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：r l 油玎光纤传感l 。j 芟删量仅原理分析技软件设计 摘鼗 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计 摘要 稠油开采技术中，高温注汽热力开采是一项较为成熟的方法。热采过程中注 入蒸汽干度的在线测量关系着能源的有效利崩和石油的产出率。由于流型的复杂 性和汽、液之间的相变，千度的测量非常困难。注汽过程中高温高压和狭小的空 间，使得干度在线测量成为石油开采行业中的世界性难题。现有的多种注汽干度 测量方法普遍存在着测量范围、测量准确度和实用性等方面的问题至今没有一 种方法能很好地适用于高温热采。 基于这一情况，本论文主要开展了如下研究内容： l 应用折射率调制原理测量干度方法，直接测出注汽油井中汽液相的比例， 通过密度的换算转换为千度值。这种方法具有抗干扰，连续，在线，测量范围广， 测值准确，对被测流体干扰小的特点。在初步的实际应用中，得到了注汽油井井 下高温高压蒸汽干度变化的连续响应值。 2 折射率调制原理测量注汽干度的方法涉及了光纤传感，微电子，自动控制， 光学设计和工程热力学等多门学科的内容，正确地建立数学模型是这种方法获得 成功的关键。通过对折射率调制和蒸汽热力学原理的分析，推导出了蒸汽干度和 已知参量之间的计算公式，并着重分析了折射率调割界面上反射率和干度之间的 关系，得出了折射率调制原理干度测量方法的应用范围。 3 ，基于折射率调制原理研制的干度测量仪分别经过实验室、蒸汽锅炉管道、 油田注汽井的测试试验，采集到了干度响应的数据，并通过对数据的分析，验证 了所提出数学模型的正确性。 4 干度测量仪软件的正确编制关系到仪器正常运转和数据的正确采集，软件 工作的困难在于测量仪需要在注汽油井下脱机工作，独立完成预定的测量任务。 经按照软件工程的规范分析和设计，该软件在实际应用中体现了折射率调制原理 干度测量方法的正确性和软件设计的合理性，同时也符合油田工程技术的要求。 关键词：注汽油井，光纤传感，干度测量，折射率调制 作者：李信江 指导老师：余景池研究员 梁培研究员 i 主汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计 a b s t r a c t p r i n c i p l ea n a l y s i sa n d s o f t w a r ed e s i g no fs t e a m q u a l i t y m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tb a s e do nf i b e r o p t i c s e n s o r a b s t r a c t t h ec y c l i cs t e a ms t i m u l a t i o ni st h em o s tp o p u l a rp r o c e s su s e di nt h ee x p l o i to f h e a v yo i l t h ee f f i c i e n c yo fe n e r g ys o u r c ea n d t h er e c o v e r yf a c t o ro f h e a v yo i lr e l a t e t oo n l i n em e a s u r e m e n to ft h es t e a m q u a l i t yi ns t e a mi n j e c t i o nw e l l t h em e a s u r e m e n t o ft h es t e a m q u a l i t yi sv e r y d i f f i c u l tb e c a u s es t e a m sp h a s e c h a n g ea n dc o m p l e x f l o w m o d e l t h eo n l i n em e a s u r e m e mo f t h es t e a m q u a l i t y i sad i f f i c u l tp r o b l e mo fw o r l di n p e t r o l e u mi n d u s t r y , b e c a u s eo fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r eo fs t e a ma n d n a r r o ws p a c eo fs t e a mi n j e c t i o nw e l l a l t h o u g ha l o to fm e t h o dc a nb eu s e dt o m e a s u r es t e a mq u a l i t yo fs t e a mi n j e c t i o nw e l l ，b u tt h em o s to ft h e s em e t h o d sh a v e s o m