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，本文研究了用于测量含气率的集流型光纤探针测井仪器。首先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，最后设计了光纤探针传感器驱动电路。

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，是多相流体流动的重要参数。由于该参数与流型、压力、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，实验测量是研究含气率的主要手段，也是研究油气水三相流动的重要手段。国内外发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，但这些方法本身各有各的局限性和一定的针对性。利用光纤探针进行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、去湿效果好、灵敏度高、数据处理方便等诸多优点，足以满足油井井下油气水三相流体实际测量的需要。

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。根据抽油机井工艺要求，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，此时要求仪器的最大外径不能超过28mm。根据该要求，设计了集流型光纤探针持气率测量仪，主要由伞式集流器、光纤探针传感器及装有传感器驱动电路的电路筒组成，结构如图1所示。油井套管内径为125mm，而传感器内径仅为20mm，如果不使用集流器，仅有少量的油气水三相流体从电导传感器内部流过，传感器内的流体会趋于静止，此时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，通常采用集流的测量方式，即在光纤探针传感器底部安装伞式集流器。当测井仪器位于指定测点后，使集流器张开，以封堵套管和测井仪器之间流体的流动通道，迫使流体全部或绝大部分流经光纤传感器，并经上出液口重新流回井筒。

2 光纤探针持气率测量原理
光纤探针法的测量原理基于气相和液相对光的折射率不同，如图2所示，当光纤探针与气相接触时，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，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问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。

    以i表示探针头曲面上任一点(r，θ，z)处的入射光，当油气水三相流交替流过探针时，点(r，θ，z)处的瞬时局部含气率α(t，r，θ，z)为：

    油气水三相流是一种非定常流动，因此α(t，r，θ，z)将随时间而发生变化。实验表明，油气水三相流一般具有平稳随机特性，有：

    式中，T为积分时间长度，为平均局部含气率。定义瞬时截面含气率和平均截面含气率分别为：

    对于油气水三相管道流动，瞬时容积含气率αv(t)和平均容积含气率可分别定义为：

    若在管长区间(O，L)内，气体沿流动方向的体积膨胀可以忽略，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：

    此式表明，采用光纤探针法测量管道内油气水三相流的截而含气率是可行的。

3 光纤探头结构设计
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，入射光和反射光均用同一根光纤，采用分光镜或分路器来检测反射光。单纤探针头部尺寸小，容易刺破气泡，且能够检测较小的气泡，对流场干扰小，动态响应能力好。本文选用单：苍锥形探针测量含气率。单芯锥形探针的结构如图3所示，一单位面积光强度为ip、总光强度为Ip的平行光束I入射到探针头的锥面上，θ0为入射角，θf为折射角，n0为探针头部棱镜的折射率，nf为被测介质的折射率。β为光纤探针棱镜的角度，该角度是一个十分重要的指标，它的大小决定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n0和被测介质的折射率nf。

    根据光的折射定律有：

    显然，区分气相和液相的临界折射角θfr=90°，此时入射光线在棱镜中发生全反射的临界折射率nfr为：

    式中，ng和nl分别为气相和液相的折射率，单芯光纤探针棱镜角度β须满足：

    标准条件下空气的折射率ng=1．000，油的折射率n0=1.48～1.50，水的折射率nw=1．333，取nl=nw=1. 333。光纤探针棱镜选用折射率为1．76的蓝宝石材料，根据式(14)，光纤探针棱镜的角度β应满足：81. 5°<β<110. 8°。因此，对光纤探针蓝宝石棱镜而言，将其角度确定为β=90°是一个合适的选择。此时它对应的临界折射率nfr=1．24。此时：

    故β=90°的蓝宝石棱镜可有效识别气相和液相。

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块。光发射模块的主要组成部分是LED发光管、光源驱动电路和自动功率控制电路；光接收模块的主要组成部分是光探测器和光电检测电路。

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、可靠性高、使用寿命长、亮度高、供电电源简单等；且它与光纤容易耦合。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恒功率自动控制电路。

4．2 光探测器及光接收模块
在光纤传感器中，光探测器是光探测接收模块的基础，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。
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，受光照时光电管根据光强变化转换成电流的变化；IC1构成I／V变换器，IC2为电压放大器。由于反射光强太小，IC1输出电压信号幅度很小，因此需要用IC2进行二级放大。IC2后接一个低通RC滤波，以滤除噪声等不需要的高频分量。