基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪

1、- -基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪摘 要针对测井过程中油气水三相流的含气率的测量问题,本文讨论了用十测量含气率的集流型光纤探针测井仪器； 第一设计了测井仪器的系统, 并对光纤探针法测含 气率原理做了分析, 其次确定了光纤探针测量含气率的最优探头角度,最终设计 了光纤探针传感器驱动电路；关键词：光纤传感器；油气水三相流；测井仪器；持气率 Abstract: Aiming at the problem of void fraction logging in oil-gas-water three-phase flow, A logging equipment for void frac

2、tion measurement based on optical fiber sensor is researched. First, the system of the logging equipment is designed and the principle of optical fiber sensor for void fraction sensing is analyzed; Second, the optimal angle of the fiber probe is determined; At last, the drive circuit for the optical

3、 fiber sensor is designed. Key words: optical fiber sensor; oil-gas-water three-phase flow; logging equipment; void fraction 0 引言 油气水三相流中的含气率是指流体中气相所占的比例,是多相流体流淌的重 要参数；由十该参数与流型、压力、流速和流淌方向等亲密相关,目前理论运算 模型仍有较大的局限性, 试验测量是讨论含气率的主要手段,也是讨论油气水三 相流淌的重要手段；国内外开展了多种测量含气率的方法,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

4、这些方法本身各有各 的局限性和肯定的针对性；利用光纤探针进展油气水三相流局部含气率的测量,是一种较为先进的测量手段,具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、不导电、抗电磁干扰、耐腐蚀、去湿成效好、灵敏度高、数据处理便利等诸多优 点,足以满意油井井下油气水三相流体实际测量的需要 1,2；1 基于光纤传感器的持气率测量系统 随着我国各大油田纷纷进入中晚期开发阶段,多数油井由自喷转向机械采 油；依据抽油机井土艺要求, 测井仪器只能通过油管和套管之间的环形空间进入 需要测试的目的产层, 此时一要求仪器的最大外径不能超过 28mm；依据该要求,设计了集流型光纤探针持气率测量仪,主要由伞式集流器、 光纤探针传

5、感器及装有传感器驱动电路的电路筒组成,构造如图 1 所示；油井套管内径为 125mm,而传感器内径仅为 20mm,假如不使用集流器,仅有少量的油气水三相流体从电- word.zl- -导传感器内部流过, 传感器内的流体会趋十静止, 此时一持气率测量的结果不具有代表性； 为了增大传感器内部流过流体的流量,通常采纳集流的测量方式, 即在光纤探针传感器底部安装伞式集流器；当测井仪器位十指定测点后, 使集流器张开,以封堵套管和测井仪器之间流体的流淌通道,经光纤传感器,并经上出液口重新流回井筒；迫使流体全部或绝大局部流图 1 集流型光纤探针持气率测量仪 2 光纤探针持气率测量原理 光纤探针法的测量原理基

6、十气相和液相对光的折别率不同,如图 2 所示,当 光纤探针与气相接触时一, 入射光在棱镜上发生全反射, 经反射光纤投射到光电 转换器上, 光电转换器输出高电平； 当光纤探针和水或油相接触时一,入射光在 棱镜上被折射出去, 无足够强度的光投射到光电转换器上,光电转换器输出低电平；随着油气水三相流体交替流过光纤探针,光电转换器输出随时一间连续变化的电压信号,将此信号经过处理, 便可得到光纤探针所在位置的局部截面含气率；图 2 光纤探针的测量原理以i表示探针头曲面上任一点 r , , z 处的入射光, 当油气水三相流交替流过探针时,点 r , , z 处的瞬时局部含气率 t , r , , z 为：

7、（,t r , , z） ,1 V（,t r , , z）V g 点（r , , z）为气相0 , V（,t r , , z）V l 点（r , , z）为液相 1 油气水三相流是一种非定常流淌,因此 t , r , , z 将随时一间而发生变化；试验说明,油气水三相流一般具有平稳随机特性,有：- word.zl- -T lim1tTt（,tr,r,z）r,z 2 TT式中, T 为积分时一间长度,z为平均局部含气率；定义瞬时一截面含气率和平均截面含气率分别为：Az lim T1ttTAz ,Az ,t12R2,r,z,t rddr3 R00tdt4 T式中, R 为管道半径；由式可得：Az

8、1R2,r,z, rddr5 2 R00对于油气水三相管道流淌, 瞬时容积含气率Vt和平均容积含气率V 可分别定义为：Vt1LAz ,t dz6 L0Vlim T1tTVt dt7 tT式中, L 为管道长度；由式可得：V1LAz dz8 L0假设在管长区问 0,L,气体沿流淌方向的体积膨胀可以忽视,因此,工程上 一般认为平均容积含气率与平均截面含气率等价,可得：V12R2,r,z,rddr9 R00此式说明,米用光纷探针法测量管道内油气水三相流的截面含气率是可行的 3,4；3光纤探头构造设计在光纤的一端熔接一具有适当角度的光学棱镜,并套上套管, 就构成了一根光纤探针； 单光纤探头有一根光纤,