ep r o b l e m sw i t hm e a s u r e ds c o p ea n da c c u r a c y n o w a d a y st h e r ei sn os a t i s f i e d m e t h o dc a nb eu s e di nm e a s u r e m e n to f s t e a mi n j e c t i o nw e l l a c c o r d i n g t ot h i sc i r c u m s t a n c e ，m a i ns t u d yi nt h i sp a p e rs h o w sa sf o l l o w i n g ： 1 v a p o rw a t e r r a t i oc a r lb e d i r e c t l ym e a s u r e dt h r o u g h t h em e t h o do fs t e a mq u a l i t y m e a s u r e m e n tw h i c hi sb a s e do nr e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o np r i n c i p l e ，t h e ns t e a m q u a l i t yc a r lb eg o tb y s u b s t i t u t e dw i t hd e n s i t yo fs t e a ma n dw a t e r t h ea d v a n t a g e so f t h i sm e t h o da r ea n t i - j a m m i n g ，o n l i n ec o n t i n u o u s l ym e a s u r e m e n t ，诹d em e a s u r e m e n t s c o p e ，a c c u r a t em e a s u r e m e n tv a l u e ，a l m o s th a v e n oi n t e r f e r e n c et of l o w i nt h ea c t u a l a p p l i c a t i o n , s e q u e n t i a lr e s p o n s ev a l u eo fs t e a mq u a l i t y i sm e a s u r e du n d e rs t e a m i n j e c t i o nw e l lw i t hh i i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e 2t h em e t h o di sr e l a t e dt om a n yd i f f e r e n tt e c h n i q u e s ，s u c ha sf i b e ro p t i cs e n s o r , m i c r o - e l e c t r o n i e s ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，o p t i c a ld e s i g n ，t h e r m o d y n a m i c s e t c e s t a b l i s h i n go fc o r r e c tm a t h e m a t i c sm o d e li s m o s ti m p o r t a n tf o rm e t h o ds u c c e s s c a l c u l a t i o nf o r m u l ao fs t e a mq u a l i t ya n do t h e rp a r a m e t e r sw a sg o r e nt h r o u g h a n a l y s i so f p r i n c i p l e o f r e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o na n dt h e r m o d y n a m i c s b ya n a l y s i s ， t h e r e l a t i o n s h i po fr e f l e c t i o n i n d e xa n ds t e a mq u a l i t y , t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h e m e t h o do fr e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o nc a nb ew e l la d a p t e dt oa c t u a la p p l i e a t i o n c i r c a m s t a n e e so fs t e a mi n j e c t i o nw e