CN113365195B - 一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于油井动液面测量领域，具体涉及一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，该装置包括：油套管接头、磁流变弹性体圆形薄膜、下固定板、交流电磁铁、上固定板、外壳以及端盖；所述油套管接头包括中空的圆柱和圆台结构，中空的圆柱设置在圆台结构的顶部，圆台结构的底部设置由梯形槽；磁流变弹性体圆形薄膜设置在油套管接头的梯形槽内；所述外壳为中空圆柱体结构，将交流电磁铁设置在外壳内部，并采用下固定板和上固定板固定；将油套管接头的顶部与外壳的底部连接，用端盖将外壳的顶部封闭，构成低频窄带声波发生装置；本发明的整体结构紧凑，适应多种油管口径，且密封性强，核心元件防腐蚀的同时兼顾导磁性能。

Description

一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置

技术领域

本发明属于油井动液面测量领域，具体涉及一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置。

背景技术

石油是一种不可再生的国家重要战略性资源，在石油开采过程中，抽油机泵的沉没度将直接影响抽油机的工作效率，沉没度过小或者过大都将导致石油开采效率降低，严重者甚至造成抽油机损坏。只有测量油田动液面深度值来不断调整抽油机泵的沉没度，才能实现石油开采设备高效而稳定的工作。

在实际油井测量工程应用中，一般采用基于管柱声场模型的油井动液面深度测量方法。该方法需要在油套环接口发送可以实现声能量远距离传播、空气柱共振效果较好的低频窄带声波，从而通过油套管内空气柱的共振谐波频率计算油井动液面深度。但是目前使用较多的气泵和磁式扬声器均无法有效实现低频窄带声波的激振，这为测量油套管内空气柱的共振谐波频率带来极大难度。

目前可以采用磁流变弹性体产生低频窄带声波，磁流变弹性体是将微米尺度的磁性颗粒掺入到高分子聚合物中制成，其刚度和固有频率可以随外部激励磁场的改变而产生可逆変化。将磁流变弹性体置于交变磁场中，磁流变弹性体内部磁性颗粒受磁场力作用，将产生和磁场变化频率相同的往复振动，进而产生声波。由于在现有的油井动液面测量的低频窄带声波发生装置中并没有磁流变弹性体结构，因此，急需一种低成本、低危险性以及高可靠性的用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装。

发明内容

为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，该装置包括：油套管接头1、磁流变弹性体圆形薄膜2、下固定板3、交流电磁铁、上固定板6、外壳7以及端盖8；

所述油套管接头1包括中空的圆柱和圆台结构，中空的圆柱设置在圆台结构的顶部，圆台结构的底部设置由梯形槽；磁流变弹性体圆形薄膜2设置在油套管接头1的梯形槽内；

所述交流电磁铁包括激励线圈5和叠压硅钢片4，所述叠压硅钢片穿过所述激励线圈5构成交流电磁铁；

所述外壳7为中空圆柱体结构，将交流电磁铁设置在外壳内部，并采用下固定板3和上固定板6固定；

将油套管接头1的顶部与外壳7的底部连接，用端盖8将外壳7的顶部封闭，构成低频窄带声波发生装置。

优选的，所述下固定板3和所述上固定板6的大小和形状相同，在下固定板3和上固定板6的平面上分别设置有方形通孔和多个圆形通孔；方形通孔分别位于下固定板3和上固定板6的中心，圆形通孔以方形通孔为中心，均匀设置在方形通孔周围。

进一步的，下固定板3和上固定板6上的方形通孔的大小与交流电磁铁的叠压硅钢片4的大小相同，将叠压硅钢片4的上端通过上固定板6的方形通孔固定，叠压硅钢片4的下端通过下固定板3的方形通孔固定。

优选的，交流电磁铁在进行工作时像交流电磁铁的激励线圈5通入不超过36V的低压交流电，从而产生不均匀的交变磁场；通过调整下固定板3和上固定板6在外壳7的位置，使得设置在油套管接头1内部的磁流变弹性体圆形薄膜2处于交变磁场强度最大处。

