CN104748908B - 用于高压实验的微压差计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于高压实验的微压差计量装置，将耐高压测压管置于环形电感传感器之中；环形电感传感器与数据采集控制处理系统相连，并与丝杆升降机上的滑块相连，通过升降机带动滑块上下移动，从而控制环形电感传感器在耐高压测压管外壁上下滑动，识别两种不同密度不同电性测压液界面的位置；通过光栅尺精确测定两种不同密度不同电性测压液界面的高度，并将测量的高度传入数据采集控制处理系统。数据采集控制处理系统可以实现数据的接收和对升降电机的控制。通过测压液注入泵向测压管中注入两种不同密度不同电性测压液，控制阀门的开关可以选择测压管使用的数量，以实现扩大压差测量范围的目的。

Description

用于高压实验的微压差计量装置

技术领域

本发明是关于一种压差测量技术，涉及高压环境下微流动和渗流实验中微压差的测量，尤其涉及一种用于高压实验的微压差计量装置。

背景技术

与致密油气藏开采相关的模拟实验压力可以达到几十甚至近百兆帕，而在超低流速下的压差仅为10^-2兆帕量级。目前，在实验室和工业中微压差测量使用的微压差传感器多数都是压电式传感器。压电式传感器的原理是通过测压膜片感应压力，确定压力大小。如果要在高压环境下使用，则需要通过加厚测压膜片来实现。由于测压膜片越厚，其测量精度越低，精度高的微压差传感器的工作压力很低，而耐高压的压差传感器的测量精度一般较低。现有的微压差传感器，测量0.05兆帕压差时，传感器膜片破裂压力仅为2MPa，难以满足高压实验的要求。因此，解决高压环境下微压差的测量是油气藏(特别是致密油气藏)开采相关实验亟待攻克的技术难点。另外，在微系统、微结构、微器件等的微尺度流动实验中，高压环境下微压差的测量也是亟待解决的难点。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种用于高压实验中的微压差计量装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于高压实验的微压差计量装置，能够精确测量高压条件(压力上限为60MPa)下的微压差，以克服现有压差测试仪器对高压微压差测试适应性的限制。

本发明的目的是这样实现的，一种用于高压实验的微压差计量装置，包括依次竖直设置的一丝杆升降机、一光栅尺、四个耐高压测压管；第一耐高压测压管的顶端并联第一阀门、第二阀门与第九阀门，所述第一阀门另一端连接第二耐高压测压管的顶端，所述第二阀门另一端与被测流体高压管线相连，所述第九阀门的另一端与外界环境相通；所述第二耐高压测压管的底端并联第一管线与第三阀门，所述第一管线另一端与所述第一耐高压测压管的底端连接；所述第三阀门另一端与第三耐高压测压管的底端相连；所述第三耐高压测压管的顶端通过一第二管线与所述第二耐高压测压管的顶端相连；第四耐高压测压管的顶端并联有第四阀门、第五阀门与第七阀门，所述第四阀门另一端与所述第三耐高压测压管的顶端相连，所述第五阀门另一端连接被测流体低压管线；所述第七阀门与第一注入泵相连，所述第四耐高压测压管的底端并联第六阀门与第八阀门，所述第八阀门另一端与第二注入泵相连；所述第六阀门另一端连接所述第三耐高压测压管的底端；所述丝杆升降机上及所述光栅尺上分别套设一能上下移动的第一滑块、第二滑块，所述第一耐高压测压管至第四耐高压测压管的外部分别套设有能上下移动的第一环形电感传感器至第四环形电感传感器，所述第一滑块、第二滑块及第一环形电感传感器至第四环形电感传感器由一水平设置的连接杆依次固定连接并位于同一水平线上；一伺服电机通过一减速箱与所述丝杆升降机相连，所述伺服电机、光栅尺、第一环形电感传感器至第四环形电感传感器均与数据采集处理控制系统电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，丝杆升降机包括一竖直设置的丝杆，所述丝杆底部设置一能带动该丝杆转动的转动连接装置，该转动连接装置与所述减速箱传动连接，所述第一滑块螺纹连接在所述丝杆外部。

在本发明的一较佳实施方式中，四个耐高压测压管由非金属耐高压管制成，所述四个耐高压测压管的内径大于等于0.3毫米小于等于1毫米，所述四个耐高压测压管的长度大于等于1米小于等于1.5米。