l l f 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计a b s t r a c t 3 a ni n s t r u m e n tb a s e do nr e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o ni sd e v e l o p e df o rm e a s u r i n g s t e a m q u a l i t y a s e r i e so fr e s p o n s ev a l u eo fs t e a m q u a l i t y w e r e g a t h e r e db y e x p e r i m e n t so nl a b o r a t o r y , s t e a mp i p e l i n eo fb o i l e ra n ds t e a mi n j e c t i o nw e l l t h e m a t h e m a t i c sm o d e li s p r o v e dc o r r e c t l yb ya n a l y s i so f t h er e s p o n s ev a l u eo fs t e a m q u a l i t y 4 p r o g r a m m i n gs o f t w a r eo f t h ei n s t r u m e n ti sad i f f i c u l t yb e c a u s et h ei n s t r u m e n ti s o f f i i n ew o r ka n da c c o m p l i s h e ss c h e d u l e dm e a s u r e m e n tu n d e rs t e a mi n j e c t i o nw e l l s o t h e s t e a d i l yr u n n i n ga n da c c u r a t e l ym e a s u r i n go ft h e i n s t r u m e n ti s d e p e n d i n go n c o r r e c t l yp r o g r a m m i n g s o f t w a r eo ft h ei n s t r u m e n t a n a l y s i sa n dd e s i g n o ft h e s o f t w a r ei sa c c o r d i n gt ot h es t a n d a r do fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g i na c t u a la p p l i c a t i o no f t h es o f t w a r e ，t h er e s u l tc a nh ep o i n t e do u tt h a tt h et e c h n i c a lr e q u e s t so fe n g i n e e r i n g i n o i l f i e l da l ew e l lf o l l o w e db yt h em e t h o db a s e do nt h ep r i n c i p l eo f r e f r a c t i v ei n d e x m o d u l a t i o na n dt h ep r o g r a m k e y w o r d s ：s t e a mi n j e c t i o nw e l l ，f i b e ro p t i cs e n s o r , s t e a mq u a l i t ym e a s u r e m e n t ， r e f r a c t i v ei n d e xm o d u l a t i o n i i i w r i t t e nb yl i x i n j i a n g s u p e r v i s e db y r e s e a r c h e ry uj i n g c h i r e s e a r c h e r l i a n g p e i y 6 4 5 6 3 6 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。除文中已经注明弓 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，也彳i 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：! 扬叁i 至日期：塑! 生主翊望妇 学位论文使用授权声明 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。