基于藍(lán)寶石光纖探針的油氣水三相流含氣率測量方法

于莉娜，杜勝雪，李英偉，劉曉磊，張海明

（1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；

2.大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163100）

0 引 言

油氣水三相流參數(shù)測量是世界范圍內(nèi)油氣田動(dòng)態(tài)監(jiān)測中普遍存在及亟待解決的難題。油氣田開發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的重要途徑是通過對采油井和注水井內(nèi)三相流體流動(dòng)剖面進(jìn)行測量，并通過了解油井在產(chǎn)液或注水過程中井內(nèi)流體的特性與狀態(tài)對油井生產(chǎn)狀況和油層生產(chǎn)性質(zhì)作出評價(jià)，從而可進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)，提高原油采收率和產(chǎn)量，降低成本，尤為重要的是可預(yù)防生產(chǎn)過程中油管套管的損壞。對于油田測試而言，多相流流體的各相含率、流型等參數(shù)在各種工藝流程的檢測過程中都起著至關(guān)重要的作用［1］。

國內(nèi)外對兩相流相含率的測量研究較多，如有電容法、電導(dǎo)法、射線衰減法、微波法及差壓法等。這些方法大多利用氣液兩相的介電常數(shù)、對射線的衰減程度、對微波的吸收能力以及平均密度等參數(shù)的差異進(jìn)行測量［2－5］。光纖傳感器具有高精度、靈敏度好、耐腐蝕、輕巧、可工作于惡劣環(huán)境，集“傳”與“感”于一體，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)。近年來出現(xiàn)了利用光纖傳感技術(shù)測量多相流的研究。Masahiro Yamada等［6］提出一種新型光纖探針，可以在連續(xù)液相中同時(shí)測量CO2氣泡的弦長、速度、空 隙 率 和 局 部 濃 度。JiríVejrazka等［7］研 究了在泡狀流中光纖探針測量的準(zhǔn)確性。楊勝等［8］采用快關(guān)閥門法和光纖探針法對垂直上升圓管內(nèi)截面持氣率測量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。上述文獻(xiàn)多針對氣液或油氣兩相流進(jìn)行研究，而對于實(shí)時(shí)生產(chǎn)測井中油氣水三相流流體中含氣率測量的研究較少。

針對生產(chǎn)測井中油氣水三相流含氣率測量問題，本文采用集流型結(jié)構(gòu)方式和四光纖探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡單的藍(lán)寶石光纖探針含氣率測量儀，并在模擬井測試系統(tǒng)上驗(yàn)證了其試驗(yàn)效果?；谒{(lán)寶石的光纖探針陣列含氣率測量儀的實(shí)現(xiàn)為油氣水三相流的參數(shù)測量提供了一種新方法，從而為油氣水三相流的進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

1 光纖探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖探針法測量含氣率是基于全反射原理，利用氣相、液相介質(zhì)對光線的折射率不同，通過檢測反射光線強(qiáng)度變化測量多相流中氣相含率。當(dāng)光纖探針敏感探頭與氣相接觸時(shí)，入射光在敏感探頭處發(fā)生全反射，光探測器輸出高電平［見圖1（a）］；當(dāng)敏感探頭與液相接觸時(shí)，入射光在敏感探頭處大部分被折射出去，光探測器輸出低電平［見圖1（b）］。

圖1 光纖探針法測量示意圖

如圖1所示，設(shè)一單位面積光強(qiáng)度為iP、總強(qiáng)度為IP的平行光束I入射到敏感探頭的錐面上。其中θ0為入射角，θf為折射角，n0為敏感探頭折射率，nf為被測介質(zhì)折射率，β為敏感探頭頂端夾角。β作為一個(gè)十分重要的指標(biāo)，它的大小決定著能否將氣相、液相介質(zhì)區(qū)分開，β的合理取值主要取決于敏感探頭折射率n0和被測介質(zhì)的折射率nf。根據(jù)光的折射定律有

光線入射角θ0與敏感探頭頂端夾角β的關(guān)系為

顯然，區(qū)分氣相和液相的臨界折射角θfr＝90°，此時(shí)入射光線在敏感探頭處發(fā)生全反射的臨界折射率nfr為

要區(qū)分氣相和液相，nfr必須滿足

本文選擇折射率為1.76的具有高光學(xué)透射率、高耐磨性、耐熱沖擊、耐高溫、抗輻射、電絕緣及良好的機(jī)械性能的藍(lán)寶石材料制作錐形敏感探頭，敏感探頭頂端夾角β范圍為25°～35°，該設(shè)計(jì)可防止原油粘附在敏感探頭上。

