CN113417613A - 一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置及其实验方法，属于实验装置技术领域。装置包括储能装置、脉冲发生装置、动力装置和排量计量装置，其中，脉冲发生装置顶端设置有动力装置，脉冲发生装置两侧分别设置有储能装置和排量计量装置，排量计量装置用于检测和显示实验结果。本发明可根据不同实验条件的需要，提供各种水力脉冲波形，通过研究各种水力脉冲波形对实验的影响，更好的指导脉动水驱技术在实际生产中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置及其实验方法，属于实验装置技术领域。
背景技术
石油作为工业的血液，在我国经济发展中起到举足轻重的作用，近年来，注水开发技术是我国大部分油田开发的主要手段，随着常规水驱和化学驱在油田开发中的应用，单一的常规水驱、化学驱逐渐显露弊端，如油井含水率持续上升、储层污染严重、油井产量降低，持续提升原油采收率遭遇技术、成本、环保等多重考验，解决上述问题已经迫在眉睫，因此亟需创新水驱工艺，脉动水驱技术成为了当前研究的技术重点，该技术的研究核心在于水力脉冲发生实验装置，常规的水力脉冲发生实验装置只能产生一种波形，为了提高不同储层环境下的采收率，研究不同波形的水力脉冲对储层的影响是非常有必要的。
中国专利文件CN111101863A公开了一种水力脉冲发生实验装置及工作方法，属于实验装置技术领域，装置包括曲柄伸缩装置、活塞泵装置、缓冲装置和压力传感器装置，通过曲柄伸缩装置带动活塞泵装置往复运动，进而在缓冲装置中形成脉冲流动液体，通过压力传感器装置采集缓冲装置中的液体压力。但该实验装置无法实现水力脉冲波形的变换。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置，可根据不同实验条件的需要，提供各种水力脉冲波形，通过研究各种水力脉冲波形对实验的影响，更好的指导脉动水驱技术在实际生产中的应用。
本发明还提供上述可定制波形的水力脉冲发生实验装置的实验方法。
本发明的技术方案如下：
一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置，包括储能装置、脉冲发生装置、动力装置和排量计量装置，其中，
脉冲发生装置顶端设置有动力装置，脉冲发生装置两侧分别设置有储能装置和排量计量装置，排量计量装置用于检测和显示实验结果。
优选的，储能装置包括蓄液池、注液泵和高压储能器，蓄液池通过注液泵连接有高压储能器，高压储能器上设置有压力表，高压储能器连接有脉冲发生装置。
进一步优选的，注液泵与高压储能器的连接管线上设置有第一单向阀，高压储能器与脉冲发生装置的连接管线上设置有第二单向阀。
优选的，脉冲发生装置包括柱塞、下压板、上压板、压板连杆、活塞筒和脉冲发生夹持箱，脉冲发生夹持箱内设置有活塞筒，活塞筒内设置有下压板，下压板上设置有压板连杆，压板连杆穿过脉冲发生夹持箱连接有上压板，脉冲发生夹持箱上方的上压板上套装有弹簧，上压板上设置有柱塞，柱塞上设置有动力装置。
进一步优选的，柱塞上设置有滚轮钢槽，方便啮合动力装置，滚轮抗压强度足够大，能够避免动力装置挤压柱塞时变形。
优选的，动力装置包括无级变速电机、连杆、旋转基轮和波形凸轮，波形凸轮设置于柱塞上侧，波形凸轮上设置有旋转基轮，旋转基轮通过连杆连接有无级变速电机。通过无级变速电机带动连杆和旋转基轮旋转，进而带动波形凸轮运动，无级变速电机功率在加冲击负载或机器逆转时，能精确转动，变速比均为1：5，即输出转速可在1：45至1：7.25之间任意变化。
无级变速电机与连杆的连接点位置固定，连杆与旋转基轮连接点位置固定，在运动时连杆始终保持水平。
优选的，波形凸轮包括正弦波波形凸轮和梯形波波形凸轮；
正弦波波形凸轮为偏心轮，偏心轮一半为圆形，圆形半径与旋转基轮半径相同，另一半为椭圆形，椭圆形尺寸计算过程如下：
其中：b—正弦波波形幅值，cm3；A—活塞筒横截面积，cm2；Lmax—最大半径，cm；y—不同时刻柱塞下移的距离，cm；r—四分至一周期内不同时刻对应的波形凸轮半径，cm。
由公式(Ⅰ)计算得出椭圆形的最大半径，由公式(Ⅱ)(Ⅲ)求得偏心轮椭圆形运动一半周期内不同时刻对应的波形凸轮半径，偏心轮的椭圆形部分为对称设置，故求得椭圆形运动一半周期内的半径即可得到全部的椭圆形半径尺寸。
梯形波波形凸轮为偏心轮，偏心轮一半为圆形，圆形半径与旋转基轮半径相同，偏心轮另一侧为圆形，2个圆形部分通过直线边连接，圆形半径和直线边长度计算方式如下：
