（检测技术与自动化装置专业论文）基于c8051注汽式油井干度测量装置的研究.pdf

基于c 8 0 5 1 注汽式油井十度测量装置的研究 中文摘要 基于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装置的研究 中文摘要 在注汽式油井开采过程中，需要测定注入油井中蒸汽的温度、压力和干度等参数。 通过对这些参数的测定能详细了解油层的位置以及油层的分布情况。这对油层的状况 分析，合理开采，提高采油率及节约能源都有重要的意义。在这些参数中，干度的在 线测量一直是人们无法突破的瓶颈。这一课题引起石油界研究人员的关注，经过多年 的研究，干度的测量方法也层出不穷，但由于汽液两相流的复杂性和相互之间的相变， 所提出的研究方法大都存在滞后性，受人为的因素影响，目前均不能实现在线测量。 所以，对蒸汽干度的在线、连续测量的研究已成为当务之急。 本文在介绍了现有的油井蒸汽干度测量方法的基础上，采用光纤传感技术油井测 量蒸汽干度，分析了这一技术的工作原理。介绍了油井蒸汽干度测量系统的设计要求， 重点介绍了基于c 8 0 5 1 注汽式油井光纤干度测量装置的设计，系统的组成、结构及软 件设计和测量结果的分析。 测量装置的特点是：高速度、低功耗、体积小。软件设计采用模块化的设计方法， 程序由参数测量模块、数据接收模块、数据发送模块、无线通讯模块和系统自检模块 等组成。测量装置分别在实验室、蒸汽锅炉管道以及油田注汽井进行试验，通过处理 和分析测量数据，证明测量装置的测量结果符合目前油井蒸汽干度的实际状况。最后， 对本文研究工作做了总结，对今后研究工作提出了建议以及应用前景作了展望。 本课题为苏州大学“2 l l 工程”资助的科研项目。 关键词：光纤传感器干度测量c 8 0 5 1 f 4 1 0 注汽式油井 作者：戴丽佼 指导教师：邹丽新朱桂荣 t h er e s e a r c ho ff i b e r o p t i cs t e a mq u a l i t ym e a s u r i n g e q u i p m e n t i ns t e a mi n j e c t i o no i lw e l lb a s e do nc 8 0 5 1 a b s t r a c t d u r i n ge x p l o i t a t i o no i li ni n j e c t i n gs t e a mw e l l ，i ti sn e e d e dt om e a s u r ep a r a m e t e r so f s t e a m ，st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，a n ds t e a mq u a l i t yi nw e l l m e a s u r i n ga l lt h e s ep a r a m e t e r s a r eu s e df o rk n o w i n gt h el o c a t i o na n dd i s t r i b u t i n go fo i ll a y e r i ti si m p o r t a n t t oa n a l y z et h e o i ll a y e r ss t a t u s e x p l o i tr e a s o n a b l y ，i n c r e a s eo i le x t r a c t i o na n de c o n o m m ee n e r g y s o u r c e s a m o n gt h e s ep a r a m e t e r s ，m e a s u r i n gs t e a mq u a l i t y o nl i n ei sa l w a y sb o t t l e n e c ka n d d i f f i c u l tt ob r e a kt h r o u g h t h i sp r o b l e mb r i n g st h ea t t e n t i o no fe x p e r t si na l lo i li n d u s t r y p e o p l er e s e a r c ht h es t e a mq u a l i t ym a n yy e a r s t h e n ，m e a s u r i n gm e t h o d sf o rs t e a mq u a l i t y c o m eo u t b e c a u s ev a p o r - w a t e rt w o p h a s ef l o wi sv e r yc o m p l e xa n dp h a s ec h a n g e se a c h o t h e r ，a tp r e s e n t ，m e a s u r i n gr e s u l t sl a gi nf a c t ，a r ea f f e c t e db ym a n 。