在本发明的一较佳实施方式中，四个耐高压测压管的内径为0.3毫米。

第一注入泵中的第一测压液为弱电感液体；所述第二注入泵中的第二测压液为强电感液体。

在本发明的一较佳实施方式中，第一注入泵中的第一测压液为水或油；所述第二注入泵中的第二测压液为水银。

在本发明的一较佳实施方式中，第一测压液为水；所述第二测压液为水银。

在本发明的一较佳实施方式中，四个环形电感传感器的内径均大于等于5毫米小于等于21毫米。

在本发明的一较佳实施方式中，四个环形电感传感器的内径均为5毫米。

在本发明的一较佳实施方式中，光栅尺的精度为1微米，其长度为1.5米。

由上所述，本发明将耐高压测压管置于环形电感传感器之中；环形电感传感器与数据采集控制处理系统相连，并与丝杆升降机上的滑块相连，通过升降机带动滑块上下移动，从而控制环形电感传感器在耐高压测压管外壁上下滑动，识别两种不同密度不同电性测压液界面的位置；通过光栅尺精确测定两种不同密度不同电性测压液界面的高度，并将测量的高度传入数据采集控制处理系统。数据采集控制处理系统可以实现数据的接收和对升降电机的控制。通过测压液注入泵向测压管中注入两种不同密度不同电性测压液，控制阀门的开关可以选择测压管使用的数量，以实现扩大压差测量范围的目的。本发明能够精确测量高压条件下的微压差，且制作简单、成本低廉、使用方便、适用范围宽。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明用于高压实验中的微压差计量装置的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种用于高压实验的微压差计量装置100，包括依次竖直设置的丝杆升降机24、光栅尺25、第一耐高压测压管1、第二耐高压测压管2、第三耐高压测压管3和第四耐高压测压管4。其中，第一耐高压测压管4的顶端并联有第一阀门5、第二阀门6与第九阀门29；第一阀门5另一端连接第二耐高压测压管2的顶端；第二阀门6另一端与被测流体高压管线相连，以对该流体高压管线进行测量；第九阀门29与外界环境相通。第二耐高压测压管2的底端并联有第一管线7与第三阀门8；第一管线7另一端连接第一耐高压测压管1的底端；第三阀门8另一端与第三耐高压测压管3的底端相连。第三耐高压测压管3的顶端通过第二管线9与第二耐高压测压管2的顶端相连。第四耐高压测压管4的顶端并联有第四阀门10、第五阀门11与第七阀门12；第四阀门10另一端连接第三耐高压测压管3的顶端与第二管线9形成并联，第五阀门11另一端连接被测流体低压管线，以对该流体低压管线进行测量；第七阀门12另一端与第一注入泵13相连。第四耐高压测压管4的底端并联第六阀门14与第八阀门15；第八阀门15另一端与第二注入泵16相连，第六阀门14另一端连接第三耐高压测压管3的底端。其中第一耐高压测压管1、第二耐高压测压管2、第一阀门5构成单组U型管结构，第一耐高压测压管1、第二耐高压测压管2、第三耐高压测压管3、第四耐高压测压管4及第一阀门5、第三阀门8第四阀门10，第六阀门14共同构成复式U型管结构。丝杆升降机24上及光栅尺25上分别套设有能上下移动的第一滑块18、第二滑块19，第一环形电感传感器20套在第一耐高压测压管1外，第二环形电感传感器21套在第二耐高压测压管2外，第三环形电感传感器22套在第三耐高压测压管3外，第四环形电感传感器23套在第四耐高压测压管4外。第一滑块18、第二滑块19及第一环形电感传感器20至第四环形电感传感器23由一水平设置的连接杆17依次固定连接并位于同一水平线上。伺服电机26通过减速箱27与丝杆升降机24相连，其中丝杆升降机24包括一竖直设置的丝杆241，丝杆241底部设置一能带动该丝杆转动的转动连接装置242，该转动连接装置242与减速箱27传动连接，第一滑块18螺纹连接在丝杆241外部，通过丝杆241的转动带动第一滑块18上下移动。伺服电机26、光栅尺25、第一环形电感传感器20、第二环形电感传感器21、第三环形电感传感器22和第四环形电感传感器23均与数据采集处理控制系统28电连接，数据采集处理控制系统28可以为计算机。

本发明将耐高压测压管置于环形电感传感器之中；环形电感传感器与数据采集控制处理系统相连，并与丝杆升降机上的滑块相连，通过升降机带动滑块上下移动，从而控制环形电感传感器在耐高压测压管外壁上下滑动，识别两种不同密度不同电性测压液界面的位置；通过光栅尺精确测定两种不同密度不同电性测压液界面的高度，并将测量的高度传入数据采集控制处理系统，能够精确测量高压条件下的微压差。数据采集控制处理系统可以实现数据的接收和对升降电机的控制。通过测压液注入泵向测压管中注入两种不同密度不同电性测压液，控制阀门的开关可以选择测压管使用的数量，以实现扩大测量压差测量范围的目的。