mn＝Lb(Ⅵ)
式中：b—梯形波波波形幅值，cm3；A—活塞筒横截面积，cm2；L—半径，cm；m—梯形波斜率；n—滚轮转速，r/s；Lb—凸轮直线边长度；
由公式(Ⅳ)计算得出圆形的半径，由式(Ⅴ)(Ⅵ)计算得出直线边长度，由此确定梯形波波形凸轮尺寸。
进一步优选的，连杆通过螺栓连接有旋转基轮，旋转基轮通过卡槽嵌入式连接有波形凸轮。
优选的，排量计量装置包括排量计量传感器和显示器，排量计量传感器通过管线连接有脉冲发生夹持箱，排量计量传感器连接至显示器，通过显示器显示排量计量传感器检测到的排量结果。
进一步优选的，排量计量传感器与脉冲发生夹持箱的连接管线上设置有第三单向阀。
上述可定制波形的水力脉冲发生实验装置的实验方法，操作步骤如下：
(1)首先检查无级变速电机、排量计量传感器是否正常，检查各个管线、和结构的气密性；
(2)根据波形需要，选择特定的波形凸轮，波形凸轮通过卡槽嵌入固定在旋转基轮上；
(3)启动无极变速电机，无极变速电机带动连杆、旋转基轮转动，当弹簧支撑上压板到达最顶端时关闭无极变速电机；
(4)启动注液泵，液体泵入高压储能器，观察大容量高压储能器上的压力表示数；
(5)当高压储能器上的压力表示数达到设定值时，开启大容量高压储能器和无极变速电机，液体流入脉冲发生夹持箱内的活塞筒，无级变速电机通过连杆带动旋转基轮上的波形凸轮转动，向下推动柱塞，通过柱塞带动压板连杆和下压板下压，排出活塞筒内空气，然后连杆带动下压板向上运动，活塞筒内压力下降，此时液体进入活塞筒内，高压储能器中压力示数一定，在液体进入活塞筒内时注入压力保持一致，直至液体充满活塞筒；
(6)当压板连杆继续向下运动挤压活塞筒时时，第二单向阀关闭，第三单向阀打开，液体经过第三单向阀后又流入排量计量传感器；
(7)水力脉冲波形图经由排量计量传感器收集并在显示器输出排量波形图像，方便使用者观察。
本发明的有益效果在于：
1、本发明可根据不同实验条件的需要，提供各种水力脉冲波形，通过研究各种水力脉冲波形对实验的影响，更好的指导脉动水驱技术在实际生产中的应用。
2、本发明可以改变旋转基轮所外接的波形凸轮来改变排量波形，如果所得波形不满足，可以立刻关掉电机更换定制波形凸轮，操作方便有利于实验研究。
3、本发明的上压板上套装弹簧能够使柱塞下移的时产生平稳压力，同时在上升的时候由于弹簧的扩张会立刻上升，避免了活塞筒中液体排出之后没有及时补满而产生的水力脉冲幅值降低或者滞后的现象。
4、本发明结构简单、设计合理且安装使用方便、工作性能安全可靠、使用效果好。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明旋转基轮结构示意图；
图3为本发明的正弦波波形凸轮结构示意图；
图4为本发明的梯形波波形凸轮结构示意图；
图5为本发明实施例1的正弦波波形图；
图6为本发明实施例2的梯形波波形图；
其中：1、蓄液池；2、注液泵；3、第一单向阀；4、压力表；5、高压储能器；6、第二单向阀；7、活塞筒；8、下压板；9、压板连杆；10、弹簧；11、上压板；12、柱塞；13、正弦波波形凸轮；14、旋转基轮；15、连杆；16、螺栓；17、无级变速电机；18、第三单向阀；19、显示器；20、排量计量传感器；21、梯形波波形凸轮；22、卡槽。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-2所示，本实施例提供一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置，包括储能装置、脉冲发生装置、动力装置和排量计量装置，其中，
脉冲发生装置顶端设置有动力装置，脉冲发生装置两侧分别设置有储能装置和排量计量装置，排量计量装置用于检测和显示实验结果。
储能装置包括蓄液池1、注液泵2和高压储能器5，蓄液池1通过注液泵2连接有高压储能器5，高压储能器5上设置有压力表4，高压储能器5连接有脉冲发生装置。
注液泵2与高压储能器5的连接管线上设置有第一单向阀3，高压储能器5与脉冲发生装置的连接管线上设置有第二单向阀6。
脉冲发生装置包括柱塞12、下压板8、上压板11、压板连杆9、活塞筒7和脉冲发生夹持箱，脉冲发生夹持箱内设置有活塞筒7，活塞筒7内设置有下压板8，下压板8上设置有压板连杆9，压板连杆9穿过脉冲发生夹持箱连接有上压板11，脉冲发生夹持箱上方的上压板11上套装有弹簧10，上压板11上设置有柱塞12，柱塞12上设置有动力装置。