m a d ef a c t o r sa n dc a n t b eu s e dt om e a s u r eo nl i n e i tb e c o m e su r g e n ta f f a i rt om e a s u r es t e a mq u a l i t yc o n t i n u o u s l y o nl i n e i nt h i sp a p e r ，d i s c u s sm e a s u r i n gm e t h o d so fs t e a mq u a l i t yi np r e s e n t b r i n gf o r w a r d n e wm e a s u r i n gm e t h o do fs t e a mq u a l i t yw h i c hu s e sf i b e r - o p t i c st e c h n i q u ea n da n a l y z e t h e o r yo ft h i sn e wm e t h o d e x p l a i nt h ed e m a n do ft h es t e a mq u a l i t ym e a s u r i n gs y s t e m i n t r o d u c et h ed e s i g no ff i b e r - o p t i cs t e a mq u a l i t ye q u i p m e n ti ns t e a mi n j e c t i o n o i lw e l l b a s e do nc 8 0 51 d i s c u s st h ed e s i g no ft h em e a s u r i n ge q u i p m e n t ，c o n f i g u r a t i o no ft h e s y s t e m ，d e s i g no fs o f t w a r ea n da n a l y s i so f t h em e a s u r i n gr e s u l t s t h ee q u i p m e n th a st h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hs p e e d ，l o wp o w e rw a s t a g ea n ds m a l l v o l u m e t h ed e s i g no fs o f t w a r ei sm o d u l a r i z a t i o n ，t h e r ea r ep a r a m e t e rm e a s u n n gm o d u l e ， d a t ar e c e i v i n gm o d u l e ，d a t as e n d i n gm o d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s y s t e m c h e c km o d u l ea n ds oo n t h ee q u i p m e n tt a k e st e s t si nl a b ，s t e a mb o i l e ra n di n j e c t i n gw e l l i no i lf i e l d a n a l y z em e a s u r i n gd a t a t h er e s u l t sa c c o r dw i t ht h es t a t u so fs t e a mq u a l i t yi n o i lw e l l f i n a l l y ，t h ep r o j e c tw o r ki nt h i sp a p e r i ss u m m a r i z e d ，s o m es u g g e s t i o n so nf u r t h e r d e v e l o p m e n t a r ep r e s e n t e da n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di sp r o s p e c t e d i i 基于c 8 0 5 1 注汽式油井千度测量装置的研究 a b s t r a c t t h i ss u b j e c ti ss c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c tw h i c ha r es u p p o r t e db ys u z h o uu n i v e r s i t y 2 11p r o j e c t k e yw o r d s ：f i b e ro p t i c ss e n s o ls t e a mq u a l i t ym e a s u r i n g ，c 8 0 5 1f 410 ，i n j e c t i o no i lw e l l i i i w r i t t e n b y ：d a il i j i a o s u p e r v i s e db y ：z o ul i x i n ，z h ug u i r o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：落垒! k 日期： 学位论文使用授权声明 掣。