于莉娜，杜勝雪，李英偉，劉曉磊，張海明

（1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；

2.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163100）

0 引 言

油氣水三相流參數(shù)測量是世界范圍內(nèi)油氣田動態(tài)監(jiān)測中普遍存在及亟待解決的難題。油氣田開發(fā)動態(tài)監(jiān)測的重要途徑是通過對采油井和注水井內(nèi)三相流體流動剖面進行測量，并通過了解油井在產(chǎn)液或注水過程中井內(nèi)流體的特性與狀態(tài)對油井生產(chǎn)狀況和油層生產(chǎn)性質(zhì)作出評價，從而可進一步優(yōu)化生產(chǎn)，提高原油采收率和產(chǎn)量，降低成本，尤為重要的是可預(yù)防生產(chǎn)過程中油管套管的損壞。對于油田測試而言，多相流流體的各相含率、流型等參數(shù)在各種工藝流程的檢測過程中都起著至關(guān)重要的作用［1］。

國內(nèi)外對兩相流相含率的測量研究較多，如有電容法、電導(dǎo)法、射線衰減法、微波法及差壓法等。這些方法大多利用氣液兩相的介電常數(shù)、對射線的衰減程度、對微波的吸收能力以及平均密度等參數(shù)的差異進行測量［2－5］。光纖傳感器具有高精度、靈敏度好、耐腐蝕、輕巧、可工作于惡劣環(huán)境，集“傳”與“感”于一體，便于實現(xiàn)遠距離測量與監(jiān)控等優(yōu)點。近年來出現(xiàn)了利用光纖傳感技術(shù)測量多相流的研究。Masahiro Yamada等［6］提出一種新型光纖探針，可以在連續(xù)液相中同時測量CO2氣泡的弦長、速度、空 隙 率 和 局 部 濃 度。JiríVejrazka等［7］研 究了在泡狀流中光纖探針測量的準(zhǔn)確性。楊勝等［8］采用快關(guān)閥門法和光纖探針法對垂直上升圓管內(nèi)截面持氣率測量進行了實驗研究。上述文獻多針對氣液或油氣兩相流進行研究，而對于實時生產(chǎn)測井中油氣水三相流流體中含氣率測量的研究較少。

針對生產(chǎn)測井中油氣水三相流含氣率測量問題，本文采用集流型結(jié)構(gòu)方式和四光纖探針結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單的藍寶石光纖探針含氣率測量儀，并在模擬井測試系統(tǒng)上驗證了其試驗效果。基于藍寶石的光纖探針陣列含氣率測量儀的實現(xiàn)為油氣水三相流的參數(shù)測量提供了一種新方法，從而為油氣水三相流的進一步研究打下基礎(chǔ)。

1 光纖探針結(jié)構(gòu)設(shè)計

光纖探針法測量含氣率是基于全反射原理，利用氣相、液相介質(zhì)對光線的折射率不同，通過檢測反射光線強度變化測量多相流中氣相含率。當(dāng)光纖探針敏感探頭與氣相接觸時，入射光在敏感探頭處發(fā)生全反射，光探測器輸出高電平［見圖1（a）］；當(dāng)敏感探頭與液相接觸時，入射光在敏感探頭處大部分被折射出去，光探測器輸出低電平［見圖1（b）］。

圖1 光纖探針法測量示意圖

如圖1所示，設(shè)一單位面積光強度為iP、總強度為IP的平行光束I入射到敏感探頭的錐面上。其中θ0為入射角，θf為折射角，n0為敏感探頭折射率，nf為被測介質(zhì)折射率，β為敏感探頭頂端夾角。β作為一個十分重要的指標(biāo)，它的大小決定著能否將氣相、液相介質(zhì)區(qū)分開，β的合理取值主要取決于敏感探頭折射率n0和被測介質(zhì)的折射率nf。根據(jù)光的折射定律有

光線入射角θ0與敏感探頭頂端夾角β的關(guān)系為

顯然，區(qū)分氣相和液相的臨界折射角θfr＝90°，此時入射光線在敏感探頭處發(fā)生全反射的臨界折射率nfr為

要區(qū)分氣相和液相，nfr必須滿足

本文選擇折射率為1.76的具有高光學(xué)透射率、高耐磨性、耐熱沖擊、耐高溫、抗輻射、電絕緣及良好的機械性能的藍寶石材料制作錐形敏感探頭，敏感探頭頂端夾角β范圍為25°～35°，該設(shè)計可防止原油粘附在敏感探頭上。