优选的，磁流变弹性体圆形薄膜2的直径为60mm～110mm；厚度为1mm～4mm。

优选的，磁流变弹性体圆形薄膜2属于各向同性磁流变弹性体，磁流变弹性体圆形薄膜2中的磁性颗粒均匀填充在高分子聚合物基体中，使得磁流变弹性体圆形薄膜2具有磁控性能，其刚度和固有频率可随外界激励磁场强度的变化而改变。

进一步的，高分子聚合物基体的材料为硅橡胶或者聚二甲基硅氧烷或者聚合脂或者硅树脂的任一一种；磁性颗粒为钕铁硼颗粒或者纯铁颗粒或者羰基铁粉的任一一种或多种。

进一步的，磁性颗粒填充在高分子聚合基物的体积分数为10％～50％。

进一步的，磁流变弹性体圆形薄膜2的基体中设置有一定数量的孔，根据孔的位置采用增材制造技术将磁性颗粒均匀分布在所受应力较强处。

有益效果为：

1、本发明可完成电磁能到机械能再到声能的转换，转换性能好；整体结构紧凑，可适应多种油管口径；密封性强，核心元件防腐蚀的同时兼顾导磁性能；同时没有电磁铁与永磁体的机械运动，减少爆炸危险。

2、磁流变弹性体的结构根据仿真分析结果，进行了预结构化模具设计，同时配合增材制造技术，将磁性颗粒均匀分布在所受应力较强处，从而使磁流变弹性体产生更大的形变。

3、本发明从制备和激励两个环节实现磁流变弹性体圆形薄膜的固有频率的迁移，保证磁流变弹性体圆形薄膜较优的振动频率始终与交变磁场变化频率处于同一频带内，实现在低频处持续产生较强窄带声波的能力。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图；

图2为本发明装置各组件的装配示意图；

图3为本发明的磁流变弹性体圆形薄膜实物图；

图4为本发明装置应力仿真分析结果图；

图5为本发明的扫频激励下不同磁性颗粒体积分数磁流变弹性体的激振效果图；

1、油套管接头，2、磁流变弹性体圆形薄膜，3、下固定板，4、叠压硅钢片，5、激励线圈，6、上固定板，7、外壳，8、端盖。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置的具体结构，如图1所示，该装置包括：油套管接头1、磁流变弹性体圆形薄膜2、下固定板3、交流电磁铁、上固定板6、外壳7以及端盖8；所述油套管接头1包括中空的圆柱和圆台结构，中空的圆柱设置在圆台结构的顶部，圆台结构的底部设置由梯形槽；磁流变弹性体圆形薄膜2设置在油套管接头1的梯形槽内；所述交流电磁铁包括激励线圈5和叠压硅钢片4，所述叠压硅钢片穿过所述激励线圈5构成交流电磁铁；所述外壳7为中空圆柱体结构，将交流电磁铁设置在外壳内部，并采用下固定板3和上固定板6固定；将油套管接头1的顶部与外壳7的底部连接，用端盖8将外壳7的顶部封闭，构成低频窄带声波发生装置。

如图2所示，所述下固定板3和所述上固定板6的大小和形状相同，在下固定板3和上固定板6的平面上分别设置有方形通孔和多个圆形通孔；方形通孔分别位于下固定板3和上固定板6的中心，圆形通孔以方形通孔为中心，均匀设置方形通孔周围。

可选的，下固定板3和上固定板6设置的方形通孔的大小与交流电磁铁的叠压硅钢片4的大小相同，将叠压硅钢片4的上端通过上固定板6的方形通孔固定，叠压硅钢片4的下端通过下固定板3的方形通孔固定。

可选的，外壳7的内部设置有内螺纹，外壳7的外部上表面设置有螺纹；上固定板6和下固定板3的侧面设置有与外壳7的内螺纹配套的螺纹；将将叠压硅钢片4的上端通过上固定板6的方形通孔固定，叠压硅钢片4的下端通过下固定板3的方形通孔固定后设置在外壳7的内部，并通过旋转下固定板3调整交流电磁铁在外壳内部的位置。