7 臼 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 - 7p 一切 ， 基于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装置的研究第一章引言 1 1 课题研究背景 第一章引言 在能源日趋紧张的当今社会，石油作为非再生能源之一，不仅关系到国民经济的 持续、快速发展，而且关系到社会稳定和国防安全。因此，为了最大限度的提高效率 和节约能源，人们越来越重视合理的开采和利用石油。目前对稠油的开采最多的方法 就是注蒸汽，其中，注入的蒸汽中各个参数数值直接反映了井下稠油的状态，因而， 对蒸汽的各个参数的状态的了解能帮助进一步的开采井下石油，提高产油率。 1 1 1 注蒸汽油井的稠油开采技术 稠油在世界油气资源中占有较大的比例。我国稠油的年产量接近陆上原油产量的 1 0 。稠油含有较高的胶质、沥青质、其粘度大、流动性差、凝点较低，油层埋藏深， 一般在1 0 0 0 米左右，给生产带来了许多不便。现在常用的开采方法是往油井中注入 高温高压蒸汽，由于蒸汽中含有较高的热量，可使油层温度升高，降低稠油粘度，减 少流层阻力，使稠油易于流动，然后采用常规的抽吸手段抽取。自上世纪6 0 年代开 采稠油以来，稠油的开采技术得到了突飞猛进的发展。已形成了以蒸汽吞吐、蒸汽驱 等为主要开采方式的稠油热采技术，以及以碱驱、聚合物驱、混相驱等为主的稠油冷 采技术。这些冷采技术，如出砂冷采等也有一定的应用，但其采收率较低，后期仍然 要依靠注蒸汽来采出大量剩余油，因此没有得到广泛应用。 近几年来，国外围绕热力采油的稠油开发技术发展较快。在美国，稠油蒸汽驱热 采技术属国际领先：在加拿大，稠油开发主要靠s a g d ( 蒸汽辅助下的重力泄油) 技术； 在委内瑞拉，稠油开发技术主要放在了改善蒸汽吞吐开采效果上；而目前我国主要采 用热采方法n q l ，热采中的蒸汽吞吐方法是稠油开发中最普遍采用的方法。对于稠油 油藏，如果常规采油的速度很低或根本无法采到原油时，必须采用蒸汽吞吐开采，之 后再进入蒸汽驱开采。 所谓的蒸汽吞吐方法简言之就是将一定量的高温高压饱和蒸汽注入油层，焖井数 日，加热油层中的原油，然后开井回采。通常，注入蒸汽的数量按水当量进行计算， 每米油层7 0 8 0 吨蒸汽，注入1 0 2 0 天，注入蒸汽的干度要高，井底蒸汽的干度要 基于c 8 0 5 1 注汽式油j 二干度测量装置的研究第一章引言 求达到5 0 以上，注入油层的压力以不超过油层破裂压力为上限。关井焖井几天后开 井采油。 蒸汽驱开采是稠油油藏经过蒸汽吞吐开采以后为进一步提高原油采收率的热采 阶段。因为只进行吞吐开采时，只能采出各个油井点附近油层中的原油，井间留有大 量的死区，一般原油采收率仅为1 0 2 0 。而采用蒸汽驱开采技术时，由注入井连续 注入高干度蒸汽，注入油层中的大量热能加热油层，从而大大降低了原油粘度，而且 注入的热流体将原油从驱动井周围的生产井中采出，将采出更多的原油，使原油采收 率增加2 卜3 0 。虽然蒸汽驱开采阶段的耗汽量远远大于蒸汽吞吐，原油蒸汽比低的 多，但它是主要的热采阶段。 1 1 2 蒸汽干度口。】 蒸汽是一种典型的实际气体。它是由液体通过集态变化蒸发而产生的，处于 离液体不远的状态。它是热力学工质中一类最重要、应用最广泛的工质。 热力工程中水蒸气都是由水在锅炉中定压加热所产生的。加热开始时，水的温度 低于饱和温度，称为未饱和水或过冷水。未饱和水在系统压力p 1 下被加热，水温逐 渐升高。由于液体的可压缩性很差，水的比体积增加极少。当水温达到系统压力p 1 所对应的饱和温度t s 时，在加热面上出现气泡，水开始沸腾。这时的水称为饱和水。 继续对水加热，水不断汽化，水温保持为饱和温度不变，一直到水完全汽化为止。水 完全汽化的那一点状态。称为干饱和蒸汽状态。在水的汽化过程中，系统压力维持不 变，容器中汽液两相共存，温度为饱和温度，汽液两相混合物的比体积显著增加。汽 液两相共存时的蒸汽称为湿饱和蒸汽。水全部汽化为蒸汽之后，继续维持定压加热， 蒸汽温度开始升高，定温过程随之结束。这时正确的称为过热蒸汽。显然，只有在汽 液两相共存的湿蒸汽范围内，过程才表现出定压定温的性质。此时加入的热量，全部 用于水的汽化，即热量转变成蒸汽的潜热。 图卜1 和图卜2 别给出了p - v 图上和t - s 图上水定压加热过程的过程曲线1 0 一1 7 1 ”一1 。由上所述，1 0 - 17 是未饱和水定压加热至饱和水的过程，17 1 ”是饱和 水在定温定压条件下加热至饱和蒸汽的汽化过程，1 ”一1 是饱和蒸汽转变为过热蒸汽 的定压加热过程。水在整个定压加热过程中，其状态经历了未饱和水( 过冷水) 、饱 2 基予c 8 0 5 1 滓汽式油并干发测量装置的研究 第一章引言 和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽和过热蒸汽五种状态。