光纖持氣率計(jì)在氣／水兩相流中響應(yīng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究＊

牟海維，劉文嘉，孔令富，李英偉，劉 超，劉興斌

（1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.燕山大學(xué) 信息學(xué)院，河北 秦皇島 066004；3.大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163453）

引 言

大慶油田和國(guó)內(nèi)多數(shù)陸相沉積油田的生產(chǎn)井具有產(chǎn)層多、產(chǎn)量低的特點(diǎn)。隨著油田開發(fā)進(jìn)入高含水后期，大量油井開采過程中均伴有氣體的產(chǎn)生，因其特殊的物理性質(zhì)，故導(dǎo)致渦輪流量和含水率測(cè)量精度的降低?，F(xiàn)有確定井下油／氣／水三相流產(chǎn)出剖面流量和含水率的方法主要是通過測(cè)量三相流總流量、持水率、持氣率以及流體密度等參數(shù)，并結(jié)合溫度、壓力及油／氣／水的物性參數(shù)確定油／氣／水的分相流量。因此，持氣率是三相流流量測(cè)量中的重要參數(shù)之一，準(zhǔn)確測(cè)量持氣率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值［1－3］。

目前，測(cè)試兩相流或三相流中氣泡尺寸及含氣率的方法主要包括照相法、攝像—圖像處理法、雙電極導(dǎo)電探針法等［4－8］。但這些測(cè)試方法均存在一定的局限性，尤其是在氣泡尺寸變化范圍較寬、氣泡密度較大的場(chǎng)合，測(cè)試誤差較大。基于折射率調(diào)制型光纖傳感器對(duì)于油／氣、水／氣以及油／氣／水流體的折射率變化非常靈敏，動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍可達(dá)到全量程0%～100%，可高精度地測(cè)量介質(zhì)折射率的變化，并且由于其獨(dú)特的電絕緣性使光纖傳感器具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，在易燃易爆場(chǎng)合下本征安全性，以及快速響應(yīng)和耐腐蝕的特點(diǎn)，使光纖傳感器完全適用于井下的惡劣環(huán)境，近年來在油井產(chǎn)出剖面測(cè)量方面逐漸受到重視［9－12］。文中主要是針對(duì)氣／水兩相流在不同配比下進(jìn)行的三組實(shí)驗(yàn)，從而探索現(xiàn)有光纖持氣率計(jì)在氣／水兩相流下的響應(yīng)規(guī)律。

1 光纖持氣率計(jì)傳感探針測(cè)量原理

現(xiàn)對(duì)燕山大學(xué)信息學(xué)院研制的光纖持氣率計(jì)的氣液響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了研究，其傳感探針測(cè)量原理見圖1，該系統(tǒng)詳見文獻(xiàn)［12］。光纖探針法的測(cè)量原理基于氣相和液相對(duì)光的折射率不同，當(dāng)光纖探針與氣相接觸時(shí)，入射光在棱鏡上發(fā)生全反射，經(jīng)反射光纖投射到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器輸出高電平；當(dāng)光纖探針和水或油相接觸時(shí)，入射光在棱鏡上被折射出去，無足夠強(qiáng)度的光投射到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸出隨時(shí)間連續(xù)變化的電壓信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過處理，便可得到光纖探針?biāo)谖恢玫木植拷孛婧瑲饴省?/p>

圖1中傳感探針由棱錐形藍(lán)寶石探頭、入射光纖和出射光纖組成，入射光纖和出射光纖是采用熔接的方法與藍(lán)寶石結(jié)合的。當(dāng)將探針置于氣液環(huán)境（折射率為n1）中時(shí)，由于氣相和液相的折射率不同（氣體、水和油的折射率分別為1、1.35和1.5），入射光經(jīng)探頭返回的輸出光光強(qiáng)不同，故基于上述原理可計(jì)量持氣率。當(dāng)流體是氣體時(shí)，來自入射光纖的光波經(jīng)藍(lán)寶石探頭會(huì)發(fā)生全反射而有大量的光被反射回來，輸出較高光功率而顯示高電平；反之當(dāng)探頭接觸液相時(shí)，輸出信號(hào)幅值較低為低電平，故該系統(tǒng)具有二元性。

圖1 光纖探針測(cè)量原理圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber probes

2 實(shí) 驗(yàn)

圖2為大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司三相流實(shí)驗(yàn)基地的多相流標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要由貯液罐、壓力源、井架及穩(wěn)壓罐、管線、閘門、標(biāo)準(zhǔn)渦輪等部分組成，能夠模擬井下注入井和采出井的流動(dòng)狀態(tài)，形成油、氣、水和聚合物溶液多相管流，各相流體經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)表單相計(jì)量后，在井筒混合，形成多相流，流量的計(jì)量和采集實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。多相流實(shí)驗(yàn)裝置井筒外徑139.7mm，內(nèi)徑125mm，井筒高度13m。多相流實(shí)驗(yàn)裝置能提供的流量范圍及誤差分別為：水路流量在0.2～600m3／d，計(jì)量精度為±0.5%；氮?dú)饬髁糠秶?～2 000m3／d（多相流實(shí)驗(yàn)裝置筒處），計(jì)量精度達(dá)±3%。通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閘門可得到不同的、準(zhǔn)確的油流量、水流量和氣流量。

文中主要利用該裝置對(duì)燕山大學(xué)信息學(xué)院研制的光纖持氣率計(jì)的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究。實(shí)驗(yàn)對(duì)氣／水兩相流環(huán)境做了三組實(shí)驗(yàn)，分別為：（1）靜水環(huán)境下持氣率的測(cè)量；（2）水／氣總含量為80m3／d的環(huán)境下持氣率的測(cè)量；（3）氣量為10m3／d不同含水量環(huán)境下持氣率的測(cè)量。

