基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測(cè)井儀

摘要：針對(duì)測(cè)井過程中油氣水三相流的含氣率的測(cè)量問題，本文研究了用于測(cè)量含氣率的集流型光纖探針測(cè)井儀器。首先設(shè)計(jì)了測(cè)井儀器的系統(tǒng)，并對(duì)光纖探針法測(cè)含氣率原理做了分析，其次確定了光纖探針測(cè)量含氣率的最優(yōu)探頭角度，最后設(shè)計(jì)了光纖探針傳感器驅(qū)動(dòng)電路。

0 引言
??? 油氣水三相流中的含氣率是指流體中氣相所占的比例，是多相流體流動(dòng)的重要參數(shù)。由于該參數(shù)與流型、壓力、流速和流動(dòng)方向等密切相關(guān)，目前理論計(jì)算模型還有較大的局限性，實(shí)驗(yàn)測(cè)量是研究含氣率的主要手段，也是研究油氣水三相流動(dòng)的重要手段。國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種測(cè)量含氣率的方法，如：快關(guān)閥門法、電導(dǎo)探針法、電容法、射線法、超聲波法、高速攝影法等，但這些方法本身各有各的局限性和一定的針對(duì)性。利用光纖探針進(jìn)行油氣水三相流局部含氣率的測(cè)量，是一種較為先進(jìn)的測(cè)量手段，具有損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、重量輕、不導(dǎo)電、抗電磁干擾、耐腐蝕、去濕效果好、靈敏度高、數(shù)據(jù)處理方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，足以滿足油井井下油氣水三相流體實(shí)際測(cè)量的需要。

1 基于光纖傳感器的持氣率測(cè)量系統(tǒng)
??? 隨著我國(guó)各大油田紛紛進(jìn)入中晚期開發(fā)階段，多數(shù)油井由自噴轉(zhuǎn)向機(jī)械采油。根據(jù)抽油機(jī)井工藝要求，測(cè)井儀器只能通過油管和套管之間的環(huán)形空間進(jìn)入需要測(cè)試的目的產(chǎn)層，此時(shí)要求儀器的最大外徑不能超過28mm。根據(jù)該要求，設(shè)計(jì)了集流型光纖探針持氣率測(cè)量?jī)x，主要由傘式集流器、光纖探針傳感器及裝有傳感器驅(qū)動(dòng)電路的電路筒組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。油井套管內(nèi)徑為125mm，而傳感器內(nèi)徑僅為20mm，如果不使用集流器，僅有少量的油氣水三相流體從電導(dǎo)傳感器內(nèi)部流過，傳感器內(nèi)的流體會(huì)趨于靜止，此時(shí)持氣率測(cè)量的結(jié)果不具有代表性。為了增大傳感器內(nèi)部流過流體的流量，通常采用集流的測(cè)量方式，即在光纖探針傳感器底部安裝傘式集流器。當(dāng)測(cè)井儀器位于指定測(cè)點(diǎn)后，使集流器張開，以封堵套管和測(cè)井儀器之間流體的流動(dòng)通道，迫使流體全部或絕大部分流經(jīng)光纖傳感器，并經(jīng)上出液口重新流回井筒。

2 光纖探針持氣率測(cè)量原理
??? 光纖探針法的測(cè)量原理基于氣相和液相對(duì)光的折射率不同，如圖2所示，當(dāng)光纖探針與氣相接觸時(shí)，入射光在棱鏡上發(fā)生全反射，經(jīng)反射光纖投射到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器輸出高電平；當(dāng)光纖探針和水或油相接觸時(shí)，入射光在棱鏡上被折射出去，無足夠強(qiáng)度的光投射到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器輸出低電平。隨著油氣水三相流體交替流過光纖探針，光電轉(zhuǎn)換器輸出隨時(shí)問連續(xù)變化的電壓信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過處理，便可得到光纖探針?biāo)谖恢玫木植拷孛婧瑲饴省?/P>

??? 以i表示探針頭曲面上任一點(diǎn)(r，θ，z)處的入射光，當(dāng)油氣水三相流交替流過探針時(shí)，點(diǎn)(r，θ，z)處的瞬時(shí)局部含氣率α(t，r，θ，z)為：
???
??? 油氣水三相流是一種非定常流動(dòng)，因此α(t，r，θ，z)將隨時(shí)間而發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)表明，油氣水三相流一般具有平穩(wěn)隨機(jī)特性，有：
???
??? 式中，T為積分時(shí)間長(zhǎng)度，為平均局部含氣率。定義瞬時(shí)截面含氣率和平均截面含氣率分別為：
???
??? 對(duì)于油氣水三相管道流動(dòng)，瞬時(shí)容積含氣率αv(t)和平均容積含氣率可分別定義為：
??
??? 若在管長(zhǎng)區(qū)間(O，L)內(nèi)，氣體沿流動(dòng)方向的體積膨脹可以忽略，因此，工程上一般認(rèn)為平均容積含氣率與平均截面含氣率等價(jià)，可得：
??
??? 此式表明，采用光纖探針法測(cè)量管道內(nèi)油氣水三相流的截而含氣率是可行的。

