體流量計Ⅱ17的示數(shù)相同，建立液體循環(huán)；

(5)先緩慢打開閥門Ⅲ20，再緩慢打開閥門Ⅳ24，調節(jié)閥門Ⅲ20和閥門Ⅳ24，使氣體流量計Ⅰ19和氣體流量計Ⅱ25的示數(shù)相同，建立氣體循環(huán)；待氣體循環(huán)穩(wěn)定后，緩慢調節(jié)閥門Ⅲ20和閥門Ⅳ24，使發(fā)泡針形孔34處產生的氣泡大小基本一致；

(6)氣體循環(huán)和氣泡尺寸穩(wěn)定后，采用數(shù)碼攝像機拍攝氣泡在環(huán)空中的分布情況，用于后期在計算機上處理提取氣泡實際尺寸大??；

(7)上提或下放限位桿5，取兩個定位點，將距離低頻壓電傳感器Ⅰ32較近的定位點記為A，另一個記為B，分別啟動彈性波響應特征測量部分，分別記錄兩個定位點的激發(fā)和接收信號：脈沖發(fā)生器6產生固定頻率和寬度的電壓脈沖，該電壓脈沖一方面被示波器7記錄，另一方面激勵低頻壓電傳感器Ⅰ32產生脈沖振動，形成彈性波震源；該彈性波經過環(huán)空的氣液混合物傳播后，被低頻壓電傳感器Ⅱ42接收，將彈性波振動轉化為電壓信號，并被示波器7采集；示波器7采集的激發(fā)脈沖信號和接收信號一起傳送到計算機8，在計算機8上完成彈性波響應特征的分析和計算。

步驟(7)中的信號分析和計算的具體方法是：

按照公式計算彈性波相速度v，其中，L為兩定位點A和B之間的距離；t_A為在定位點A測量時，接收信號第一個波峰到達的時間；t_B為在定位點B測量時，接收信號第一個波峰到達的時間；

按照公式計算彈性波衰減α，其中，L為兩定位點A和B之間的距離；P_A為在定位點A測量時，接收信號第一個波峰的峰值；P_B為在定位點B測量時，接收信號第一個波峰的峰值。

在整個實驗過程中，注意觀察壓力表Ⅰ12和壓力表Ⅱ21的示數(shù)，當壓力表Ⅰ12示數(shù)接近設定實驗壓力時，應及時啟動液壓泵14向增壓罐13中補充液體；當壓力表Ⅱ21示數(shù)接近設定實驗壓力時，應及時更換氣瓶22補充氣源。

實施例2：

內管2的內徑為25.4mm，長度1.5m；密封外管1的內徑為101.6mm，長度2m。發(fā)泡針形孔34的孔徑為0.6mm，氣體流量控制在標準狀態(tài)下310～360ml/min，形成氣泡的尺寸范圍為1.9～2.8mm，含氣率1.8～2.7％。低頻壓電傳感器Ⅰ32和低頻壓電傳感器Ⅱ42的工作頻率為100Hz。其余同實施例1。

實施例3：

內管2的內徑為50.8mm，長度1.5m；密封外管1的內徑為127mm，長度2m。發(fā)泡針形孔34的孔徑為2mm，氣體流量控制在標準狀態(tài)下430～490ml/min，形成氣泡的尺寸范圍為2.3～4.5mm，含氣率3.5～4.4％。低頻壓電傳感器Ⅰ32和低頻壓電傳感器Ⅱ42的工作頻率為50Hz。其余同實施例1。

上述雖然結合附圖對本發(fā)明的結構和使用方法進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內。