圖2 多相流實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of multiphase flow experiment equipment

3 結(jié)果與討論

圖3 靜水環(huán)境下含氣量與持氣率關(guān)系曲線Fig.3 Curve of gas content versus gas holdup in static water

圖3示出了靜水環(huán)境下光纖持氣率探針的含氣量與持氣率關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)模擬井筒內(nèi)注入一定量的水，且沒過集流傘的出液口，氣量由9m3／d逐漸增加至50m3／d時(shí)，光纖探針的持氣率隨含氣量的增大而增大，二者基本呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，表明光纖持氣率計(jì)適用于靜水條件持氣率的測(cè)量。

圖4示出了水／氣兩相總含量為80m3／d時(shí)光纖持氣率探針的含氣量與持氣率關(guān)系曲線。從圖中可以清楚地看出，實(shí)測(cè)持氣率隨含氣量的增大而增大，而且呈良好的線性變化關(guān)系；而且，對(duì)比實(shí)測(cè)持氣率曲線和實(shí)驗(yàn)中的水／氣實(shí)際含量配比關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)水／氣總量為低于80m3／d時(shí)，實(shí)測(cè)持氣率和實(shí)際持氣率吻合較好。需要指出的是，實(shí)驗(yàn)設(shè)定的水／氣總含量上限為80m3／d是因?yàn)樗枚嘞嗔鳂?biāo)定裝置的集流傘所能承受的模擬井進(jìn)行最大含量為80m3／d；當(dāng)總量超過80m3／d時(shí)，集流傘就會(huì)向上串動(dòng)。

圖5示出了氣量為10m3／d時(shí)不同含水量環(huán)境下的含水量與持氣率關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)固定含氣量為10m3／d，含水量由10m3／d以5m3／d為間隔逐漸增加到65m3／d時(shí)，光纖探針的持氣率隨含水量的增大而逐漸減小。對(duì)比實(shí)測(cè)持氣率和實(shí)際持氣率曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量低于35m3／d時(shí)，實(shí)測(cè)持氣率與實(shí)際持氣率相差較大；而當(dāng)含水量在35～65m3／d之間變化時(shí)，二者相差很小。

圖4 水／氣總含量為80m3／d時(shí)含氣量與持氣率關(guān)系曲線Fig.4 Curve of gas content versus gas holdup when total water／gas content is 80m3／d

圖5 氣量為10m3／d時(shí)不同含水量環(huán)境下含水量與持氣率關(guān)系曲線Fig.5 Curve of water content versus gas holdup under different water content when gas content is 10m3／d

4 結(jié) 論

利用大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司三相流實(shí)驗(yàn)基地的多相流標(biāo)定裝置對(duì)現(xiàn)有光纖持氣率探針的氣液兩相產(chǎn)出剖面持氣率的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，獲得主要結(jié)論如下：

（1）在靜水條件下（水流量為0），光纖持氣率計(jì)的持氣率對(duì)氣含量響應(yīng)基本呈線性變化規(guī)律；

（2）在氣／水總量為80m3／d時(shí)，氣／水不同配比的情況下，光纖持氣率計(jì)的持氣率對(duì)氣含量響應(yīng)呈線性規(guī)律，且實(shí)測(cè)持氣率與理論持氣率相吻合；

（3）當(dāng)氣／水總量低于45m3／d時(shí)，光纖持氣率計(jì)的持氣率對(duì)氣／水量響應(yīng)不呈線性規(guī)律，與實(shí)際持氣率有所偏差，總量越低偏差越大；當(dāng)氣／水總量大于45m3／d時(shí)，實(shí)測(cè)持氣率與實(shí)際持氣率吻合較好。

［1］ 李海青，喬賀堂.多相流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1991.

［2］ 郭烈錦.兩相與多相流動(dòng)力學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

［3］ 張麗娜，王小尚，張荷玲，等.新型油水兩相水平管流流型分類方法［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，25（10）：49－51.

［4］ 胡金海，劉興斌，張玉輝，等.用于井下油水兩相流測(cè)量的新型流量計(jì)［J］.測(cè)井技術(shù)，1999，23（4）：292－294.

［5］ ODDIE G，SHI H，DURLOFSKY L J，etal.Experimental study of two and three phase flows in large diameter inclined pipes［J］.InternationalJournalofMultiphaseFlow，2003，29（4）：527－558

［6］ WILLIAMS J，JIN Y.多相流計(jì)量研究的現(xiàn)狀［J］.國(guó)外油田工程，1997，13（6）：39－42.

［7］ BANKOFF S G.Structure of air－water bubbly flow in a vertical pipe［J］.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，1993，36（4）：1061－1072.

［8］ 童茂松，彭會(huì)忠，杜國(guó)同.油田測(cè)試中的光纖傳感技術(shù)［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2004，1（1）：14－18.

［9］ 惠戰(zhàn)強(qiáng).分布式光纖傳感器的原理及發(fā)展［J］.榆林學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，18（2）：46－48.

［10］ 劉 磊，周芳德.U型光導(dǎo)纖維探針對(duì)油／氣兩相流的測(cè)試［J］.石油煉制與化工，1994，25（3）：52－55.

［11］ 周芳德，陳學(xué)俊，陳宣政.油氣水三相流截面相份額光纖探針／電導(dǎo)探針組合測(cè)量技術(shù)［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，29（8）：32－36.

［12］ 郭學(xué)濤，孔令富，張運(yùn)生，等.基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測(cè)井儀［J］.電子技術(shù)，2010，37（2）：68－70.