可选的，端盖8的内部设置有与外壳7外部上表面螺纹像对应的外螺纹；将端盖8放置在外壳7的上表面，并旋转端盖7，使得外壳7的内部密封。

一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生方法，该方法为将磁流变弹性体圆形薄膜2固定于油套管接头1内壁梯形槽中；交流电磁铁通入低压变频交流电，以产生交变磁场，同时通过上固定板6和下固定板3调整交流电磁铁位置，并使磁流变弹性体圆形薄膜2处于交变磁场强度最大处；调节低压交流电频率，使其始终与磁流变弹性体圆形薄膜2固有频率相差3Hz以内，进而产生振幅较大的低频窄带声波。

优选的，优选的，交流电磁铁在进行工作时像交流电磁铁的激励线圈5通入不超过36V的低压交流电，从而产生不均匀的交变磁场；通过调整下固定板3和上固定板6在外壳7的位置，使得设置在油套管接头1内部的磁流变弹性体圆形薄膜2处于交变磁场强度最大处。

通过交流电产生的磁感应强度为B＝μH，磁场强度为

其中μ为磁导率，N为线圈匝数，I为线圈电流，Le为有效磁路长度。

低压交流电由交流变频变压器产生，本实施例中，交流电电压36V，频率为5-45Hz间隔1Hz扫频。

应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明装置实例中：硅钢片长度为120mm，截面积为625mm²。硅钢片两边各留出10mm用于与上、下固定板固定，因此交流电磁铁有效磁路长度为100mm。线圈采用直径为0.8mm的漆包线。

如图3所示，磁流变弹性体圆形薄膜2的直径为60mm～110mm；厚度为1mm～4mm。如图4所示，使用有限元仿真软件对磁流变弹性体圆形薄膜在交变磁场下的应力分布进行仿真分析，为磁流变弹性体圆形薄膜的优化制备提供指导。

根据工艺制程得到不同材料特性、不同形状尺寸以及不同固有频率的磁流变弹性体圆形薄膜。本实施例中使用两块磁流变弹性体圆形薄膜，磁流变弹性体圆形薄膜1磁性颗粒体积分数为26.71％，直径为90mm，厚度为3.09mm，固有频率为33Hz；磁流变弹性体圆形薄膜2磁性颗粒体积分数为10％，直径为90mm，厚度为3.09mm，固有频率为37Hz。当低压交流电频率与磁流变弹性体圆形薄膜固有频率相同，且磁流变弹性体圆形薄膜置于交变磁场中磁场强度最强处时，磁流变弹性体圆形薄膜将产生振动，观察到磁流变弹性体圆形薄膜振动幅度达到最大，如图5所示。

为了更进一步地说明本发明实施例的装置，现对交变磁场产生原理和磁流变弹性体薄膜材料特性进行阐释。电流的磁效应揭示了任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象。当给圆形线圈通入交流电时，其电场会随时间而变化，圆形线圈的邻近空间将激发变化的磁场，该磁场的大小和方向都会随着电流的大小和方向按照电流频率进行变化，称之为交变磁场。

磁流变弹性体是将微米尺度的铁磁性颗粒掺入到高分子聚合物中，在强磁场环境下充磁而成。本发明实施例中的磁流变弹性体圆形薄膜属于各向同性磁流变弹性体，即磁性颗粒均匀分散在基体中，在制备过程中没有对磁流变弹性体样品施加磁场，在制备完成后再充磁使其具有更强的磁性。当对磁流变弹性体施加磁场后，磁流变弹性体中的磁性颗粒会相互作用，使磁流变弹性体变硬，其刚度显著增大。其次，磁流变弹性体中的磁性颗粒在受到磁场作用后会对基体产生一定的作用力，该作用力能够使磁流变弹性体基体出现不同程度的伸缩现象，该现象被称为磁致伸缩效应。同时，磁流变弹性体的刚度和固有频率能够随着外部激励磁场的改变而改变。

