油气水三相流产出剖面光纤持气率计的设计与理论研究.docx

1、Vol.12No.14May2012©2012Sci.Tech.Engrg.油气水三相流产出剖面光纤持气率计的设计与理论研究牟海维王爱双张坤刘超(东北石油大学电子科学学院，大庆163318)摘要采用手工研磨的方法制作双奸锥形结构光纤探头，通过硬件电路实现用于浊气水三相流持久率测量的光奸探针传感器的设计。室内实验结果表明，双奸结构的光纤探针持气率计具有光路简单、易于检测、稳定性好等优点。关健词应用光学电子学油气水三相流光纤探针持气率中图法分类号TN253TP212.14；文献标志码A油田产出剖面测井是监测油气田开发动态的主要技术手段，可为评价油气藏开发动态提供更要的数据信息。目前，随着

2、国内老油田开发的不断深化，油井内多相流体的流动状态发生了重要变化，高含水或特高含水、油气水三相流问题H益突出。因此，开展油气水三相流产出剖面持气率参数测试技术和测信工艺的研究,、对于正确评价油藏储量以及研究三相流流型特征具有重要的现实应用价值和理论意义"。目前，国内外发展了多种测量持气率的方法，如:快关阀门法、电导探针法、电容法、射线法、超声波法、高速摄影法等但这些方法本身各有各的局限性和一定的针对性。由于持气率与多相流的流型、井内压力、流体流速和流动方向等密切相关，目前理论计算模型还有较大的局限性。通过实验测量是确定持气率的主要方法，也是研究油气水三相流动的重要手段。光纤传感探针因

3、其具有损耗低、频带宽、线径细、重最轻、不导电、抗电磁干扰、耐腐蚀、去湿效果2012年3月5日收到国家科技重大专项课鹿项目(2011ZX05020-006)、国家门然科学基金项H(51101027)、黑龙江省留学归国科学基金项目(LC2OO9C11)、黑龙江省高校讶年学术骨干支持项目(1251G004)、黑龙江省教育厅科技项目(12511004)资助第一作者简介：牟海维(1963一)，男，黑龙江绥化人，教授，硕土，研究方向:传感测试技术和信息处理。E-mail:mhwmzh©。好、灵敏度高、数据处理方便等诸多优点，在井下油气水三相流产液剖面持气率测航方面极具开发潜力!6，01o本文根据

4、油气水三相流各相折射率的不同，设计制作了双光纤锥形光纤探针传感器，通过硬件电路控制和室内试验验证了光纤持气率探针应用的可行性。1光纤传感原理光纤持气率计的设计是基于光在折射率不同的液相和气相中是否发生全反射的原理制成的。由于油相的折射率是1.5,水相的折射率约为1.35,而气相的折射率是1。本文设计的光纤持气率探针是采用手工研磨的方法将2根光纤的端面磨制成一个倾角，然后背靠背粘贴在一起而制成的，其结构如图1所示。当探针头处于油水液相环境中时，不会发生全反射，在出射端检测到的光功率很小，近似为低电平；而当探针头处于气休中，会发生全反射，在出射端检测到的光功率值很大，近似为高电平。因此，可由出射光

5、电平信号的高低判读是否为液相或气相。根据三相流的流动速度可知，高电平的时间为七，是气体通过的时间；低电平的时间为L是液体通过的时间；则三相流中气体含量则可由/(七+，)得出，即可测得油气水三相流的持气率。本文所设计的由两根光纤构成的持气率探针头的角度是一个重要指标。光在光纤纤芯和探针探M头端面传输原理示意图示于图2中。根据光的折射定律：nosino=几Sin%(1)棱镜角度B与侃的关系为：e0=90°-3/2(2)当S=90°时，匕=%=n0cos(/?/2),要区分液相和气相，需满足：七<七<%,式中七、勺分别为气相和液相的折射率，因此锥形光纤探针的角度需满足

6、：2arccos(nz/n0)<Q<2arccos(nf/n0)(3)空气折射率为1.0,室温下水的折射率约为1.35,所使用的油的折射率为1.5,制作光纤探针所用的光导纤维的折射率为1.62,因此根据式(3)可得制作光纤探针的角度应满足69.5°</?<103.5°0因此本文的单根光纤探针角度磨成45°,则光纤探针整体锥角为90°(，o这样的结构设计使得出射的激光与人射光经两根光纤分开传输，因此不用耦合器、分光镜或分路器，光路结构要简单得多。且这种结构光强损失相对要少,能更好的检测光功率。图2光纤探针原理示意图2光纤传感探针持气