除在保密期内的保密论文 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 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 期： d 饵羽h 佴 期：丝望：! 兰f 洼汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计第章引苦 第一章引言 1 1 背景介绍n f 7 “1 石油在国民经济中举足轻重，不仅关系着国民生计，而且还是一种重要的战 略物资。面临易于开采的常规石油资源日趋紧张的形势，人们愈来愈重视稠油资 源的开发和利用。稠油是重要的油气资源，我国拥有丰富的稠油资源，分布，。泛。 已勘探的稠油特点是( 1 ) 油层埋藏深，一般在1 0 0 0 米左右：( 2 ) 粘度高，含胶 质沥青4 2 - - 5 4 ，用常规工艺无法开采，给生产井注入高温高压的蒸汽是稠 油开采的一种基本方法。6 0 年代至今，国内外先后采用过多种方法进行稠油矿 的开发，但目前注入高温高压的蒸汽是提高采收率的主要方法。热采的方法在中 国能够广泛应用的原因在于：( 1 ) 投资较少，开发效果好，采油速度较高，经济 效益好；( 2 ) 即使是深层油藏，热采工艺技术也是成熟配套的，商业性开发的油 藏深度已近2 0 0 0 米：( 3 ) 能适用于多种类型的油藏。注汽过程中的动态监测技 术以其特有的作用和效果，在热采工艺中占有重要地位，它能够帮助石油科技人 员及时了解热采过程中的各种动态参量，监测注汽质量，定性定量地了解井下各 油层的吸汽状况，判断注汽效果，做出技术和经济方面的评价，以便确定下一步 的工艺措施或进行注汽方案的调整。热采注汽油井的井下测量参量主要有注入蒸 汽的温度、压力、流量和干度，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。干度是每单位质量湿蒸汽中所含干蒸汽的质量，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。注蒸汽热采的方法中，保持一 定的干度可以提高采收率。 1 2 研究意义 稠油属高粘度的重质原油，粘度高，流动阻力大，原始条件下甚至完全不能 流动。油井注汽热采技术的核心是通过给油层加温，大幅度降低原油的粘度以减 少原油的渗流阻力，达到能够通过正常的抽吸手段进行开采的目的。注汽和开采 是轮流进行的，为了提高效率、节省投资，油田的蒸汽系统往往由一台锅炉集中 供汽，再利用输汽管网将蒸汽提供给各个需要注汽的油井。从锅炉中蒸汽的生产 到油井的注汽，整个供汽过程对干度的测量都有着迫切的需求。 虽然从提高注汽有效载热量的角度考虑，最好使用过热的蒸汽，但实际生产 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计第一章引言 中为了防止注汽锅炉结垢的危险，油田注汽一般采用干度不超过8 0 的湿蒸汽。 干度是油田注汽锅炉安全运行中的一个重要参数，也是影响稠油热采效果的一个 重要指标。长期以来，一直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，因此油田注 汽锅炉干度测量及控制的人为因数很大，不仅油田注汽锅炉的安全运行受到威 胁，而且影响稠油热采的效果。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。 由于一个锅炉可带多个注汽油井，热采工艺中的地面设施除了注汽锅炉外， 还有配汽和输汽的管网。只有科学合理地注汽才能提高原油的采收率。因为各个 采油井的地质条件和开采情况都不尽相同，需要的注汽量和干度也都不相同，这 个任务由配汽站来完成。注汽油井的远近不同，输汽管线的长度也不同，所以到 达各个注汽油井井口的干度衰减程度有所不同。为了保证各个注汽油井口的干度 值，配汽、输汽管网都存在对干度的测量需求。 从井口到井底的注汽干度变化是判断热损失和油层吸汽的一个重要参量，可 以帮助分析井下情况并且做出决策。如果测出了井口和井下沿线连续的干度分 布，就可以知道该井井筒的热损失，有超常情况就能及时引起注意。进入油层段 后的各个油层的干度实测值，表明了油层的吸汽状态，油田工程人员根据油井的 资料和经验，可以随时掌握注汽和生产的进程。 1 3 国内外现状阻乳”。朝 干度是汽液两相流特有的参量，不能像压力和温度那样直接测量。虽然在实 际应用中很重要，但由于双相流型的复杂性和汽液之问的相变，使得干度的测量 成为国际上一直没有很好解决的一个难题。 干度测量领域多年的研究导致了一些井下测量方法的问世，国外主要有放射 性法、差压法和孔板节流法等。放射法设备昂贵，使用复杂，而且存在对环境的 污染和多次测量时辐射积累对测值影响的问题。差压法由于对器件要求很高而在 实际工作中难以应用。国内的应用主要集中在节流法上。节流法根据孔板节流前 后的压力变化，通过热力学公式推出蒸汽的干度值。由于双相流中复杂的流型， 以及相间作用和相变，除了无法测量低干度外，节流法还因为对蒸汽状态产生较 大的干扰而影响到测值的准确性。至今，没有满意的干度在线测量方法。 