磁流变弹性体是将微米尺度的磁性颗粒掺入到高分子聚合物中制成，其刚度和固有频率可以随外部激励磁场的改变而产生可逆変化。将磁流变弹性体置于交变磁场中，磁流变弹性体内部磁性颗粒受磁场力作用，将产生和磁场变化频率相同的往复振动，进而产生声波。

本发明将交变磁场激励下的磁流变弹性体作为低频窄带声波激励声源，利用其固有频率可逆变化的特性，从制备、激励两个环节共同调节磁流变弹性体的固有频率，使其达到更优的低频激振效果，为提高油井动液面深度测量精度提供保障，同时具有成本低、危险性低、可靠性高等优点。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，包括：油套管接头(1)、磁流变弹性体圆形薄膜(2)、下固定板(3)、交流电磁铁、上固定板(6)、外壳(7)以及端盖(8)；

所述油套管接头(1)包括中空的圆柱和圆台结构，中空的圆柱设置在圆台结构的顶部，圆台结构的底部设置由梯形槽；磁流变弹性体圆形薄膜(2)设置在油套管接头(1)的梯形槽内；

所述交流电磁铁包括激励线圈(5)和叠压硅钢片(4)，所述叠压硅钢片穿过所述激励线圈(5)构成交流电磁铁；

所述外壳(7)为中空圆柱体结构，将交流电磁铁设置在外壳内部，并采用下固定板(3)和上固定板(6)固定；

将油套管接头(1)的顶部与外壳(7)的底部连接，用端盖(8)将外壳(7)的顶部封闭，构成低频窄带声波发生装置。

2.根据权利要求1所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，所述下固定板(3)和所述上固定板(6)的大小和形状相同，在下固定板(3)和上固定板(6)的平面上分别设置有方形通孔和多个圆形通孔；方形通孔分别位于下固定板(3)和上固定板(6)的中心，圆形通孔以方形通孔为中心，均匀设置在方形通孔周围。

3.根据权利要求2所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，下固定板(3)和上固定板(6)上的方形通孔的大小与交流电磁铁的叠压硅钢片(4)的大小相同，将叠压硅钢片(4)的上端通过上固定板(6)的方形通孔固定，叠压硅钢片(4)的下端通过下固定板(3)的方形通孔固定。

4.根据权利要求1所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，交流电磁铁在进行工作时像交流电磁铁的激励线圈(5)通入不超过36V的低压交流电，从而产生不均匀的交变磁场；通过调整下固定板(3)和上固定板(6)在外壳(7)的位置，使得设置在油套管接头(1)内部的磁流变弹性体圆形薄膜(2)处于交变磁场强度最大处。

5.根据权利要求1所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，磁流变弹性体圆形薄膜(2)的直径为60mm～110mm；厚度为1mm～4mm。

6.根据权利要求1所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，磁流变弹性体圆形薄膜(2)属于各向同性磁流变弹性体，磁流变弹性体圆形薄膜(2)中的磁性颗粒均匀填充在高分子聚合物基体中，使得磁流变弹性体圆形薄膜(2)具有磁控性能，其刚度和固有频率可随外界激励磁场强度的变化而改变。

7.根据权利要求6所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，高分子聚合物基体的材料为硅橡胶或者聚二甲基硅氧烷或者聚合脂或者硅树脂的任一一种；磁性颗粒为钕铁硼颗粒或者纯铁颗粒或者羰基铁粉的任一一种或多种。

8.根据权利要求6所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，磁性颗粒填充在高分子聚合基物的体积分数为10％～50％。

9.根据权利要求6所述的一种用于油井动液面测量的低频窄带声波发生装置，其特征在于，磁流变弹性体圆形薄膜(2)的基体中设置有一定数量的孔，根据孔的位置采用增材制造技术将磁性颗粒均匀分布在所受应力较强处。

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