如果压力由p ，升高到p 2 ，则 也可以得到类似的定压加热过程线2 0 一27 2 打一2 。在湿饱和蒸汽区，汽液两相共存。 为了表示水、蒸汽相占有的份额，引入了一个称为干度的参数，以x 表示。它的定义 为 x = 聊v ( 脚y + 垅1 ) ( i - i 、 上式( 卜1 ) 中耽、分别为湿蒸汽中所含有的饱和蒸汽与饱和水的质量。显然， x 愈大，湿蒸汽状态愈接近饱和蒸汽状态。对于饱和水，x = o ，对于饱和蒸汽，x = l 。 湿蒸汽的状态点在p v 图或t - s 图上落在湿饱和蒸汽区内。在图卜i 和图卜2 上分别 以1 ，2 ，表示。 p 图i - ip - v 图水定压加热 过程曲线l o l 一1 ”一l 2 0 1 0 图卜2t - s 图水定压加热过程 曲线l o l 一i ”一l 在稠油热采过程中，注入油井蒸汽的状态，很大程度地影响着稠油的输出。注蒸 汽的参数主要有温度、压力和干度。对这些参数的测定就可以了解井下油层对蒸汽的 吸收情况，对确定油层状况，合理开采，提高采油率及节省能源都有重要的意义。在 正常情况下，由直流锅炉产生的注井蒸汽均处于湿蒸汽饱和状态。根据工艺要求，油 田锅炉出口蒸汽的干度应严格控制在7 5 8 0 之间。这是因为在直流式蒸汽锅炉炉管 中的水蒸汽必须含有一定比例的水相，携带走锅炉供给水中的结垢物质。干度过低， 无法满足油田开采热量要求；干度过高，则导致锅炉结垢，降低锅炉的热效率，甚至 会危及设备安全。因此，干度值是影响稠油热采效果的重要指标，也是注汽锅炉安全 运行的重要参数。 基于c 8 0 & l 注汽式油井干度测量装置的研究第一章弓i 言 1 2 国内外对蒸汽千度测量的研究现状 蒸汽于度的测量一直是油田注汽井参数测量无法突破的瓶颈，干度是汽液两相流 特有的参数，由于双相流的复杂性以及两相流之问的相变，使得干度的测量一直困扰 着人们，没有得到很好得解决。近年来，对这一难题的解决方法层出不穷。在国外， m u r d o c k 等建立了孔板分离流模型，j a m e s 等建立了改进的孔板均相流模型。以上两 模型用两相密度比修j 下后，进一步提高了模型精度，并扩大了适用范围。加拿大原子 能有限公司研制的中子密度计1 为非侵入性的，较轻便，现场使用方便，将这种仪器 与流量测量装置结合，即可确定井口的蒸汽干度和质量流量。t e x a c o 公司为测定注 蒸汽时的蒸汽干度和流速已研制出一种价格低廉的新装置。这种装置已在加利福尼亚 克恩河油田的蒸汽驱中进行了现场的试验，该装置包括孔板和临界流量节流器。孔板 装在节流器的上游，临界流量节流器装在蒸汽注入井井口。美国t e x a c o 公司为了提 高蒸汽驱的效益，研制了一种管道蒸汽干度监测装置。该装置包括监测流动蒸汽的电 容、根据此电容发出的电容信号的电容监测仪器和用来检测蒸汽湿度和压力，并发出 有代表性信号灯温度或压力检测器。 在我国，克拉玛依稠油开采井下干度测量技术阳1 主要是使汽水两相流通过k z q 2 i 型蒸汽取样器产生重力分离，取出液态水样，进行离子分析，测出蒸汽干度。依据能 量守恒原理和凝结式蒸汽干度测量原理，研制了凝结式蒸汽干度测量装置。混合法测 量蒸汽干度n 3 ，该方法无运动部件、无需替换物质、无辐射，具有结构简单、成本低、 精度高的特点，适合不同场合蒸汽干度的测量，根据质量守恒、能量守恒原理并结合 混合式和凝结式蒸汽干度的测量原理，提出并研制了能衡混合式和能衡凝结式蒸汽干 度测量装置谗1 。同时还有其他方法，例如：基于神经网络来建立湿蒸汽干度软测量模 型四1 ；采用最小j 下交二乘法确定网络隐层节点数以及训练网络输出数值，并在实际运 行中采用在线校正环节。综合国内外的这些方法，主要集中在节流取样分析和热力学 方法上，大都不能实现在线测量，同时这些方法大多数是理论上的分析和研究，真正 实施的并不多。 4 基于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装置的研究第一章引言 1 3 研究意义 油井的注汽热采的核心是向油井中注入高温、高压的热蒸汽，大幅度的降低稠油 的粘度，增强稠油的流动性，便于采用正常的抽吸手段开采石油。油田的蒸汽系统往 往由一台或几台锅炉集中供汽，虽然使用过热的蒸汽可以大幅度降低稠油的粘度，但 同时对注汽锅炉提出了更高的要求，在实际生产中，油田锅炉出口蒸汽的干度应严格 控制在7 5 9 6 - 一8 0 之间。干度过低，无法满足油田开采热量要求，干度过高则导致锅 炉结垢，降低锅炉的热效率，甚至会危及设备安全。所谓干度是指每单位质量湿蒸汽 中所含干饱和蒸汽的质量，作为蒸汽的品质因子，干度在蒸汽参量的测量中具有重要 的地位。除了要测定注入油井中蒸汽的干度之外，蒸汽的温度和压力，这些参量的测 定可以反映出一个注汽油井井下的蒸汽吸收情况，对于提高产油率、合理注汽、减少 热损和油藏热采的动态监测具有重要的意义。 蒸汽干度的实时测量历来是测量技术中的一个难点，近年来有关蒸汽干度的实时 测量方法的研究得到众多科技人员极大关注，但由于干度不能像温度、压力等参数那 样直接测量，虽有各种各样的干度计算经验公式，但由于汽液两相流测量的复杂性以 及两相之间的相互作用，其测量结果不如入意，工程应用中仍有不少问题。