柱塞12上设置有滚轮钢槽，方便啮合动力装置，滚轮抗压强度足够大，能够避免动力装置挤压柱塞时变形。
动力装置包括无级变速电机17、连杆15、旋转基轮14和波形凸轮，波形凸轮设置于柱塞12上侧，波形凸轮上设置有旋转基轮，旋转基轮14通过连杆15连接有无级变速电机17。通过无级变速电机带动连杆和旋转基轮旋转，进而带动波形凸轮运动，无级变速电机功率在加冲击负载或机器逆转时，能精确转动，变速比均为1：5，即输出转速可在1：45至1：7.25之间任意变化。
无级变速电机与连杆的连接点位置固定，连杆与旋转基轮连接点位置固定，在运动时连杆始终保持水平。
波形凸轮为正弦波波形凸轮13，如图3所示，正弦波波形凸轮为偏心轮，偏心轮一半为圆形，圆形半径与旋转基轮半径相同，另一半为椭圆形，椭圆形尺寸计算过程如下：
其中：b—正弦波波形幅值，cm3；A—活塞筒横截面积，cm2；Lmax—最大半径，cm；y—不同时刻柱塞下移的距离，cm；r—四分至一周期内不同时刻对应的波形凸轮半径(四分之一周期即为偏心轮椭圆形运动一半周期)，cm。
由公式(Ⅰ)计算得出椭圆形的最大半径，由公式(Ⅱ)(Ⅲ)求得偏心轮椭圆形运动一半周期内不同时刻对应的波形凸轮半径，偏心轮的椭圆形部分为对称设置，故求得椭圆形运动一半周期内的半径即可得到全部的椭圆形半径尺寸。
正弦波波形图如图5所示，图5横坐标为时间，纵坐标为排量，频率1/40Hz，幅值200cm3，波形凸轮转动一个周期为40s，活塞筒横截面积为10cm2，波形凸轮的圆形部分转动时柱塞保持高位不下移，不对柱塞筒施加压力，故有二分之一周期排量为0。
将数据代入式(Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅲ)即可求得椭圆形的最大半径为20cm。由于所需要的波形为正弦波形，依据上述公式可以得出在四分之一周期内不同时刻对应的波形凸轮半径，结合最大半径，即可设计出实验所需要的正弦波波形凸轮。
连杆15通过螺栓16连接有旋转基轮14，旋转基轮14通过卡槽22嵌入式连接有波形凸轮。
排量计量装置包括排量计量传感器20和显示器19，排量计量传感器20通过管线连接有脉冲发生夹持箱，排量计量传感器20连接至显示器19，通过显示器显示排量计量传感器检测到的排量结果。
排量计量传感器与脉冲发生夹持箱的连接管线上设置有第三单向阀18。
上述可定制波形的水力脉冲发生实验装置的实验方法，操作步骤如下：
(1)首先检查无级变速电机、排量计量传感器是否正常，检查各个管线、和结构的气密性；
(2)根据波形需要，选择特定的波形凸轮，波形凸轮通过卡槽嵌入固定在旋转基轮上；
(3)启动无极变速电机，无极变速电机带动连杆、旋转基轮转动，当弹簧支撑上压板到达最顶端时关闭无极变速电机；
(4)启动注液泵，液体泵入高压储能器，观察大容量高压储能器上的压力表示数；
(5)当高压储能器上的压力表示数达到设定值时，开启大容量高压储能器和无极变速电机，液体流入脉冲发生夹持箱内的活塞筒，无级变速电机通过连杆带动旋转基轮上的波形凸轮转动，向下推动柱塞，通过柱塞带动压板连杆和下压板下压，排出活塞筒内空气，然后连杆带动下压板向上运动，活塞筒内压力下降，此时液体进入活塞筒内，高压储能器中压力示数一定，在液体进入活塞筒内时注入压力保持一致，直至液体充满活塞筒；
(6)当压板连杆继续向下运动挤压活塞筒时时，第二单向阀关闭，第三单向阀打开，液体经过第三单向阀后又流入排量计量传感器；
(7)水力脉冲波形图经由排量计量传感器收集并在显示器输出排量波形图像，方便使用者观察。
实施例2：
一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置，结构如实施例1所述，不同之处在于，波形凸轮包括梯形波波形凸轮21，如图4所示；梯形波波形凸轮为偏心轮，偏心轮一半为圆形，圆形半径与旋转基轮半径相同，偏心轮另一侧为圆形，2个圆形部分通过直线边连接，圆形半径和直线边长度计算方式如下：
mn＝Lb (Ⅵ)
式中：b—梯形波波波形幅值，cm3；A—活塞筒横截面积，cm2；L—半径，cm；m—梯形波斜率；n—滚轮转速，r/s；Lb—凸轮直线边长度；
由公式(Ⅳ)计算得出圆形的半径，由式(Ⅴ)(Ⅵ)计算得出直线边长度，由此确定梯形波波形凸轮尺寸。
梯形波波形图如图6所示，图6横坐标为时间，纵坐标为排量，频率1/40Hz，幅值200cm3，波形凸轮转动一个周期为40s，活塞筒横截面积为10cm2，滚轮转速为0.36r/s，将数据代入公式求得圆形的半径为20cm，直线边长度为18cm。