进一步，四个耐高压测压管均由非金属耐高压管制成，可以是耐高压玻璃管或其他非金属耐高压材料管，最高可承受60兆帕的压力，为了在较短实验时间内测量极低流量流体压差，四个耐高压测压管的内径一般设置的很小，四个耐高压测压管的内径大于等于0.3毫米小于等于1毫米，本实施方式采用内径为0.3毫米。同时，为了获得较大的单组U型管量程，耐高压测压管长度一般较长，四个耐高压测压管的长度大于等于1米小于等于1.5米。

进一步，第一注入泵13与第二注入泵16均为高压泵。在本实施方式中为ISCO(100DX)双缸泵，泵体容积为1003ml，流速范围：0.00001-45ml/min，压力范围：0-70MPa。第一注入泵13中的第一测压液为水或油等电感较弱液体，在本实施方式中为水。第二注入泵16中的第二测压液为水银或盐水等电感较强液体，在本实施方式中为水银，如果第二测压液采用盐水，则第一测压液不能采用水。

进一步，四个耐高压测压管外部均套有环形电感传感器。第一环形电感传感器20、第二环形电感传感器21、第三环形电感传感器22与第四环形电感传感器23可识别两种不同密度不同电性的液体。当第一测压液(水)通过时，环形电感没有反应信号，当有第二测压液(水银)通过时，环形电感可以瞬间提供很强的信号。故通过对环形电感信号的收集，可以精确的识别水与水银的交界面，得出交界面所处的位置。环形电感传感器内孔直径可选，可识别微小物品。环形电感传感器的内径大于等于5毫米小于等于21毫米，在本实施方式中选取环形电感传感器内径为5毫米，最小可识别内径为0.1毫米的管内水银。具体的，四个环形电感传感器通过水平放置的连接杆17与第一滑块18、第二滑块19连接成一体。第一滑块18通过上下滑移可以控制四个环形电感传感器在耐高压测压管外壁上下滑动。由于环形电感传感器对两种测压液的感应信号不同，所以环形电感可以通过信号的变化来识别水与水银交界面的位置。第一滑块18上下滑移也同时带动光栅尺25上的第二滑块19上下滑动，随时得到水平放置的连接杆17高度数据，光栅尺25的精度为1微米，其长度为1.5米。第一环形电感传感器20、第二环形电感传感器21、第三环形电感传感器22与第四环形电感传感器23与光栅尺25均电连接至数据采集控制处理系统28，通过四个环形电感传感器返回交界面位置的分辨信号与光栅尺25返回的高度信号，确定各管内液位差，测定实验压差。

丝杆升降机24的动力由伺服电机26通过减速箱27提供。数据采集控制处理系统28控制伺服电机26可以实现对连接杆17以及与连接杆相连的第二滑块19、第一环形电感传感器20、第二环形电感传感器21、第三环形电感传感器22与第四环形电感传感器23的上下移动控制。每隔一段时间(每分钟一次至每两小时1次)进行一次从耐高压测压管一端移动到另一端的过程，从而实现对四根不同耐高压测压管内交界面高度的测量。

具体操作过程为：在微压差计测量前，关闭第二阀门6与第五阀门11，将待测流体高压管线与第二阀门6相连；将待测流体低压管线与第五阀门11相连。测试前，关闭第四阀门10、第八阀门15、第三阀门8与第一阀门5，打开第七阀门12，第六阀门14与第九阀门29。打开第一注入泵13，以一定流速恒流速(0.1～5ml/min)注入第一测压液(水)，当第九阀门口29流出第一测压液(水)时，停止第一注入泵13。关闭第七阀门12，打开第四阀门10、第八阀门15、第三阀门8与第一阀门5。打开第二注入泵16，以较低流速恒流速(0.01～5ml/min)注入第二测压液(水银)。同时打开数据采集处理控制系统28，伺服电机26、光栅尺25，控制环形电感传感器不断扫描耐高压测量管内第二测压液(水银)与第一测压液(水)的交界面位置。当第二测压液(水银)注入到耐高压测压管中1/2处，停止第二注入泵16，关闭第八阀门15、第九阀门29、第一阀门5、第三阀门8及第四阀门10。开始测量时，同时打开第二阀门6与第五阀门11，以便测量流体高压管线和流体低压管线之间的压力差，开始控制数据采集处理控制系统28不断通过环形电感传感器感应测量管内第二测压液(水银)与第一测压液(水)的交界面位置。当交界面位置不变得情况下，压力稳定，据采集处理控制系统28记录界面高度数据并计算压力差。

本发明可以通过开关阀门来改变测压管的使用个数，实现增大量程和调节测量范围的功能。当使用第一耐高压测压管1和第二耐高压测压管2进行测量时第一阀门5、第三阀门8、第六阀门14、第九阀门29、第七阀门12与第八阀门15关闭。第二阀门6、第五阀门11与第四阀门10打开。当使用四个耐高压测压管进行测量时，第一阀门5、第三阀门8、第四阀门10、第七阀门12、第八阀门15与第九阀门29关闭。第二阀门6、第六阀门14、第五阀门11打开。