长期以来， 干度测量一直是以人工取样进行化学分析或电导测量，然后通过计算得出干度的方法 为主，而对干度的控制则基本上处于手动控制阶段，因此锅炉干度测量及其控制受人 为因素影响很大。从研究情况看，蒸汽干度的实时测量大多是基于理论研究和测量方 法的探讨，真正付诸于实施的尚且不多。为此，对油田注汽锅炉的干度进行自动控制 的研究势在必行。 1 4 课题内容 本论文在介绍目前蒸汽干度测量方法的基础上，采用提出了新的蒸汽干度测量方 法，即利用光纤传感技术测量蒸汽干度，该测量系统是以c 8 0 5 1 f 为核心，配置各种 测量控制、通信接口等硬件。本论文的后续章节主要对测量系统原理的阐述，对硬软 件和测量数据进行设计和分析。本文的内容共分为6 章，主要包括以下内容： 第二章介绍了目前蒸汽干度测量的一些方法，共分为热力学和非热力学方法两大 类。其中包括示踪法、电导法、光学方法、中子密度计、相分离法、凝结法和人工化 綦于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装置的研究第一章弓f 言 验法。在此基础上，本课题采用了新的蒸汽干度测量方法，即光纤传感蒸汽干度测量 方法。对该测量原理作了详细的阐述。 第三章在蒸汽干度测量理论方法研究的基础上，阐述了基于c 8 0 5 1 f 注汽式油井 干度测量装置的硬件设计，介绍了系统构成，提出了硬件设计要求，并对微控制器的 外围扩展电路，如：扩展存储器系统、信号处理系统及无线通信模块等作了详细的介 绍。 第四章在硬件设计的基础上，详细介绍了系统的软件开发。设计的思想是程序的 模块化设计思想，主要分为参数测量模块、数据接收模块、数据发送模块、无线通讯 模块和系统自检模块等。 第五章分别在实验室、蒸汽锅炉以及辽河油田注汽井做了三组实验。对实验数据 进行了研究和分析，结果表明该装蹙测量的敏感性和工作的可靠性。 第六章总结了本文的研究工作，对蒸汽干度测量装置的应用前景作了展望分析。 6 基于c 8 0 5 1 注汽式油片干度测量装置的研究第一二章蒸汽十度测量方法的研究 第二章蒸汽干度测量方法的研究 2 1 现有蒸汽干度测量方法n 国 目前，蒸汽干度测量的方法主要分为两类：非热力学方法和热力学方法。非 热力学方法主要有电导探针法、电容法、热线和y 射线法等。而热力学方法主要 有节流法h2 j ，蒸汽、空气混合法n 3 1 制，加热法，相分离法，混合法，凝结法等。 其他方法还有人工化验法和基于神经网络的干度软测量方法等。这些方法大都基 于理论的研究，赋予实践的并不多。国内外现仍没有工程上实用的干度仪，使其 具有实时在线测量、准确度高、寿命长、造价低的性能。 2 1 1 非热力学方法 非热力学方法主要有光学法、电导法、中子密度计、离子示踪法等。光学探 测法这一技术是基于光散射原理测量双相流干度n5 | ；电导法是通过在待测的流体 中加入某种物质而改变流体的电导率常数进而测定干度值的一种方法；采用中子 密度计来测定管道中蒸汽密度从而推算蒸汽的干度；离子示踪法是在流体中加入 离子示踪物，在根据示踪物在流体中的比率从而计算出蒸汽的干度值。非热力学 方法在工程应用中目前还存在着较大的局限与不足，而且一般来说，按这类方法 制造的仪器，造价高、受使用场合限制多、测量精度和使用寿命都不是十分理想 1 6 1 7 o a 示踪法n 舢 示踪法分化学示踪法和放射性示踪法，适用于单工质双相流干度的测量，一 般用在蒸发器和锅炉中，其测量原理是在给水中加入某种化学物质或放射性物 质，在锅炉和蒸发器蒸发时，水滴被带入蒸汽流中，这种水滴里包含了添加物的 离子或放射性物质，纯蒸汽不含这类物质。这样，蒸汽的干度就与锅炉或蒸发器 中的添加物和冷凝器中的添加物浓度之比成比例了，根据测定的两处示踪物的浓 度，就可确定蒸汽的干度。这种方法只适用于测量在锅炉和蒸发器出口不远处的 蒸汽干度，远处的由于管线冷凝使干度发生变化而不再适用。这类示踪法一般有 如下几种形式的添加物：氯离子，钠离子，溶解盐，放射性物质等。示踪物的测 定应用了化学和放射学方面比较成熟的技术，可以达到很高的测量精度。 7 基于c 8 0 5 1 注汽式油井十度测量装置的研究 第二章蒸汽干度测量方法的研究 b 电导法 电导法也可以看成是一种示踪法，它是通过加入某种物质来改变流体的导电 性而求得干度的方法。导电法是现在锅炉工业中用于确定干度的最广泛的方法之 一，也适用于其它许多汽液双相流干度的测量。测量原理是根据被测试样的导电 率与试样中所添加物的浓度成比例这一事实来实现干度的测量。但添加物如果存 在着像氨气和一氧化碳气这类可溶于水并能形成离子的气体，则电导法就不准确 了。因为这些气体溶于水而产生的离子改变了试样的导电性，仅少量的这类气体 就可以使导电率受很大影响。因此，在这种情况下应对被测试样进行“除气”， 然后再进行测量。采用的方法通常是将被测流体冷凝，除气以后再测量导电率， 确定离子浓度，然后与汽源处的水中离子浓度相比较，以确定蒸汽出口的干度， 方法与化学示踪法相同。 c 光学方法 卅严 司卜力厂一 j 、 冈易夕 vi 一 c，羔，上- l 图2 一l 全散射法测量系统不意图 随着激光技术和计算机技术的迅速发展，7 0 年代初期，国内外先后开始了 利用光学原理测量双相流干度的研究。