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[導讀]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

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動電路。
關鍵詞:光纖傳感器;油氣水j相流;測井儀器;持氣率

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動電路的電路筒組成,結構如圖1所示。油井套管內徑為125mm,而傳感器內徑僅為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部流過,傳感器內的流體會趨于靜止,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。

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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,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油氣水三相流的截而含氣率是可行的。[!--empirenews.page--]

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。

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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。

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