本文設(shè)計(jì)的光纖探針主要由紅外光源、光探測器、光纖耦合器和藍(lán)寶石光纖探頭組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。針對油井井下高溫環(huán)境，所設(shè)計(jì)的光纖探針可在125℃高溫條件下工作。其中，光纖探針總長度約為20 cm，藍(lán)寶石光纖探頭和光纖耦合器被封裝于不銹鋼保護(hù)套管內(nèi)；紅外光源和光探測器被封裝于與不銹鋼保護(hù)套管連接的不銹鋼密封筒內(nèi)。不銹鋼保護(hù)套管的外徑為2 mm，被封裝的藍(lán)寶石光纖探頭頂端裸露部分長度為3 mm，不銹鋼密封筒的外徑為8 mm。紅外光源發(fā)射光線的波長為940 nm，輸出功率為3.75 m W；光探測器接收光線波長范圍為320～1 100 nm，峰值波長為960 nm；光纖耦合器采用1根芯徑為800μm和2根芯徑為400μm的能量石英光纖耦合，其透過光譜范圍為300～1 800 nm，數(shù)值孔徑為0.22；藍(lán)寶石敏感探頭直徑為600μm，探頭頂端夾角為25°～35°。

圖2 光纖探針結(jié)構(gòu)示意圖

2 光纖探針含氣率測量儀設(shè)計(jì)

油井井下藍(lán)寶石光纖探針含氣率測量儀的結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，其主要由傘式集流器、不銹鋼套筒、光纖探針陣列及儀器驅(qū)動(dòng)電路組成。其中，光纖探針陣列在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到測量儀圓管內(nèi)徑僅為20 mm，探針個(gè)數(shù)過多將嚴(yán)重阻礙管道內(nèi)流體流動(dòng)，同時(shí)增加了微控制器對信號處理的負(fù)擔(dān)，所以本文設(shè)計(jì)的光纖探針陣列采用四光纖探針結(jié)構(gòu)，1根光纖探針在中心處，其余3根光纖探針在圓管內(nèi)呈120°均勻分布［見圖3（b）］。此時(shí)，平均截面持氣率ˉαA為

式中，αi為圓管內(nèi)不同徑向位置截面局部持氣率；Ai為光纖探針測量的有效截面積。

圖3 光纖探針含氣率測量儀結(jié)構(gòu)圖

測量儀驅(qū)動(dòng)電路主要由光源驅(qū)動(dòng)電路、光電檢測電路、濾波整形電路、微控制器模塊及曼徹斯特碼傳輸模塊組成（見圖4）。其中，光源驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)光纖探針內(nèi)部的紅外光源發(fā)出功率恒定的光；光電檢測電路負(fù)責(zé)檢測經(jīng)藍(lán)寶石探頭反射回的光，并根據(jù)回光強(qiáng)度輸出幅值不等的電壓信號；對光纖探針輸出信號，首先經(jīng)濾波整形電路進(jìn)行濾波整形，然后送入微控制器模塊中以計(jì)算出油氣水三相流的平均截面含氣率，最后將結(jié)果經(jīng)由曼徹斯特傳輸模塊傳輸至上位機(jī)。

圖4 光纖探針測量儀驅(qū)動(dòng)電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

光纖探針含氣率測量儀測試平臺——油氣水三相流模擬井測試裝置由長8 m、內(nèi)徑為125 mm的透明有機(jī)玻璃井筒、油水分離罐、穩(wěn)壓罐、控制系統(tǒng)等組成（見圖5）。實(shí)驗(yàn)所用流體為柴油、空氣和水，空氣經(jīng)壓縮機(jī)和過濾器后被送入氣體穩(wěn)壓罐，油和水分別通過油泵和水泵送入油水穩(wěn)壓罐，從穩(wěn)壓罐流出的油、氣、水通過計(jì)量管段標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量后進(jìn)入模擬井筒，并自下而上流動(dòng)。由模擬井筒流出的空氣被直接排放，而油水混合物則進(jìn)入油水分離罐，經(jīng)過重力分離后，油進(jìn)入貯油罐循環(huán)使用，水進(jìn)入貯水罐循環(huán)使用。

圖5 油氣水三相流模擬井測試裝置工作原理圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將藍(lán)寶石光纖探針含氣率測量儀置于有機(jī)玻璃井筒內(nèi)，并張開傘式集流器，以封堵套管和測井儀器之間流體的流動(dòng)通道，迫使流體全部或絕大部分流經(jīng)導(dǎo)流筒內(nèi)的光纖探針陣列，并經(jīng)上出液口重新流回油井井筒。

針對目前中國陸上油田普遍處于高含水低產(chǎn)液的情況，在油氣水三相流含氣率測量實(shí)驗(yàn)中，從低到高依次選取總流量30、40、50、60、80 m3／d，氣相占總流量的比例依次選取10%、20%、40%、60%、80%。并在液相流量中選取油水比例分別為1∶9、1∶4、2∶3和3∶2，以驗(yàn)證在相同總流量不同油水比例下含氣率的測量效果。