这一技术是基于光散射原理而发展起来 的，图2 一l 是全散射法测量双相流干度的工作原理图。其工作过程是这样的：来 自光源s 的单色光，其波长为入，强度为工。，经透镜组l ，和l 2 和光阑b 。校直后， 穿过测量区c ，在测量区中有湿蒸汽( 或其它含有微小颗粒的介质) 流过。设蒸汽 的湿度为y ，水滴直径和个数分别为d 和n ，由于水滴对入射光的散射作用，光 束在穿过测量区时其强度将减弱，使得入射光穿过测量区后，透射光的强度i 小于入射光强i 。利用光电系统分别测定入射和透射光强度，则二者的比值i l o 将是确定水滴直径和蒸汽湿度的一个尺度。光学方法属非接触测量，无需取样， 对流动无干扰，不受流动工况的影响。在计算机的帮助下还可实现在线连续测量， 是一种非常理想的测量技术。目前由于设备比较复杂，造价太高，仅能用于实验 研究中。这种方法的主要问题是它的测量范围，只能用于测量介质为连续的和呈 基于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装置的研究 第二章蒸汽十度测量方法的研究 颗粒状的双相流，目前用于颗粒直径较大的情况时测量结果不好。另外这种方法 对使用的环境要求较高。 d 中子密度计 将中子密度计与流量测量装置结合，即可确定井口的蒸汽干度和质量流量。 图2 - 2 为该中子密度计工作原理图。位于减速器中心的快中子源产生中子，由于 减速器减慢中子的速度，中子会产生热能。热中子通过准直器后射向一段管段。 然后，热中子与管壁材料和管内的两相混合物相互作用，一些中子被散射，一些 中子被吸收。传输的中子被中子探测器记录。 恢，l l 平橼 l 生芦燮芦 图2 2 中子密度计原理图 利用中子测量蒸汽干度的一个特点是其仅被管壁结构材料微弱的衰减。因 此，中子完全能穿透管壁构造材料，而强度无明显减弱。此设备的管上部件包括 中子束提取器、数据采集处理器和管线夹。中子束提取器包括一个埋置在缓冲材 料( 聚乙烯) 中的弱中子源( 锎一2 5 2 ) 和一个指向管道的中子束准直器。数据采 集处理器探测经计数规定间隔的中子，计算和显示蒸汽干度、质量流量和焓输出 速度。虽然这种方法轻便、现场使用方便，但造价太大，同样不能实现在线实时 测量。 2 1 2 热力学方法 热力学方法有节流法，蒸汽、空气混合法，加热法，相分离法，混合法，凝 结法等。节流法采用孔板和临界流量节流器来测量管道中蒸汽的干度。蒸汽、空 气混合法是根据热力学原理来测量蒸汽干度。加热法采用蒸汽取样器采样，过等 容加热来推算蒸汽于度。相分离法采用分离器来分离气相和液相，并通过测量气 相和液相质量来推算蒸汽干度；或者采用蒸汽取样器进行重力分离，取出液态水 样，进行离子析，测定蒸汽干度。混合法是将采样蒸汽与冷却水混合，通过测量 9 基于c 8 0 5 l 注汽式油井干度测量装置的研究 第_ 二章蒸汽干度测量方法的研究 冷却水的进、出口流量和温度，推算蒸汽干度。凝结法类似于混合法，区别只是 凝结法的采样蒸汽不与冷却水混合。热力学方法，可归属于抽汽取样法，其特点 是需要从待测蒸汽中抽取部分试样，然后引向测量装置。这类方法源于蒸汽干度 的热力学定义，测量原理清晰，缺点是需要抽取部分试样，使得它的在线实用性 受到一定的影响。 a 相分离法 分离法是应用最早的汽液双相流测量方法。其原理是利用两相的比重差来分 离两相混合物，流体分离后称重来得到干度。其形式是多种多样的，其中相分离 法是一种常见的方法，也是一种直接测量方法。它采用分离器来分离气相和液相 分离器法，两相蒸汽首先在分离器中分成汽相( 饱和蒸汽) 和水相( 饱和水) ，分 别计量单相蒸汽和单相水的流量，通过测量这部分单相气体的流量来确定被测气 液两相流体的流量和干度，它被认为是比较可靠的方法。分离法的特点同电导法 一样，可以实行在线测量，而且测量方法很简单。但由于分离的效率受分离器的 影响很大，结果不稳定，精度也不是很高，而且装置大造价高，仅作为每年几次 项目监测用，且无法测量井下干度。而其它间接测量方法的可靠性不仅与传感器 的制作质量和安装方法有关，而且还受到特定对应关系式中其它参数的影响，使 得间接方法适用范围受到限制。 b 凝结法n 钉 凝结式蒸汽干度测量方法的测量原理是依据能量守恒原理。设茕一个与外部 绝热的问壁式冷却器，分别将待测蒸汽与冷却水引入其中。如图2 - 3 所示的凝结 式蒸汽干度测量装置，在冷却器4 内，冷却水冷却待测蒸汽并使蒸汽降温相变为 凝结水，而冷却水被蒸汽加热后温度升高。在该装置中，热量表用于测量冷却水 在绝热冷却器内的吸热量；凝水温度计用于测量凝结水温度；质量计用于测量凝 结水量；干度显示器内置有处理芯片，存有计算所需参数，采集凝水温度计、质 量计、热量表的测量数据，从而计算出蒸汽干度。 