Claims (10)
1.一种可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，包括储能装置、脉冲发生装置、动力装置和排量计量装置，其中，
脉冲发生装置顶端设置有动力装置，脉冲发生装置两侧分别设置有储能装置和排量计量装置，排量计量装置用于检测和显示实验结果。
2.如权利要求1所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，储能装置包括蓄液池、注液泵和高压储能器，蓄液池通过注液泵连接有高压储能器，高压储能器上设置有压力表，高压储能器连接有脉冲发生装置。
3.如权利要求2所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，注液泵与高压储能器的连接管线上设置有第一单向阀，高压储能器与脉冲发生装置的连接管线上设置有第二单向阀。
4.如权利要求3所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，脉冲发生装置包括柱塞、下压板、上压板、压板连杆、活塞筒和脉冲发生夹持箱，脉冲发生夹持箱内设置有活塞筒，活塞筒内设置有下压板，下压板上设置有压板连杆，压板连杆穿过脉冲发生夹持箱连接有上压板，脉冲发生夹持箱上方的上压板上套装有弹簧，上压板上设置有柱塞，柱塞上设置有动力装置。
5.如权利要求4所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，柱塞上设置有滚轮钢槽。
6.如权利要求5所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，动力装置包括无级变速电机、连杆、旋转基轮和波形凸轮，波形凸轮设置于柱塞上侧，波形凸轮上设置有旋转基轮，旋转基轮通过连杆连接有无级变速电机。
7.如权利要求6所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，波形凸轮包括正弦波波形凸轮和梯形波波形凸轮。
8.如权利要求7所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，连杆通过螺栓连接有旋转基轮，旋转基轮通过卡槽嵌入式连接有波形凸轮。
9.如权利要求8所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置，其特征在于，排量计量装置包括排量计量传感器和显示器，排量计量传感器通过管线连接有脉冲发生夹持箱，排量计量传感器连接至显示器；
排量计量传感器与脉冲发生夹持箱的连接管线上设置有第三单向阀。
10.一种如权利要求9所述的可定制波形的水力脉冲发生实验装置的实验方法，其特征在于，操作步骤如下：
(1)首先检查无级变速电机、排量计量传感器是否正常，检查各个管线、和结构的气密性；
(2)根据波形需要，选择特定的波形凸轮，波形凸轮通过卡槽嵌入固定在旋转基轮上；
(3)启动无极变速电机，无极变速电机带动连杆、旋转基轮转动，当弹簧支撑上压板到达最顶端时关闭无极变速电机；
(4)启动注液泵，液体泵入高压储能器，观察大容量高压储能器上的压力表示数；
(5)当高压储能器上的压力表示数达到设定值时，开启大容量高压储能器和无极变速电机，液体流入脉冲发生夹持箱内的活塞筒，无级变速电机通过连杆带动旋转基轮上的波形凸轮转动，向下推动柱塞，通过柱塞带动压板连杆和下压板下压，排出活塞筒内空气，然后连杆带动下压板向上运动，活塞筒内压力下降，此时液体进入活塞筒内，高压储能器中压力示数一定，在液体进入活塞筒内时注入压力保持一致，直至液体充满活塞筒；
(6)当压板连杆继续向下运动挤压活塞筒时时，第二单向阀关闭，第三单向阀打开，液体经过第三单向阀后又流入排量计量传感器；
(7)水力脉冲波形图经由排量计量传感器收集并在显示器输出排量波形图像，方便使用者观察。
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2021
- 2021-06-21 CN CN202110688036.3A patent/CN113417613B/zh active Active
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