注汽油拌光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计第一章引言 1 4 本文的内容简介 本文简要介绍目前已有的双相流干度测量方法，着重分析折射率调制干度测 量方法的原理，提出了数学计算模型，分析该原理在不同温度、干度卜- 的应用情 况。文中还对基于折射率调制测千度原理研制的注汽油井光纤传感干度测量仪的 实验数据进行分析，包括了实验室、蒸汽锅炉管道、注汽油井的测试数据，并介 绍了该测量仪的软件设计。 注汽油井光纤传感干度测敲仪原理分廿亍及软件设计 第二章干度测量方法 第二章干度测量方法 2 1 已有的干度测量方法 于度是汽液两相流特有的参量，不能像压力和温度那样直接测量。虽然干度 在实际应用中很重要，但由于双相流型的复杂性和汽、液之间的相变，使得干度 的测量成为国际上一直没有很好解决的一个难题。 通常把双相流的测量分为单参数和双参数测量【6 l ，单参数测量是指待测的两 个双相参数中的一个为已知，或可以用常规方法获得，另外一个则需用双相测量 方法测得；双参数测量是指两个双相参数都不能用常规方法获得，必须都用双相 方法测得。现有的双相流干度测量方法分类情况pj 如图l 所示。 图1 干度测量方法分类图 4 注汽油井光纤传感1 一度测量仪原理分析及软件设计第二章干度测量力法 2 1 1 单参数测量方法 2 1 1 1 热力学方法 热力学方法适用于单工质双相流干度很高的情况。其形式主要有：节流式干 度计、过热式干度计，凝结式干度计和蒸汽一空气温台式干度计等，这类测量法 均属抽汽取样法，对取样方式有很高的要求。 a 节流式干度计 被抽取的试样在工作段中被节流到某一较低的压力，使得节流后的蒸汽状态 点位于过热区。根据热力学原理，节流前后的焓值保持不变，即可按公式 x ：盟计算被测点的干度。式中，分别是对应于压力鼻时的饱和液的 焓及汽化热，f ，是对应于压力只时的焓。 为保证节流后的蒸汽为过热状态，节流法就不宜用来测定千度小于9 5 的蒸 汽。 b 过热式干度计 在过热式干度计中，被抽取的试样在工作段中用电加热到过热状态，测量加 热后的蒸汽压力只和温度f ：，确定2 点的状态及焓值f ：，根据能量方程计算出干 度。显然，在过热式干度计中，加热量q 和采样量m 也是待测参数，由于散热等 的影响，将会造成很大误差，修正工作是很复杂的。图2 是其工作原理图。 图2 过热式量热计工作原理图 1 一冷凝器：2 一冷凝水测量装置：3 一真空泵 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析段软件设计第二章干度测量方法 c 凝结式干度计 与过热式干度计相反，在凝结式干度计中，被抽取的试样不是被加热，而是 在凝结器中被冷凝成水。根据热力学原理及能量守衡方程可以计算出蒸汽的干 度。 图3 凝结式量热计工作原理图 在这种干度计中，抽汽量、冷却水量也是待测量，同样会给测量结果带来误 差，修正也是很麻烦的。图3 给出了凝结式量热计工作原理图。 d 蒸汽空气混合式干度计 蒸汽空气混合式干度计 1 5 a 6 的工作原理如下：被抽取的试样在混合室中 与外界引入的热空气在绝热条件下混合，使混合后的空气中水分含量尚未达到饱 和。根据质能守恒可以导出千度的表达式。在这种测量装置中己不需对流量进行 测量了，简化了测量装置，减少了误差。但为保证出口处空气中水分的含量未达 到饱和，送入的空气量必须很大，这一点又增加了设备的复杂性。图4 给出了这 种干度计的工作原理图。 3 图4 蒸汽一一空气混合式量热计的工作原理 1 一湿蒸汽入口：2 一空气入口；3 一混合气出口；4 一混合段 往汽油井兜纤传感干度捌量坟原理分析及软件设讨第二孽十度捌量方法 热力学方法是最早发展起来的汽液双相流干度的测量方法。虽然这类方法在 实际生产- 1 得到了一定程度的应用，但由于存在着一些难以克服的缺点，如采样 的代表性、对流体的干扰、温度的测量误差等，使测量精度难以保证。标定工作 也非常复杂，并且无论采用什么样的取样器，这些误差都难以避免，因而其发展 前景并不很乐观，一般只能用于对干度粗略估算的场合。而且很难实现在线测量， 应用很不方便。 21 12 示踪法与电导法 a 化学及放射性示踪法 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千度的测量，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r 添办l 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。 b 脉冲中子活化示踪技术 脉冲中子活化( p n a ) f 1 7 1 技术是一种非扰动、非放射性的示踪技术，不必取样， 消除了示踪法中添加物的混合及取样误差。其原理是这样的：被测流体在很强的 脉冲中子束照射下，产生活化的短半衰期放射性同位素。就蒸汽与水而言，被括 化的同位索是“。其半衰期为7 秒，衰变时放出6 2 m c v 的r 射线。 图5p n a 测量原理 7 塑! 塑业塑望羔焦壁士堕型茎些堕型兰! ! 堕垡生 兰：里 ! ：堡塑丝坐堡 图5 足p n a 技术在双相流测量中的示意图，其工作原理是这样的：脉冲- + l 子源照射被测流体，产生活化了的同位素，当该同位素与流体一起沿管子流动时， 其初始分布发生变化，在下游z 0 处的监视器则可记录卜这一变化。