通过测量t 时间内冷却水在冷却器内的吸热量q 、凝结水温t 和凝结水量m ， 依据绝热冷却器的能量平衡方程 q = m x h 矿+ 必( 1 一x ) 】一m h ( 2 1 ) 就能解出待测蒸汽的干度x 1 0 基于c 8 0 5 1 注汽式油j l ：十度测量装置的研究第二章蒸汽干度测量方法的研究 x ：垒竺 h 矿一h ( 2 - 2 ) 图2 - 3 凝结式蒸汽干度测量装置 1 节流阀2 质量计3 蒸汽取样管4 冷却器5 均衡仪6 凝水温度计 7 凝水管8 大量水9 冷却水输出管1 0 热量表1 1 冷却水入口 式( 2 2 ) 中h 为在凝结水温t 下的凝结水焓，和h w 分别为在待测蒸汽压 力下的干饱和蒸汽焓和饱和水焓。文献 1 9 对这一方法的原理给出了详细的介 绍。 2 1 3 人工化验法 人工化验方法是取锅炉中水和蒸汽汽水分离后的水样各1 0 毫升或2 0 毫升， 然后加化学试剂用稀硫酸对水样进行酸碱中和滴定。记下两个滴定所用耗酸量， 最后计算出干度。整个过程大概用时1 5 分钟左右。这样测量干度的方法一是滞 后时间较长，二是测量结果易受操作精细程度、操作熟练程度等人为因素的影响。 这样人工反复调整燃料、锅炉给水量( 锅炉排量) ，一般操作人员难以使锅炉在干 度稳定的状态下运行。化验方法通过对待测干度的蒸汽采样，在实验室化验水中 j 含盐量来确定蒸汽干度。化验方法是一种实验室检测方法，不适宜依此来制成工 程上的实时测量仪器。 2 2 光纤传感测量法 本文采用了一种新的蒸汽干度实时测量方法光纤传感测量法，即基于折 射率调制的干度测量方法。该光纤传感测量法的原理是苏州大学现代光学研究所 基于c 8 0 5 1 注汽式油j l ：干度测量装置的研究第二章蒸汽干度测量方法的研究 和苏州大学物理科学与技术学院有关老师所提出和研究的。该方法充分利用石英 光纤耐高温、抗干扰性好、能量衰耗小等特点。运用光纤传感技术研制的干度测 量装置，可以对干度实现直接、实时、在线的测量，结构简单可靠，体积小，准 确度高。测量装置能在油井高温、高压恶劣条件下独立工作。 2 。2 。1 光纤传感测量法的原理 利用折射率调制的原理可以得出传感器探头上流体的折射率变化，这是一种 直接测量汽、液比例的方法。光纤传感干度测量装置乜旷2 刘，采用光学折射率调制 的原理对蒸汽的两相流干度进行测量，利用折射率调制的干度测量方法的基本原 理如图2 - 4 所示。 汽夜两相流 图2 4 光纤传感测量干度的原理图 光学探头置于被测的蒸汽环境中，同时保持位置固定不变。探头上水蒸汽的 反射率与光学探头的折射率有关。当油井中湿蒸汽状态一定时( 干度值也一定) ， 通过光强不变的入射光，光学探头的折射率越大，经过探头在光学探头与蒸汽界 面的反射回来的反射光线的光强也越强，即经探头后入射光在水蒸汽界面的反射 率越大；同时干度值也影响水蒸汽的反射率的大小，选取一定的光学元件作光学 探头后，蒸汽中干饱和蒸汽的含量越高，即干度值越大，一定强度的入射光线经 探头后得到的反射光线的强度也越高，即表明反射率越高，反射光强越强。这是 由于入射光线经探头的端面后，部分反射，部分折射。界面折、反射的行为遵从 1 2 i o l l，o)i 1 0 l 0 j o i o 基于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装胃的研究 第二章蒸汽十度测量方法的研究 菲涅耳定律呛4 1 。光学传感探头与流体接触的界面上，根据菲涅耳定律，反射光中 垂直分量的反射率风 风2 丽s i n 2 ( i i _ i 2 ) ( 2 3 ) 式子( 2 - 3 ) 中的7 t ，2 2 分别为入射角和反射角。反射光中的平行分量为岛 所2 粼 协4 ， 在入射角和反射角都较小时，反射率为 一一( 焉) 25 ) 在光纤传感干度测量中，选取蓝宝石为光学材料。则公式( 2 5 ) 中朋2 为蓝 宝石的折射率，可取魄为1 7 6 ，玎- 为油井中蒸汽的折射率。若取水的折射率为 1 3 3 ，干饱和蒸汽的折射率为l ，则计算出水的反射率约为0 0 2 ，汽的反射率约 为0 0 7 6 ，两者之间具有明显的差别。 2 2 2 光纤传感测量法的模型 实际的两相流中，流型非常复杂，而且随时会发生变化。为了推导出于度值 与折射率的关系，需建立理论模型。该光纤传感测量法的数学模型为苏州大学现 代光学研究所和苏州大学物理科学与技术学院有关老师所提出和研究的，其内容 如下。 在高温高压下，著蒸汽中的小水滴或小汽泡的尺寸跟传感探头的尺寸差不多 大小时，对传感探头而言，这些小水滴或小汽泡如同大尺寸的水柱或气柱流过界 面。因此这些大的水柱或气柱会引起折射率产生阶梯形的明显响应。但实际上光 学传感探头的尺寸有时会远大于小水滴或小汽泡的尺寸，可以考虑把探头划分为 n 个有限的小块，每个小块的面积都与最小的小水滴或小汽泡的尺寸相当。假定 干蒸汽占有其中的m 个小块，水滴则占据了其中的n m 个小块，那么探头上水蒸 汽的反射率r 可写为 肛m r 掣，+ ( 1 一等， ( 2 _ 6 ) 基于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装置的研究第一二章蒸汽千度测量方法的研究 其中尺掣是蒸汽的反射率，尺删。是水的反射率。根据( 2 5 ) 式表示为 rw口船，=(瓦rlsapphire-rlwater2 ( 2 7 ， l 以蜊枷+ 以w 咖jr 9 7 、 尺一i n s a p p h i r e - - r l v a p o r1 2 。