本文設(shè)計的光纖探針主要由紅外光源、光探測器、光纖耦合器和藍寶石光纖探頭組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。針對油井井下高溫環(huán)境，所設(shè)計的光纖探針可在125℃高溫條件下工作。其中，光纖探針總長度約為20 cm，藍寶石光纖探頭和光纖耦合器被封裝于不銹鋼保護套管內(nèi)；紅外光源和光探測器被封裝于與不銹鋼保護套管連接的不銹鋼密封筒內(nèi)。不銹鋼保護套管的外徑為2 mm，被封裝的藍寶石光纖探頭頂端裸露部分長度為3 mm，不銹鋼密封筒的外徑為8 mm。紅外光源發(fā)射光線的波長為940 nm，輸出功率為3.75 m W；光探測器接收光線波長范圍為320～1 100 nm，峰值波長為960 nm；光纖耦合器采用1根芯徑為800μm和2根芯徑為400μm的能量石英光纖耦合，其透過光譜范圍為300～1 800 nm，數(shù)值孔徑為0.22；藍寶石敏感探頭直徑為600μm，探頭頂端夾角為25°～35°。

圖2 光纖探針結(jié)構(gòu)示意圖

2 光纖探針含氣率測量儀設(shè)計

油井井下藍寶石光纖探針含氣率測量儀的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，其主要由傘式集流器、不銹鋼套筒、光纖探針陣列及儀器驅(qū)動電路組成。其中，光纖探針陣列在設(shè)計時，考慮到測量儀圓管內(nèi)徑僅為20 mm，探針個數(shù)過多將嚴(yán)重阻礙管道內(nèi)流體流動，同時增加了微控制器對信號處理的負擔(dān)，所以本文設(shè)計的光纖探針陣列采用四光纖探針結(jié)構(gòu)，1根光纖探針在中心處，其余3根光纖探針在圓管內(nèi)呈120°均勻分布［見圖3（b）］。此時，平均截面持氣率ˉαA為

式中，αi為圓管內(nèi)不同徑向位置截面局部持氣率；Ai為光纖探針測量的有效截面積。

圖3 光纖探針含氣率測量儀結(jié)構(gòu)圖

測量儀驅(qū)動電路主要由光源驅(qū)動電路、光電檢測電路、濾波整形電路、微控制器模塊及曼徹斯特碼傳輸模塊組成（見圖4）。其中，光源驅(qū)動電路負責(zé)驅(qū)動光纖探針內(nèi)部的紅外光源發(fā)出功率恒定的光；光電檢測電路負責(zé)檢測經(jīng)藍寶石探頭反射回的光，并根據(jù)回光強度輸出幅值不等的電壓信號；對光纖探針輸出信號，首先經(jīng)濾波整形電路進行濾波整形，然后送入微控制器模塊中以計算出油氣水三相流的平均截面含氣率，最后將結(jié)果經(jīng)由曼徹斯特傳輸模塊傳輸至上位機。

圖4 光纖探針測量儀驅(qū)動電路原理圖

3 實驗及結(jié)果分析

光纖探針含氣率測量儀測試平臺——油氣水三相流模擬井測試裝置由長8 m、內(nèi)徑為125 mm的透明有機玻璃井筒、油水分離罐、穩(wěn)壓罐、控制系統(tǒng)等組成（見圖5）。實驗所用流體為柴油、空氣和水，空氣經(jīng)壓縮機和過濾器后被送入氣體穩(wěn)壓罐，油和水分別通過油泵和水泵送入油水穩(wěn)壓罐，從穩(wěn)壓罐流出的油、氣、水通過計量管段標(biāo)準(zhǔn)計量后進入模擬井筒，并自下而上流動。由模擬井筒流出的空氣被直接排放，而油水混合物則進入油水分離罐，經(jīng)過重力分離后，油進入貯油罐循環(huán)使用，水進入貯水罐循環(huán)使用。

圖5 油氣水三相流模擬井測試裝置工作原理圖

實驗時，將藍寶石光纖探針含氣率測量儀置于有機玻璃井筒內(nèi)，并張開傘式集流器，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)導(dǎo)流筒內(nèi)的光纖探針陣列，并經(jīng)上出液口重新流回油井井筒。

針對目前中國陸上油田普遍處于高含水低產(chǎn)液的情況，在油氣水三相流含氣率測量實驗中，從低到高依次選取總流量30、40、50、60、80 m3／d，氣相占總流量的比例依次選取10%、20%、40%、60%、80%。并在液相流量中選取油水比例分別為1∶9、1∶4、2∶3和3∶2，以驗證在相同總流量不同油水比例下含氣率的測量效果。