如果假设在 一个管段a z 内被活化物的分布是均匀的，示踪物的测量与管截面中的位置无关。 在充满水的相同的管子中每个脉冲的活化量为已知时，则由p n a 技术可测得各 相流速和截面含汽率。根据这些数据即可求出干度。除以卜- 的参数外，p n a 方 法还可测得更多的参数，如两相交换参数和流型分布等，适用范围很广，克服了 通常难以解决的许多难题。但由于操作复杂，造价昂贵等因素的影响，目前还不 能在生产中应_ h j 。 从上面的介绍可以看出，虽然这类方法比较简便实用，但通常的示踪法都需 采样测量，这使得测量精度受很大影响，而且难以实现在线测量。 c 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。其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，添加物可以是 被测流体中原有的，也可以是后加入的，但如果存在着象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。 2 1 1 3 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，如旋风分离 器、迂回通道、碰撞探头等。但是，多年应用的结果表明，分离很难进行得完全 彻底，特别是单工质双相流的分离更加困难。而且分离的效率受分离器的影响很 火，结果不稳定，精度也不很高。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。 蔓汽油非光纤传感干度捌最仪原理分析及软件设训 第二章干度测量方法 21 1 4 临界速度法 临界速度法i l6 | 利用了水和蒸汽混合物在流经一个音速喷嘴时存在一个临界 流速的现象，而临界流速是干度的函数。根据事先的标定可以确定临界流速与干 度的关系。在实测时，根据标定曲线，通过测量流速就可以得到干度。然而，实 验r 1 发现，临界流速对干度并不敏感，而对压力的变化却比较敏感，因而必须对 压力变化的影响进行修正。 临界速度法存在的主要问题是临界速度对干度的敏感性及对流动的阻力。敏 感性问题要由仔细的标定来解决。而阻力问题则限制r 这种方法的应用范围。一 般只能用在油井出口的油气计量、核泄露事故分析等对压力损失无要求的场合。 2 1 1 5 光学方法 图6 全散射法测量系统示意图 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定的研究。这一技术是基于光散射原理而发展起来的， 图6 给出了全散射法测量双相流干度的工作原理图【2 引。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i o ，经透镜组l i 和光阑b i 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，使得测量区后透射光的强度i 小于入射光强i o ， 利用光电系统分别测定入射和透射光强度，则= 者的比值i i 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。另夕 这种方法对使 用的环境要求较高。 9 s 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计第二鼋干度测量方法 2 1 16 与流量测量通用的方法 在单参数测量中，已知千度测量流量的方法大都可以反过来作为已知流量测 量干度的方法【l i 。如孔板、文丘里管、短管、涡轮流量计、椭圆齿轮流量计、靶 式流量计、梳形皮托管等。 2 1 1 7 其它方法 除上面提到的以外，还有许多双相流干度的测量方法被提出，如热平衡法， 热线法，离子交换法，气相滞止压力法，滞止温度法，音速法以及音速变化法等。 这些方法不是过于侧重学术研究方面，就是还不成熟，难以在实际生产中应用。 2 1 2 双参数测量方法 2 1 2 1 双孔板组合的双参数测量 采用这个方案的想法是利用双相流体通过孔板时，建立两个差压与流量和干 度之间的关系式来联立求解流量及干度。这种双参数法的测量误差较大，平均误 差3 0 ，最大可达1 0 0 ，而且要作专门的双相参数标定。 2 1 2 2 孔板与容积式流量计组合的双参数测量 这个方法是利用椭圆齿轮流量计测出汽、液混合物的总容积流量v ，用两相 流体经过孔板时建立的差压与流量和于度之间的关系式及总容积流量v 来确定 容积含汽率1 3 ，已知1 3 和v 后即可很容易地得到总流量及干度2 4 1 。实验系统布 置如图7 。 柱 图7空气一水两相试验台 1 一水泵：2 一涡轮流量计；3 一混合器；4 一椭圆齿轮流量计； 5 一孔板；6 一分离器；7 一空气压缩机；8 一转子流量计 1 0 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计 第二章干度测量方法 厢椭圆齿轮流量计与孔板组合进行汽水双参数的测量是可行的，结果在一定 的范围内令人满意，汽相均方根误差为2 ，9 ，液相为44 。