基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀

基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀

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

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，是多相流體流動的重要參數(shù)。由于該參數(shù)與流型、壓力、流速和流動方向等密切相關，目前理論計算模型還有較大的局限性，實驗測量是研究含氣率的主要手段，也是研究油氣水三相流動的重要手段。國內(nèi)外發(fā)展了多種測量含氣率的方法，如：快關閥門法、電導探針法、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性。利用光纖探針進行油氣水三相流局部含氣率的測量，是一種較為先進的測量手段，具有損耗低、頻帶寬、線徑細、重量輕、不導電、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，足以滿足油井井下油氣水三相流體實際測量的需要。

1 基于光纖傳感器的持氣率測量系統(tǒng)
??? 隨著我國各大油田紛紛進入中晚期開發(fā)階段，多數(shù)油井由自噴轉向機械采油。根據(jù)抽油機井工藝要求，測井儀器只能通過油管和套管之間的環(huán)形空間進入需要測試的目的產(chǎn)層，此時要求儀器的最大外徑不能超過28mm。根據(jù)該要求，設計了集流型光纖探針持氣率測量儀，主要由傘式集流器、光纖探針傳感器及裝有傳感器驅(qū)動電路的電路筒組成，結構如圖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傳感器內(nèi)部流過，傳感器內(nèi)的流體會趨于靜止，此時持氣率測量的結果不具有代表性。為了增大傳感器內(nèi)部流過流體的流量，通常采用集流的測量方式，即在光纖探針傳感器底部安裝傘式集流器。當測井儀器位于指定測點后，使集流器張開，以封堵套管和測井儀器之間流體的流動通道，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 光纖探針持氣率測量原理
??? 光纖探針法的測量原理基于氣相和液相對光的折射率不同，如圖2所示，當光纖探針與氣相接觸時，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換器上，光電轉換器輸出高電平；當光纖探針和水或油相接觸時，入射光在棱鏡上被折射出去，無足夠強度的光投射到光電轉換器上，光電轉換器輸出低電平。隨著油氣水三相流體交替流過光纖探針，光電轉換器輸出隨時問連續(xù)變化的電壓信號，將此信號經(jīng)過處理，便可得到光纖探針所在位置的局部截面含氣率。

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

3 光纖探頭結構設計
??? 在光纖的一端熔接一具有適當角度的光學棱鏡，并套上套管，就構成了一根光纖探針。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反射光。單纖探針頭部尺寸小，容易刺破氣泡，且能夠檢測較小的氣泡，對流場干擾小，動態(tài)響應能力好。本文選用單：蒼錐形探針測量含氣率。單芯錐形探針的結構如圖3所示，一單位面積光強度為ip、總光強度為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為被測介質(zhì)的折射率。β為光纖探針棱鏡的角度，該角度是一個十分重要的指標，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：
????
??? 標準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的藍寶石材料，根據(jù)式(14)，光纖探針棱鏡的角度β應滿足：81. 5°<β<110. 8°。因此，對光纖探針藍寶石棱鏡而言，將其角度確定為β=90°是一個合適的選擇。此時它對應的臨界折射率nfr=1．24。此時：
???
??? 故β=90°的藍寶石棱鏡可有效識別氣相和液相。

4 驅(qū)動電路設計
??? 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轉換為光信號，在輸出端使用光電檢測器件將光信號轉變成電信號。本系統(tǒng)光纖探針傳感器驅(qū)動電路主要包括光發(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)動電路和自動功率控制電路；光接收模塊的主要組成部分是光探測器和光電檢測電路。

4．1 光源及光發(fā)射模塊
??? 光纖傳感系統(tǒng)中，將電信號轉換成光信號是由光源及以之為主體的光發(fā)射模塊來完成的。半導體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源，主要特點是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長、亮度高、供電電源簡單等；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LED恒功率自動控制電路。

4．2 光探測器及光接收模塊
??? 在光纖傳感器中，光探測器是光探測接收模塊的基礎，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。本文選用光電探測器探測反射光強度。
??? 光電檢測電路如圖6所示。PIN光電二極管將反射光轉換成電信號，受光照時光電管根據(jù)光強變化轉換成電流的變化；IC1構成I／V變換器，IC2為電壓放大器。由于反射光強太小，IC1輸出電壓信號幅度很小，因此需要用IC2進行二級放大。IC2后接一個低通RC濾波，以濾除噪聲等不需要的高頻分量。

5 結論
??? 針對油氣水三相流的含氣率的測量問題，本文設計了集流型光纖探針含氣率測井儀器，對光纖探針測量含氣率的可行性做了分析，并且設計了光纖傳感器測量含氣率的最優(yōu)探頭角度和驅(qū)動電路，實驗表明此系統(tǒng)可有效測量汕氣水三相流含氣率。