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，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探頭角度，最后設計了光纖探針傳感器驅動電路。

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。由于該參數與流型、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、數據處理方便等諸多優點，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
??? 隨著我國各大油田紛紛進入中晚期開發階段，多數油井由自噴轉向機械采油。根據抽油機井工藝要求，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光纖傳感器，并經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，入射光在棱鏡上發生全反射，經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變化的電壓信號，將此信號經過處理，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)將隨時間而發生變化。實驗表明，油氣水三相流一般具有平穩隨機特性，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。

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。

??? 根據光的折射定律有：
???
??? 顯然，區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。本系統光纖探針傳感器驅動電路主要包括光發射模塊和光接收模塊。光發射模塊的主要組成部分是LED發光管、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。

4．1 光源及光發射模塊
??? 光纖傳感系統中，將電信號轉換成光信號是由光源及以之為主體的光發射模塊來完成的。半導體光源是光纖系統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。經過綜合考慮，由于油井井下工作環境溫度變化較大，所以系統選擇紅外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探頭角度和驅動電路，實驗表明此系統可有效測量汕氣水三相流含氣率。