由上所述，本发明的高压微压差计量装置具有如下优点：

(1)本发明选取耐高压测压管，可以承受高压实验中较高的环境压力。此外，所选用的环形电感传感器对两种测压液界面位移的识别下限可达0.1mm，则如果选取水和水银作为测压液，通过本装置可以测量的微压差下限为10^-5MPa，故可达到微压差的测量精度要求。

(2)当水通过时，环形电感没有反应信号，当有金属通过时，环形电感可以瞬间提供很强的信号。故通过对环形电感信号的收集，可以精确的识别水和水银交界面，得出交界面所处的位置。另外，由于光栅尺的使用，可以得到水和水银交界面高度的精确数值。这样即便压差微小，也可以通过光栅尺得到准确的高度数值。伺服电机和丝杆升降机的使用，实现环形电感的自动化升降，大大节省了人力。最后计算机兼做数据监测、数据记录与处理、计算和控制等工作，简化控制实现了一机多用。

(3)测量压力时所需被测流体的量较小，可在微管路流速极低的情况下测量高压下微压差。在微系统、微结构、微器件等的微尺度流动实验及油气藏(特别是致密油气藏)开采相关实验中，待测压流体流入基于U型管测压原理的压力计时，由于流量的极微小(微纳升级别)，待测压流体流入U型测压管达到压力稳定时间取决于测压管内径的大小。四个耐高压测压管内径为0.3毫米，可在0.5微升每分钟的极低实验流速下，2个小时左右的时间达到U型测压管压力稳定并测量压差，实现对实验流体在极低流量与较短实验时间内压差测量的目标。

(4)采用复式U型管结构扩大了测量范围。由于耐高压测压管长度不会太长，采用单组U型管，测量压差范围较小(0～0.1MPa)。采用复式U型管，压差测量范围可扩至0～2MPa。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：包括沿水平方向依次排列的一丝杆升降机、一光栅尺、四个耐高压测压管；所述丝杆升降机、所述光栅尺以及四个耐高压测压管均竖直设置；第一耐高压测压管的顶端并联第一阀门、第二阀门与第九阀门，所述第一阀门另一端连接第二耐高压测压管的顶端，所述第二阀门另一端与被测流体高压管线相连，所述第九阀门的另一端与外界环境相通；所述第二耐高压测压管的底端并联第一管线与第三阀门，所述第一管线另一端与所述第一耐高压测压管的底端连接；所述第三阀门另一端与第三耐高压测压管的底端相连；所述第三耐高压测压管的顶端通过一第二管线与所述第二耐高压测压管的顶端相连；第四耐高压测压管的顶端并联有第四阀门、第五阀门与第七阀门，所述第四阀门另一端与所述第三耐高压测压管的顶端相连，所述第五阀门另一端连接被测流体低压管线；所述第七阀门与第一注入泵相连，所述第四耐高压测压管的底端并联第六阀门与第八阀门，所述第八阀门另一端与第二注入泵相连；所述第六阀门另一端连接所述第三耐高压测压管的底端；所述丝杆升降机上及所述光栅尺上分别套设一能上下移动的第一滑块、第二滑块，所述第一耐高压测压管至第四耐高压测压管的外部分别套设有能上下移动的第一环形电感传感器至第四环形电感传感器，所述第一滑块、第二滑块及第一环形电感传感器至第四环形电感传感器由一水平设置的连接杆依次固定连接并位于同一水平线上；一伺服电机通过一减速箱与所述丝杆升降机相连，所述伺服电机、光栅尺、第一环形电感传感器至第四环形电感传感器均与数据采集处理控制系统电连接。

2.如权利要求1所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述丝杆升降机包括一竖直设置的丝杆，所述丝杆底部设置一能带动该丝杆转动的转动连接装置，该转动连接装置与所述减速箱传动连接，所述第一滑块螺纹连接在所述丝杆外部。

3.如权利要求1或2所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述四个耐高压测压管由非金属耐高压管制成，所述四个耐高压测压管的内径大于等于0.3毫米小于等于1毫米，所述四个耐高压测压管的长度大于等于1米小于等于1.5米。

4.如权利要求3所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述四个耐高压测压管的内径为0.3毫米。

5.如权利要求4所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述第一注入泵中的第一测压液为弱电感液体；所述第二注入泵中的第二测压液为强电感液体。

6.如权利要求5所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述第一测压液为水或油；所述第二测压液为水银。

7.如权利要求6所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述第一测压液为水；所述第二测压液为水银。

8.如权利要求7所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述四个环形电感传感器的内径均大于等于5毫米小于等于21毫米。

9.如权利要求8所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述四个环形电感传感器的内径均为5毫米。

10.如权利要求9所述的用于高压实验的微压差计量装置，其特征在于：所述光栅尺的精度为1微米，其长度为1.5米。