2 8 ， 2 r9 一贴 公式中的刀和刀一分别是水和蒸汽的折射率。出于是实时、连续的采样， 可以认为在有限的时间内水蒸汽是均匀的，即水蒸汽在探头上方每一层的汽、水 面分布概率是相同的，则干蒸汽与水蒸汽的体积比x v 可以写为 x = 丝= 垒二墨巡 v n r v 眵o r r w 4 f o r ( 2 - 9 ) x = 7 二_ 弋一 “，+ ( 1 一x 。归w 砌 ( 2 1 0 ) 蠢p w 盘时 p v 啦r ( 2 - 1 1 ) 公式中a 魄，和p 岬，分别是水和蒸汽的密度，忍w a r e ，和刀v a p o r 分别是水和蒸汽 的折射率，文献 1 8 给出了详细的公式推导过程。这些参量与温度和压力有关， 可由专门研究水和蒸汽特性的国际组织t h ei n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o nf o r t h ep r o p e r t i e so fw a t e ra n ds y s t e m ( i a p w s ) 提供的公式乜扣2 引。由此可见，只 要测得水蒸汽的反射率r 和相应的温度和压力，就可由公式( 2 - 11 ) 求出水蒸汽的 干度石。 1 4 基于c 8 0 5 1 注汽式油j l ：十度测量装置的研究第三章蒸汽干度测量装置的硬件实现 第三章蒸汽干度测量装置的硬件实现 3 1 系统设计要求 要保证测量装置能够安全可靠的工作，系统的设计一定要满足一定的要求， 具体设计要求如下： 1 设备工作环境 油井的空间狭小，注入的蒸汽的温度和压强分别在3 0 0 c ，i o o m p a 左右，油 井参数测量装置外形长约2 m ，外径咖3 6 m m 的不锈钢圆柱体。干度测量装置在高 温高压狭窄的油井这样恶劣条件下工作，必须满足一系列的技术要求，首先必须 满足结构紧凑合理、体积小、快速测量、低功耗、高可靠性等要求，其次，选择 的材料必须满足耐高温、耐压、防腐蚀防泄漏等要求。这些条件中关键性的技术 就是干度传感器的研制技术和采样控制技术，前者包括干度的光学调制与信号传 递模式、干度传感探头和传感光纤瞳7 3 的研制技术及干度传感探头的高温高压封装 技术等，后者包括弱信号、高阻抗信号的处理技术降噪声、抗干扰、稳定性。 2 干度测量装置设计指标 干度范围：o 一1 0 0 ， 蒸汽温度( 外部) ：0 3 0 0 ，精度：1 设备内部温度： 0 7 0 ， 精度：o 5 工作压力上限：2 0 m p a ， 精度：0 0 1 m p a 设备电源：d c 3 v ，2 节干电池供电 连续工作时间： 5 小时 数据保存容量：4 0 0 0 点测量数据( 6 4 k 字节) ，采样间隔时间可调 p c b 板尺寸： 1 4 0 1 6 r a m 温度传感器乜引：热电偶 压力传感器：膜片式压力传感器 3 测量参数 目前需要测量装置直接测量的模拟量有4 个，即内外温度、压力和干度。其 中光学干度信号和膜片压力信号是高阻抗、微弱电流信号，必须采用特殊的电流 放大处理，将各个微弱模拟量信号进行放大处理。这是一个高精度、多输入量系 基于c 8 0 5 1 注汽式油井干度测量装置的研究 第三章蒸汽干度测量装置的硬件实现 统，采用多通道测量输入的结构，利用控制线进行信号i 、日j 的通道切换，启动和控 制。采用1 2 位的a d 转换器以保证信号测量精度。 4 存储器 出于需要测量的蒸汽参数较多，测量装置在井下每隔一个固定时间就要对参 数进行采集，往往需要连续工作数个小时，而且控制器需要测量记录、处理大量 的参数，状态数据，按照4 0 0 0 个测点计算，包括设定参数的存储，共需要6 4 k b 的容量。因此系统需要配置一个大容量存储数据存储器；并且要考虑到严格的空 间限制、功耗和掉电数据保存等方面的因数。 5 通信接口 仪器工作前需进行参数设定，测量完需将数据回放至笔记本电脑。为适应油 田野外操作环境的需要，无线通讯是首选方案。在目前蓝牙技术和8 0 2 1 l ( w i - f i ) 无法突破价格瓶颈的情况下，采用较廉价且安装灵活的无线收发模块。 具有较少的外围元件，直接数据输入输出，通讯距离1 0 0 米以内即可。 6 电源管理系统 测井装置工作电源由两节电池提供，既要考虑因电池电压下降造成工作电压 不稳定，又要考虑电池工作寿命，采用升压型的充电泵电路，当输入电压在2 0 v 川0 v 之间变化时，保证输出电压稳定在5 o v ，并让单片机工作在低功耗状态 下，在等待期间切断其他非工作状态电路的电源。 3 2 系统构成 针对上述提出的要求，设计的测量装置外形长约2 m ，外径咖3 6 r a m 的不锈钢 圆柱体，扣除各类传感器、隔热层等必要部件的安装位置后，电路部分的面积只有 长1 4 0 r a m ，宽1 5 r a m 。整个测试仪的特点是方便拆装，各个传感器件中的传感节密 封可靠。金属绝热管内将电路部分、回放部分、工作电源等密封在里面，内部采 用了隔热套管。仪器的结构材料合理选择了耐高温、耐腐蚀、绝缘等不同的材料。 图3 - 1 为干度测量装置外形图。 1 6 基十c 8 0 5 1 注汽式油井十度测量装置的研究第三章蒸汽干度测量装置的硬件实现 图3 1 干厦测量装置外形图