存在的主要问题是 齿轮流量计的泄漏误差及太大的阻力损失，另外还要求汽相质量含量较小。 2 1 2 3 孔扳与均速管组合的双参数测量 这种方法是把孔板与均速管作串联布置，通过两个流量计的差压，建立流量 及干度的两个方程，联立解出这两个参数i l 】。由于均速管的阻力小，仅是孔板的 j 5 左右，因而有很好的实际应用价值。但均速管应用于双相流并不多见，因 而它的双相特性还有待进一步的研究，如开孔位置的影响，差压方程的形式等。 2 1 2 , 4 孔板与文丘里管组合的双参数测量 这个方法是利用孔板与文丘里管的串联布置，建立两个差压与流量和于度的 方程，在测得差压后，通过求解这两个方程，即可得到干度及流量。 上述的几种双参数方法在一定范围内具有实用价值，还有很多种双参数方法 被提出过，如相关法与密度计的组合【1 i ，y 射线法密度计与皮托管的组合及文丘 里管与涡轮流量计的组合等。但这些方法在于度铡量方而都有些间接的意味。 在汽液双相流干度测量上虽已作了大量研究工作，但由于流型的多样性和流 动的复杂性，还存在着许多问题未能解决，主要有： ( 1 ) 没有能广泛适用的方法； ( 2 ) 现有的取样方法不够精确： ( 3 ) i 业生产方面的测量方法很落后，难以适合要求； ( 4 ) 测量精度高，可连续在线测量的方法大都设备复杂，造价昂贵； ( 5 ) 新方法的开发并不多见。 可以说，至今，没有满意的干度在线测量方法。 光纤传感应用于油田测井工作是一种创新，本文采用光纤传感折射率调制方 法，对蒸汽干度的特性进行了研究。光纤传感折射率调制的方法，具有灵敏度高、 响应快的特点，对流动干扰小可以连续进行测量，直接得出两相流中汽液相的 比例，从而计算出干度值。 汽油井光玎传感干痊测景仪原理分析及软件设计第二章干度测量方法 2 2 基于折射率调制的干度测量方法 2 2 1 测量原理 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。光纤传感下度测量仪2 “2 2 1 采用光学折射率调制的 原理对蒸汽的两相流干度进行测景，图8 是测量原理图。 汽液两相流 然3 埘 图8折射率调制法测量干度的原理图 图8 中，对两相流折射率敏感的光学传感头置于汽液两相流中，光学传感头 的一端和流体接触。入射光线经界厩后，部分反射，部分折射。界面折、反射的 行为遵从菲涅耳定律。 光学传感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p 。： 风= 丽s i n 2 ( 嗣1 , - i a ) ( 1 ) 式中，i 是入射角，i 2 是折射角。平行分量的反射率p 。： 砟= 丽t g = ( i i - i a ) ( 2 ) 当入射角很小时，反射率可以简单表示为 ，邓一2 l 嚣j ( 3 ) 式中的t r l l 和n 2 分别为入射与出射方介质的折射率。 如设光学材料的折射率为i 7 6 ，因为水的折射率为1 3 3 ，汽的折射率为1 ，可以 堡塑塑! ! ：些堑堡壁堕型里堡堕些坌塑丝塾竺堡堡 笙三兰王堕型里查鲨 计算出水的反射率约为0 0 2 ，汽的反射率约为0 0 7 6 ，其间的差别是很明显的。 图9 不同折射率的相对输出响应示意圈 图9 为光学折射率调制方法的相对响应示意图。图中的横坐标是由小到大豹 折射率值，纵坐标是相对输出。根据式( 3 ) 和图9 的原理，折射率调制方法的 探测头对于均匀的流体会按照其折射率的大小给出随时间恒定的响应输出。 图10 探头随时间的响应 图1 0 给出了测量探头的输出响虚随时间变化的示意图。图中，横坐标是测 试的时间，纵坐标是探头的响应。空气和水的响应在图中分别为上下的两条水平 横线，表示了理想情况下测量头对单一折射率的响应不随时间变化。当探头外面 是空气和水交替流过时，理想情况下的响应应该是空气的响应和水的响应之间的 阶梯形曲线。考虑到探头面积有一定的大小和响应系统的时间迟豫，气、水交替 流过探头的响应曲线会偏离阶梯形，有如图l o 中所示的形状。实际的两相流中， 流型非常复杂，而且随时会发生变化。在高温高压下，水泡撕裂成非常小的微滴。 把光学传感头想像为如小水滴或小汽泡的尺寸一样大小时。则小水滴或小蒸汽泡 通过它上面时，如同大尺寸的气柱和水柱流经正常大小的探头一样，由于折射率 汴汽“l = i ，丸纤传感千j 堑测量仪原理分 亍及软件设计 第二章f ：度钡l 量方法 的变化会产生明显不同的阶梯形响应。实际上光学传感头的尺寸有时会远大于小 水滴或小汽泡的尺寸，但我们可以考虑把探头划分为n 个有限的小块，每个小块 的而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 月：丝r + ( 1 - 丝) 尺( 4 ) nv a p o rn w a t e r 、。 其中尺阳r 是珠蒸汽的反射率，r 。“把r 是水的反射率，它们可依据( 3 ) 式表 弧扩l i 门l l 一+ - - 罢l l 卜矿l i 锄n 。+ - - 詈1 1 2 【5 ) 公式中的n和h分别是水和蒸汽的折射率。 w a t e r v a p o r 由于是实时、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t ， j ：丝：! 