9、 入射光和反射光均用同一根光纤,采纳分光 镜或分路器来检测反射光； 单纤探针头部尺寸小, 简洁刺破气泡, 且能够检测较 小的气泡,对流场干扰小, 动态响应才能好； 本文选用单芯锥形探针测量含气率；单芯锥形探针的构造如图 3 所示,一单位面积光强度为 i 、总光强度为 I 的平行- word.zl- -光束 I 入射到探针头的锥面上,n 为入射角,f 为折射角,n 为探针头部棱镜的折射率,n 为被测介质的折射率；为光纤探针棱镜的角度,该角度是一个非常重要的指标, 它的大小打算着能否将气相和液相区分开来,其确定主要取决于棱镜的折射率 n 和被测介质的折射率 n ；a与液相接触 b与气相接触图 3

10、单光纤探针测量原理图依据光的折射定律有：n f sin f n 0sin 010光线入射角 0与棱镜角度 的关系为：0 90-/ 211明显,区分气相和液相的临界折射角 fr 90,此时入射光线在棱镜中发生全反射的临界折射率 fr 为：fr n 0 cos / 2 12要区分气相和液相,fr 必需满意：n g n fr n l13式中,n 和 ln分别为气相和液相的折射率,单芯光纤探针棱镜角度 须满意 5：2 arccos n l / n 0 2 arccos n g / n 0 14标准条件下空气的折射率 n g 1 . 000,油的折射率 n 0 1 . 48 .1 50,水的折射率 n

11、w 1 . 333,取 n l n w 1 . 333；光纤探针棱镜选用折射率为 1. 76的蓝宝石材料,依据式 14,光纤探针棱镜的角度 应满意：81 5. 110 . 8；因此,对光纤探针蓝宝石棱镜而言,将其角度确定为临界折射率 n fr 1 . 24；此时：90 是一个相宜的挑选；此时它对应的故n g.1000nfr.1333n l1590 的蓝宝石棱镜可有效识别气相和液相；word.zl- - -4 驱动电路设计光纤传感系统中, 将光波作为载波, 在输入端使用光源将电信号转换为光信号,在输出端使用光电检测器件将光信号转变成电信号；本系统光纤探针传感器驱动电路主要包括光发射模块和光接收模

12、块；光发射模块的主要组成局部是 LED 发光管、光源驱动电路和白动功率掌握电路；光接收模块的主要组成局部 是光探测器和光电检测电路；图 4 光纤探钊传感器驱动电路框图 4. 1光源及光发射模块 光纤传感系统中, 将电信号转换成光信号是由光源及以之为主体的光发射模 块来完成的； 半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源,主要特点是 体积小、重量轻、牢靠性高、使用寿命长、亮度高、供电电源简洁等；且它与光 纤简洁祸合； 经过综合考虑, 由于油井井下工作环境温度变化较大,所以系统选 择红外 LED 作为光源；图 5 为 LED 恒功率白动掌握电路；图 5 LED 自动功率掌握电路4. 2光探测器

13、及光接收模块 在光纤传感器中, 光探测器是光探测接收模块的根底,它的灵敏度、 带宽等 特性参数直接影响光纤传感器的总体性能；本文选用光电探测器探测反射光强 度；- word.zl- -光电检测电路如图6 所示；PIN 光电二极管将反射光转换成电信号,受光照时间电管依据光强变化转换成电流的变化；IC 1 构成 I/V 变换器, IC2 为电压放大器；由于反射光强太小, IC 1 输出电压信号幅度很小,因此需要用 IC2 进展二级放大； IC2 后接一个低通 RC 滤波,以滤除噪声等不需要的高频重量；图 6 光电检测电路5 结论针对油气水三相流的含气率的测量问题,本文设计了集流型光纤探针含气率测井

14、仪器, 对光纤探针测量含气率的可行性做了分析,并且设计了光纤传感器测量含气率的最优探头角度和驱动电路,含气率；试验说明此系统可有效测量油气水三相流- word.zl- -参考文献：1 王晓晶,班群 .硅太阳电池材料的讨论进展J.能源工程, 2022 4:28-31. 2 严仰光 .双向直流变换器 M.：江苏科技技术出版社, 2022. 3 陈坚 .电力电子学：电力电子变换和掌握技术M.：高等训练出版社, 2022. 4 Arab HA,Driss BA,Amimeur R.Phorovoltaic system sizing for AlgeriaJ.Solar Energy,1995,542:99-104. 5 李 玲 ,谢 建, 杨祚 宝 .光 伏 系统 最 大功 率 点跟 踪 方法 J.可再 生 能源 ,20224:85-87. 6 王长贵,王斯成 .太阳能光伏发电有用技术 M.：化学工业出版社, 2022. 7 吴守箴,臧英杰 .电气传动的脉