在實驗條件下，觀察到油氣水三相分別有泡狀流型、塊狀流型和段塞流型（見圖6）。在所選取總流量30～80 m3／d的范圍內(nèi)，油氣水三相流流型主要受含氣率影響，而總流量變化對流型影響不大。當(dāng)油氣水三相流含氣率為10%時，氣體在油水混合流體內(nèi)形成分散的氣泡，氣泡周圍附有小氣泡，此時油氣水三相流呈泡狀流型［見圖6（a）］。當(dāng)油氣水三相流含氣率增大至20%和40%時，分散氣泡的數(shù)量逐漸增多，體積也逐漸變大，此時管內(nèi)出現(xiàn)了極不穩(wěn)定的塊狀流型［見圖6（b）］。當(dāng)油氣水三相流含氣率增大至60%和80%時，塞狀大氣泡幾乎占據(jù)了整個管道，長度較長，2個大氣泡之間由液相隔開，液相中含有一些小氣泡團，此時油氣水三相流呈段塞流型［見圖6（c）］。

圖6 實驗中觀察到的油氣水三相流流型圖

圖7給出了當(dāng)油氣水三相流總流量為50 m3／d時，不同含氣率情況下光纖探針輸出響應(yīng)的波形曲線。從圖7中可以看出，當(dāng)含氣率為10%時，油氣水三相流呈泡狀流型，此時光纖探針響應(yīng)曲線的波動比較分散。隨著含氣率的增加，油氣水三相流呈塊狀流型，此時光纖探針響應(yīng)曲線的波動變得更加密集，表示氣泡數(shù)量增多、體積也變大。當(dāng)含氣率繼續(xù)增加時，油氣水三相流呈段塞流型，此時光纖探針響應(yīng)曲線出現(xiàn)大片稠密區(qū)域，表示有塞狀大氣泡流過儀器測量管道。

圖7 光纖探針輸出響應(yīng)曲線（三相流總流量為50 m3／d）

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)含氣率為橫坐標(biāo)，4根光纖探針響應(yīng)的平均值為縱坐標(biāo)，繪制油氣水三相流含氣率響應(yīng)圖版（見圖8）。從圖8中可以看出，當(dāng)三相流總流量不同時（30～80 m3／d），測量儀器響應(yīng)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)含氣率基本呈正比例關(guān)系，圖像近似顯示為1條從左至右遞增的直線。當(dāng)三相流總流量和氣相流量都相同的條件下，液相中不同的油水比例對測量結(jié)果沒有直接影響，各響應(yīng)圖版近似重合，說明該光纖探針具有比較寬的可測量范圍。當(dāng)三相流總流量在30 m3／d以上時，含氣率一定的情況下，不同的總流量條件下的測量儀器響應(yīng)值比較接近，各條曲線基本重合，不再隨三相流總流量的增加而變化，這表明此時光纖探針輸出響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)含氣率近似呈正比例關(guān)系，測量結(jié)果具有很好的可靠性和準(zhǔn)確性。當(dāng)三相流總流量大于等于30 m3／d時，在總流量相同、含氣率不同的情況下，儀器的響應(yīng)值與標(biāo)準(zhǔn)含氣率值基本一致，儀器測量結(jié)果能夠真實反映實際含氣率值，具有較高的精確度。

圖8 油氣水三相流響應(yīng)圖版

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計實現(xiàn)了一種藍寶石光纖探針含氣率測量儀，采用藍寶石光纖作為敏感探頭，藍寶石光纖探針的直徑為600μm，藍寶石光纖探頭設(shè)計成圓錐形狀，其頂端夾角為25°～35°。

（2）光纖探針陣列是藍寶石光纖探針含氣率測量儀的重要組成部分，它被設(shè)計成四光纖探針結(jié)構(gòu)，1根光纖探針在中心處，其余3根光纖探針在圓管內(nèi)呈120°均勻分布。

（3）本文所設(shè)計含氣率測量儀在模擬井測試系統(tǒng)上進行大量試驗表明，當(dāng)三相流總流量大于等于30 m3／d時，該光纖探針含氣率測量儀的輸出響應(yīng)具有很好的可靠性和準(zhǔn)確性，并且探針具有較寬測量范圍。同時，也驗證了藍寶石光纖探針實際工程應(yīng)用的可行性。

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