基于GMM的低频大功率井下声发生器的应用基础研究

论文摘要

针对采用声波技术提高进入开发中后期的高含水油田的原油采收率，在充分分析国内外对声波采油机理的研究以及当前声波采油设备存在的不足和发展方向的基础上，本文将超磁致伸缩致动器的低频大功率特性和弯张换能器体积紧凑、在较低频率上实现大功率声辐射的优势相结合，设计了一种外部驱动弯张声辐射器的新型井下声源——低频大功率井下声发生器系统，并进行了相关基础研究如下： 1．根据油田的储层资料，基于多相介质的渗流物理模型，研究了声波在储层介质中的能量传播规律，进行了工程算例的理论计算，确定了声发生器的系统总体设计要求和主要设计参数； 2．设计了外部驱动的弯张声辐射器结构，避免了安装空间对功能材料的体积约束和工作深度对功能材料元件的预应力影响；对声辐射器的振动特性分析表明：具有初始曲率的辐射板能实现运动的有效放大，在轴向简谐力作用下声辐射器的参数振动存在着运动稳定区，分析结果为系统激振源的性能指标确定了设计要求； 3．通过对功能材料特性进行对比分析，本文选用了GMM研制直动式GMA，分析了GMA的性能影响因素并通过实验确定了最优参数值，进行了GMM棒结构确定，预应力机构设计、电气设计、磁路设计、散热措施和机械传递机构设计等相关研究； 4．通过对声发生器系统的合理简化和边界条件确定，建立了系统的电-机-声转换模型，基于GMM棒的纵向磁机耦合压磁方程，推导了励磁线圈和GMM棒的电-机耦合关系，分析了系统各部分的运动关系，绘制了GMM棒磁致伸缩力、空载GMA机械输出和声发生器系统输出的传递函数图，并对影响系统动态性能的几个关键参数进行了仿真分析； 5．搭建了基于Labview虚拟仪器的综合实验测试平台，对本文研制的声发生器原型系统性能进行了实验测试与仿真对比研究。 本文的研究为用于声波采油的新型低频大功率井下声发生器的研制奠定了基础，对超磁致伸缩材料的产业应用和低频大功率声发生器在相关领域中的发展具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 声波采油机理
• 1.2 不同频率声波对油层的影响效果
• 1.2.1 次声波的应用
• 1.2.2 超声波的应用
• 1.2.3 低频声波的应用
• 1.3 声波采油技术的发展和应用
• 1.3.1 声波采油技术的国内外现场应用
• 1.3.2 声波采油设备的国内外发展情况及趋势
• 1.4 课题的来源和研究的主要内容
• 1.5 论文的结构和各章节安排
• 本章小结
• 第二章 声波采油技术的基础理论
• 2.1 井下声发生器的现场工作原理
• 2.2 试验区的油田储层参数及模型简化
• 2.2.1 储层物理模型的简化假定
• 2.2.2 储层中声波传播的基本理论
• 2.2.3 井下声发生器的声波类型
• 2.3 介质中声波传播的能量变化
• 2.3.1 理想介质中球面波波阵面的能量分散
• 2.3.2 介质对声波能量的吸收
• 2.3.3 球面波在介质中传播的能量分散
• 2.3.4 声波在介质中的吸收系数
• 2.3.4.1 流体中的声波吸收系数
• 2.3.4.2 流体介质中的声波散射衰减
• 2.3.4.3 声波在固体介质中的衰减系数
• 2.3.5 声波在储层介质中能量衰减的影响因素
• 2.4 声波在储层中传播的流固耦合问题
• 2.4.1 储层介质中固体的运动微分方程
• 2.4.2 储层介质中流体的运动微分方程
• 2.4.3 运动微分方程的定解条件
• 2.5 声场在高含水油田的应用算例
• 2.5.1 声波对油水分离速度的促进
• 2.5.2 声波开采水淹油田的能量关系
• 2.5.3 声场对多孔介质流体的渗流影响算例
• 2.6 声发生器的参数估算
• 2.6.1 声发生器的设计要求
• 本章小结
• 第三章 声辐射器结构特性研究
• 3.1 弯张换能器的特征及分类
• 3.2 声辐射器的结构示意图
• 3.3 辐射板的力学特性研究
• 3.3.1 辐射板的力学模型
• 3.3.2 按压杆理论计算的辐射板挠曲线
• 3.3.3 具有初始曲率的压杆挠曲线
• 3.3.4 按纵横弯曲理论计算的辐射板挠曲线
• 3.3.5 预压力对梁横向弯曲自由振动的固有频率的影响
• 3.3.6 辐射板的两端连接方式对挠曲线的影响
• 3.3.7 小变形下辐射板轴向位移与挠曲线关系
• 3.4 辐射板的受迫振动分析
• 3.5 声辐射器振动特性的影响因素
• 3.6 声辐射器的主要参数
• 本章小结
• 第四章 直动式 GMA的设计研究
• 4.1 GMM在低频大功率换能器中的应用优势
• 4.2 直动式 GMA的设计研究
• 4.2.1 GMM棒的结构形式和几何尺寸
• 4.2.2 预应力对GMA输出影响和预应力机构设计
• 4.2.2.1 预应力对GMA准静态输出位移的影响
• 4.2.2.2 预应力对GMA阻断力输出特性的影响
• 4.2.3 GMA电气设计
• 4.2.3.1 最优预应力下偏置磁场对 GMA输出特性影响
• 4.2.4 换能器磁路设计
• 4.2.5 换能器的散热措施
• 4.3 机械传递机构
• 4.4 GMA的主要设计参数
• 本章小结
• 第五章 系统电-机-声转换理论研究
• 5.1 声发生器的简化分析
• 5.2 GMM的电-机耦合模型
• 5.2.1 GMM的线性压磁方程
• 5.2.2 GMM棒磁致伸缩力的传递函数
• 5.3 系统动力学模型
• 5.3.1 空载GMA的运动方程
• 5.3.2 声发生器的轴向振动特性
• 5.3.3 声辐射器的横向振动特性
• 本章小结
• 第六章 系统性能综合实验研究
• 6.1 基于虚拟仪器的综合实验测试平台
• 6.2 GMA动态特性实验及模型参数确定
• 6.2.1 GMM轴向磁机耦合系数的实验确定
• 6.2.2 GMA涡流系数的实验确定
• 6.2.3 GMA的等效刚度和等效质量
• 6.2.4 空载GMA的加速度输出频域实验
• 6.3 声发生器系统的输出动态特性实验
• 6.3.1 加载板的轴向加速度的频率响应函数图
• 6.3.2 声辐射板最大挠度处的加速度频率响应函数图
• 6.3.3 共振频率下电流幅值对声辐射板加速度的影响
• 6.3.4 系统在不同幅值的励磁电流下的动态特性
• 6.3.5 声辐射器参数对系统动态特性的影响
• 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 相关工作展望
• 参考文献
• 附录A 基于虚拟仪器的实验测试系统
• 附录B 照片资料
• 攻读博士学位期间论文发表情况和完成的科研项目
• 致谢