3 光纖探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
??? 在光纖的一端熔接一具有適當(dāng)角度的光學(xué)棱鏡，并套上套管，就構(gòu)成了一根光纖探針。單光纖探頭有一根光纖，入射光和反射光均用同一根光纖，采用分光鏡或分路器來檢測(cè)反射光。單纖探針頭部尺寸小，容易刺破氣泡，且能夠檢測(cè)較小的氣泡，對(duì)流場(chǎng)干擾小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好。本文選用單：蒼錐形探針測(cè)量含氣率。單芯錐形探針的結(jié)構(gòu)如圖3所示，一單位面積光強(qiáng)度為ip、總光強(qiáng)度為Ip的平行光束I入射到探針頭的錐面上，θ0為入射角，θf為折射角，n0為探針頭部棱鏡的折射率，nf為被測(cè)介質(zhì)的折射率。β為光纖探針棱鏡的角度，該角度是一個(gè)十分重要的指標(biāo)，它的大小決定著能否將氣相和液相區(qū)分開來，其確定主要取決于棱鏡的折射率n0和被測(cè)介質(zhì)的折射率nf。

??? 根據(jù)光的折射定律有：
???
??? 顯然，區(qū)分氣相和液相的臨界折射角θfr=90°，此時(shí)入射光線在棱鏡中發(fā)生全反射的臨界折射率nfr為：
???
??? 式中，ng和nl分別為氣相和液相的折射率，單芯光纖探針棱鏡角度β須滿足：
????
??? 標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的折射率ng=1．000，油的折射率n0=1.48～1.50，水的折射率nw=1．333，取nl=nw=1. 333。光纖探針棱鏡選用折射率為1．76的藍(lán)寶石材料，根據(jù)式(14)，光纖探針棱鏡的角度β應(yīng)滿足：81. 5°<β<110. 8°。因此，對(duì)光纖探針?biāo){寶石棱鏡而言，將其角度確定為β=90°是一個(gè)合適的選擇。此時(shí)它對(duì)應(yīng)的臨界折射率nfr=1．24。此時(shí)：
???
??? 故β=90°的藍(lán)寶石棱鏡可有效識(shí)別氣相和液相。

4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
??? 光纖傳感系統(tǒng)中，將光波作為載波，在輸入端使用光源將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，在輸出端使用光電檢測(cè)器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。本系統(tǒng)光纖探針傳感器驅(qū)動(dòng)電路主要包括光發(fā)射模塊和光接收模塊。光發(fā)射模塊的主要組成部分是LED發(fā)光管、光源驅(qū)動(dòng)電路和自動(dòng)功率控制電路；光接收模塊的主要組成部分是光探測(cè)器和光電檢測(cè)電路。

4．1 光源及光發(fā)射模塊
??? 光纖傳感系統(tǒng)中，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)是由光源及以之為主體的光發(fā)射模塊來完成的。半導(dǎo)體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源，主要特點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、亮度高、供電電源簡(jiǎn)單等；且它與光纖容易耦合。經(jīng)過綜合考慮，由于油井井下工作環(huán)境溫度變化較大，所以系統(tǒng)選擇紅外LED作為光源。圖5為L(zhǎng)ED恒功率自動(dòng)控制電路。

4．2 光探測(cè)器及光接收模塊
??? 在光纖傳感器中，光探測(cè)器是光探測(cè)接收模塊的基礎(chǔ)，它的靈敏度、帶寬等特性參數(shù)直接影響光纖傳感器的總體性能。本文選用光電探測(cè)器探測(cè)反射光強(qiáng)度。
??? 光電檢測(cè)電路如圖6所示。PIN光電二極管將反射光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，受光照時(shí)光電管根據(jù)光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電流的變化；IC1構(gòu)成I／V變換器，IC2為電壓放大器。由于反射光強(qiáng)太小，IC1輸出電壓信號(hào)幅度很小，因此需要用IC2進(jìn)行二級(jí)放大。IC2后接一個(gè)低通RC濾波，以濾除噪聲等不需要的高頻分量。

5 結(jié)論
??? 針對(duì)油氣水三相流的含氣率的測(cè)量問題，本文設(shè)計(jì)了集流型光纖探針含氣率測(cè)井儀器，對(duì)光纖探針測(cè)量含氣率的可行性做了分析，并且設(shè)計(jì)了光纖傳感器測(cè)量含氣率的最優(yōu)探頭角度和驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)表明此系統(tǒng)可有效測(cè)量汕氣水三相流含氣率。