7、率计的硬件实现2.1传感器电路设计传感器电路分为两部分：驱动电路及检测电路。传感器电路系统框图如图3所示。本文的光源采用的是波长为650nm的半导体激光器，因此用USB转串口的3.3V电压即可供电驱动激光光源发光，该光源稳定性好，相对于普通图3光纤探针传感器电路系统框图的半导体光源，省去了自动功率控制电路，简单可靠。光电检测器件采用的是光电池,光电池具有灵敏度高、响应速度快、易与集成电路相匹配、体积小、重量轻、长寿命、高可靠性等优点。该光电池能检测的峰值波长为880nm,能检测本文所采用的激2.2传感特性分析传感器测试结果如表1所示：当传感器的光电检测器件处于自然光下时得到的输出电压数据,与用

8、激光照射光电检测器件时得到的输出电压数据对比可知，光纤探针传感器能在线实时检测光功率,传感器的灵敏度及稳定性都很好。传感器测嫉蜻果对比表格自然光/mV254254259259254254祗3563563幻3563563513结论本文采用手工研磨的方法制作了双光纤锥形光纤持气率探针传感器，通过驱动电路和检测电路实现了对油气水三相流气相和液相的识别。本传感器探针具有角度易于控制，光路简单，稳定性好,灵敏度高等优点，可用于油气水三相流持气率的测量和检测。第文献1李海青，乔贺堂.多相流检调技术进展.北京：石油工业出版社，1991(下转第3376页)7顾则全，廖福成，刘贺平不确定广义系统的保性能控制：L

9、MI方法.北京科技大学学报：2006；28(1)：93-95GuaranteedCostControlforNonlinearUncertainSingularSystemsRUANWan-qing(SchoolofScience,HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150027,P.R.China).AbstractGuaranteedcostcontrolfornonlinearuncertainsingularsystemsisdiscussed.Theaimistodesignanewguaranteedcostcontr

10、oller.ThentheconditionsforexistenceofguaranteedcostcontrollerbyLMIapproachandLyapunovstabilityaregiven.ItinvoidsthemethodofsolvingthesolutionsofRiccatiequations.Finally,itgivesthemethodofguaranteedcostcontrollerbyuseofthefeasiblesolutionoflinearmatrixinequality.Keywordssingularsystemnonlinearguarant

11、eedcostcontrolLMIapproachLyapunovstability(上接第3364页)2郭烈锦.两相与多相流动力学.西安：西安交通大学出版社，20023 WiUiamsJ,金英.多相流计量研究的现状.国外油田工程，1997；6：39-42LeCorreJMtHervicuE,IshiiM.Benchmarkingandimprovementsofmeasurementtechniqueaforlocal-time-averagetwo-phaseflowpa-rametere.ExperimentsinFluids,2003；35(5)：448584 FrancoisF,Ga

12、mierJ9CubizollesG.Anewdataacquisitionsystemforbinaryrandomsignalapplicationinmultiphaseflowmeasurement.MeasurementScienceandTechnology,2003；14：9299426乔学光，贸振安,付海威，等.油气测井分布式光纤光播智能传感网络系统研究.中国石油天然气集团公司测井重点实验室第三径学术会议论文集.北京:石油工业出版社,2004；101-1077周芳德，陈学俊.陈宣政.油气水三相流截面相份额光纤探针/电导探针纹合测最技术.西安交通大学学报,1995,29(8)：32

13、368 ShuEY,BrownDM,PctniccoLJ.Fiberopticsensorsforgasturbinecontrol：US,6,599,028.20030729WiMonCR,GyslingDL,MyersMR.FiberopticpressuresensorforCCpressureandtemperature,US,6,351,987.200203059 HolmesA.Continuous-phasefluidvelocitymeasurementforoilfieldflowsusinglocalopticalprobeandtracingmethod.SPIE,200

14、0;4202：172111郭学涛，孔令富,张运生，等.基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪.电子技术,2010;2：68-70DesignandTheoreticalResearchofanOpticalFiberGasHold-upSensorfortheOil-gas-waterThree-phaseFlowinProductionProfileMUHai-wei,WANGAi-shuang,ZHANGKun,LIUChao(SchoolofElectronicScience,NoithcastPetroleumUniversity,Daqing163318,P.R.China)Abstract：Anopticalfiberprobesensorwithdouble-fiberstructurehasbeenmadbyusinghandmillingmethod.Thegashold-upsensorsystembasedonopticalfiberwasdesignedbyhardwarecircuitfortheapplicationofgashold-upmeasurementinoil-gas-w