二监丝 v nrr v a p o r w a t e r 干度工可以写为 ， p v a p o r 工= 一 x v p v 吣r 斗( 1 - x v 、p w n t e r 把公式( 5 ) ，( 6 ) 代入( 7 ) ： ，：垒! 翌竺： ! 工。xvpvapor+(12-xv)pwater。14 l，)pwater(1-xv)pwater 工v p v a p o r 1 + i r - i r w r a t e r r p m l p t o l r v q d o r w n i e r v 郇o r 1 4 p w n e e r p v a p o r 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设计第章卜度测量方法 p w u t e r p v a p o r ( 8 ) 公式巾p w a t e r 和p v a p o r 分别是水和蒸汽的密度，n w a l e ，和”v a p o r 分别是水和蒸 w | 。 ， 汽的折射率，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 rt 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【1 8 ”1 求得。因此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( 8 ) 求出水蒸汽的干度j 。 2 2 2 干度与反射率的关系 在上述公式推导中可以看到，反射率反映的是干蒸汽与水蒸汽的体积比，是 一个与干度直接相关的量。为了更进一步认识折射率调制原理测量干度的方法， 根据( 8 ) 式和i a p w s 提供的公式，计算不同温度下干度值和反射率的关系。 p i m p a 1 的 1 0 o 1 - ，k 图i 1 i a p w s i f 9 7 区域和公式图 图1 1 是i a p w s 提供的区域和公式图，图中按近似公式把水蒸汽状态划分为 5 个区，l 区为纯水区，2 区为纯汽区，3 区为汽水混合区，4 区是饱和线，5 区 为高温过热区。注汽油井实际所注高温高压蒸汽是在4 区，即饱和区。 引喜|倒嚣五栅w 翁i 咖一耋慨 注汽油井光纤传感干度测量仪原理分析及软件设讨 第二章干度测量方法 根据注汽油井实际所注高温高压蒸汽的具体情况，用i a p w s 提供的公式计 算反射率从0 0 4 到0 0 8 ，温度从3 5 0 k 到6 5 0 k 这一范围内饱和区的干度值，结 果示于图1 2 中。 图1 2 干度，温度和反射率图 从图1 2 中可以看到，干度与温度和反射率的关系比较复杂。为了便于分析， 对其按反射率温度方向和反射率干度方向投影。 图1 3 反射率与温度图 1 6 渡汽油井兜纤传感千艘捌晕仪原理分折及软件设计 第二章干凄溯鲢方法 图1 3 是反射率- 温度方向的投影图，为了习惯起见，以温度为横坐标，反射 率为纵坐标。从图中可以看到，温度低于4 0 0 k 时，各个干度值对应的反射率相 差非常小，很难分辨。温度在4 0 0 k 到4 7 5 k 之间时，只有干度值低于2 0 ，其 反射率才能被区分开来。温度在4 7 5 k 到5 5 0 k 之间时，根据反射率能分辨出低 于4 5 的干度值。温度在5 5 0 k 到6 4 0 k 之间时分辨能力比较高，较小的干度 值改变对应的反射率有较大的变化。温度高于6 4 0 k 时，因为趋向三相点，反射 率相差也比较小，较难分辨出对应的干度值。 岂 口 e 4 6 3 1 5 l 3 7 3 1 ， 。 r e f l e e l m l y 图1 4 千度与反射率图 图1 4 是反射率干度方向的投影图。从图中可以看到，在某一温度下，于度 值随着反射率的增大而增大。温度较高时，千度与反射率的曲线比较平缓，温度 较低时，干度与反射率的曲线比较陡峭。温度高于5 5 3 k 的曲线根据反射率的值 可很好的分辨出较高的千度，而温度在5 5 3 k 到4 6 3 k 之间的曲线只能分辨出较 低的干度，温度低于4 6 3 k 的曲线就很难由反射率的值确定其千度值。 综上所述，用折射率调制的原理来测量干度的方法有其应用范围的局限性， 但是注汽油井实际所注高温高压蒸汽恰好在这范围内。一般所注蒸汽温度都在 3 0 0 1 2 左右，大于5 5 0 k ，在油层段的温度也比较高。所以折射率调制原理适合高 温注汽油井的干度测量。 垦型! ：垄燮士堕型墨堡堕墨坌堑些竺生堡丛 堡竖兰型墨堡墼! ! ：丝生 第三章测量仪数据分析 3 1 测量仪简介 注汽油井光纤传感干度测量仪是基于上述折射率调制原理研制的，它由传感 器系统、电气系统、软件系统和机械结构部分组成，图1 5 为其原理框图。 图1 5光纤传感干度测量仪原理框图 传感器系统由干度传感器、压力传感器和温度传感器组成。其中干度传感器 的示意图如图1 6 所示，传导光纤将发光二极管( l e d ) 的辐射耦合后传导给蓝 宝石，蓝宝石和流体相接触，感知流体折射率的变化。反射回来的光线由另一条 光纤传导至光电二极管( p d )