在實(shí)驗(yàn)條件下，觀察到油氣水三相分別有泡狀流型、塊狀流型和段塞流型（見圖6）。在所選取總流量30～80 m3／d的范圍內(nèi)，油氣水三相流流型主要受含氣率影響，而總流量變化對流型影響不大。當(dāng)油氣水三相流含氣率為10%時(shí)，氣體在油水混合流體內(nèi)形成分散的氣泡，氣泡周圍附有小氣泡，此時(shí)油氣水三相流呈泡狀流型［見圖6（a）］。當(dāng)油氣水三相流含氣率增大至20%和40%時(shí)，分散氣泡的數(shù)量逐漸增多，體積也逐漸變大，此時(shí)管內(nèi)出現(xiàn)了極不穩(wěn)定的塊狀流型［見圖6（b）］。當(dāng)油氣水三相流含氣率增大至60%和80%時(shí)，塞狀大氣泡幾乎占據(jù)了整個(gè)管道，長度較長，2個(gè)大氣泡之間由液相隔開，液相中含有一些小氣泡團(tuán)，此時(shí)油氣水三相流呈段塞流型［見圖6（c）］。

圖6 實(shí)驗(yàn)中觀察到的油氣水三相流流型圖

圖7給出了當(dāng)油氣水三相流總流量為50 m3／d時(shí)，不同含氣率情況下光纖探針輸出響應(yīng)的波形曲線。從圖7中可以看出，當(dāng)含氣率為10%時(shí)，油氣水三相流呈泡狀流型，此時(shí)光纖探針響應(yīng)曲線的波動(dòng)比較分散。隨著含氣率的增加，油氣水三相流呈塊狀流型，此時(shí)光纖探針響應(yīng)曲線的波動(dòng)變得更加密集，表示氣泡數(shù)量增多、體積也變大。當(dāng)含氣率繼續(xù)增加時(shí)，油氣水三相流呈段塞流型，此時(shí)光纖探針響應(yīng)曲線出現(xiàn)大片稠密區(qū)域，表示有塞狀大氣泡流過儀器測量管道。

圖7 光纖探針輸出響應(yīng)曲線（三相流總流量為50 m3／d）

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，以標(biāo)準(zhǔn)含氣率為橫坐標(biāo)，4根光纖探針響應(yīng)的平均值為縱坐標(biāo)，繪制油氣水三相流含氣率響應(yīng)圖版（見圖8）。從圖8中可以看出，當(dāng)三相流總流量不同時(shí)（30～80 m3／d），測量儀器響應(yīng)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)含氣率基本呈正比例關(guān)系，圖像近似顯示為1條從左至右遞增的直線。當(dāng)三相流總流量和氣相流量都相同的條件下，液相中不同的油水比例對測量結(jié)果沒有直接影響，各響應(yīng)圖版近似重合，說明該光纖探針具有比較寬的可測量范圍。當(dāng)三相流總流量在30 m3／d以上時(shí)，含氣率一定的情況下，不同的總流量條件下的測量儀器響應(yīng)值比較接近，各條曲線基本重合，不再隨三相流總流量的增加而變化，這表明此時(shí)光纖探針輸出響應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)含氣率近似呈正比例關(guān)系，測量結(jié)果具有很好的可靠性和準(zhǔn)確性。當(dāng)三相流總流量大于等于30 m3／d時(shí)，在總流量相同、含氣率不同的情況下，儀器的響應(yīng)值與標(biāo)準(zhǔn)含氣率值基本一致，儀器測量結(jié)果能夠真實(shí)反映實(shí)際含氣率值，具有較高的精確度。

圖8 油氣水三相流響應(yīng)圖版

4 結(jié) 論

（1）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種藍(lán)寶石光纖探針含氣率測量儀，采用藍(lán)寶石光纖作為敏感探頭，藍(lán)寶石光纖探針的直徑為600μm，藍(lán)寶石光纖探頭設(shè)計(jì)成圓錐形狀，其頂端夾角為25°～35°。

（2）光纖探針陣列是藍(lán)寶石光纖探針含氣率測量儀的重要組成部分，它被設(shè)計(jì)成四光纖探針結(jié)構(gòu)，1根光纖探針在中心處，其余3根光纖探針在圓管內(nèi)呈120°均勻分布。

（3）本文所設(shè)計(jì)含氣率測量儀在模擬井測試系統(tǒng)上進(jìn)行大量試驗(yàn)表明，當(dāng)三相流總流量大于等于30 m3／d時(shí)，該光纖探針含氣率測量儀的輸出響應(yīng)具有很好的可靠性和準(zhǔn)確性，并且探針具有較寬測量范圍。同時(shí)，也驗(yàn)證了藍(lán)寶石光纖探針實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。

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