油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計(jì)的設(shè)計(jì)與理論研究.docx

1、Vol.12No.14May2012©2012Sci.Tech.Engrg.油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計(jì)的設(shè)計(jì)與理論研究牟海維王愛雙張坤劉超(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，大慶163318)摘要采用手工研磨的方法制作雙奸錐形結(jié)構(gòu)光纖探頭，通過硬件電路實(shí)現(xiàn)用于濁氣水三相流持久率測量的光奸探針傳感器的設(shè)計(jì)。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙奸結(jié)構(gòu)的光纖探針持氣率計(jì)具有光路簡單、易于檢測、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)健詞應(yīng)用光學(xué)電子學(xué)油氣水三相流光纖探針持氣率中圖法分類號(hào)TN253TP212.14；文獻(xiàn)標(biāo)志碼A油田產(chǎn)出剖面測井是監(jiān)測油氣田開發(fā)動(dòng)態(tài)的主要技術(shù)手段，可為評價(jià)油氣藏開發(fā)動(dòng)態(tài)提供更要的數(shù)據(jù)信息。目前，隨著

2、國內(nèi)老油田開發(fā)的不斷深化，油井內(nèi)多相流體的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了重要變化，高含水或特高含水、油氣水三相流問題H益突出。因此，開展油氣水三相流產(chǎn)出剖面持氣率參數(shù)測試技術(shù)和測信工藝的研究,、對于正確評價(jià)油藏儲(chǔ)量以及研究三相流流型特征具有重要的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值和理論意義"。目前，國內(nèi)外發(fā)展了多種測量持氣率的方法，如:快關(guān)閥門法、電導(dǎo)探針法、電容法、射線法、超聲波法、高速攝影法等但這些方法本身各有各的局限性和一定的針對性。由于持氣率與多相流的流型、井內(nèi)壓力、流體流速和流動(dòng)方向等密切相關(guān)，目前理論計(jì)算模型還有較大的局限性。通過實(shí)驗(yàn)測量是確定持氣率的主要方法，也是研究油氣水三相流動(dòng)的重要手段。光纖傳感探針因

3、其具有損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、重最輕、不導(dǎo)電、抗電磁干擾、耐腐蝕、去濕效果2012年3月5日收到國家科技重大專項(xiàng)課鹿項(xiàng)目(2011ZX05020-006)、國家門然科學(xué)基金項(xiàng)H(51101027)、黑龍江省留學(xué)歸國科學(xué)基金項(xiàng)目(LC2OO9C11)、黑龍江省高校訝年學(xué)術(shù)骨干支持項(xiàng)目(1251G004)、黑龍江省教育廳科技項(xiàng)目(12511004)資助第一作者簡介：牟海維(1963一)，男，黑龍江綏化人，教授，碩土，研究方向:傳感測試技術(shù)和信息處理。E-mail:mhwmzh©。好、靈敏度高、數(shù)據(jù)處理方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在井下油氣水三相流產(chǎn)液剖面持氣率測航方面極具開發(fā)潛力!6，01o本文根據(jù)

4、油氣水三相流各相折射率的不同，設(shè)計(jì)制作了雙光纖錐形光纖探針傳感器，通過硬件電路控制和室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖持氣率探針應(yīng)用的可行性。1光纖傳感原理光纖持氣率計(jì)的設(shè)計(jì)是基于光在折射率不同的液相和氣相中是否發(fā)生全反射的原理制成的。由于油相的折射率是1.5,水相的折射率約為1.35,而氣相的折射率是1。本文設(shè)計(jì)的光纖持氣率探針是采用手工研磨的方法將2根光纖的端面磨制成一個(gè)傾角，然后背靠背粘貼在一起而制成的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)探針頭處于油水液相環(huán)境中時(shí)，不會(huì)發(fā)生全反射，在出射端檢測到的光功率很小，近似為低電平；而當(dāng)探針頭處于氣休中，會(huì)發(fā)生全反射，在出射端檢測到的光功率值很大，近似為高電平。因此，可由出射光

5、電平信號(hào)的高低判讀是否為液相或氣相。根據(jù)三相流的流動(dòng)速度可知，高電平的時(shí)間為七，是氣體通過的時(shí)間；低電平的時(shí)間為L是液體通過的時(shí)間；則三相流中氣體含量則可由/(七+，)得出，即可測得油氣水三相流的持氣率。本文所設(shè)計(jì)的由兩根光纖構(gòu)成的持氣率探針頭的角度是一個(gè)重要指標(biāo)。光在光纖纖芯和探針探M頭端面?zhèn)鬏斣硎疽鈭D示于圖2中。根據(jù)光的折射定律：nosino=幾Sin%(1)棱鏡角度B與侃的關(guān)系為：e0=90°-3/2(2)當(dāng)S=90°時(shí)，匕=%=n0cos(/?/2),要區(qū)分液相和氣相，需滿足：七<七<%,式中七、勺分別為氣相和液相的折射率，因此錐形光纖探針的角度需滿足

6、：2arccos(nz/n0)<Q<2arccos(nf/n0)(3)空氣折射率為1.0,室溫下水的折射率約為1.35,所使用的油的折射率為1.5,制作光纖探針?biāo)玫墓鈱?dǎo)纖維的折射率為1.62,因此根據(jù)式(3)可得制作光纖探針的角度應(yīng)滿足69.5°</?<103.5°0因此本文的單根光纖探針角度磨成45°,則光纖探針整體錐角為90°(，o這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得出射的激光與人射光經(jīng)兩根光纖分開傳輸，因此不用耦合器、分光鏡或分路器，光路結(jié)構(gòu)要簡單得多。且這種結(jié)構(gòu)光強(qiáng)損失相對要少,能更好的檢測光功率。圖2光纖探針原理示意圖2光纖傳感探針持氣

7、率計(jì)的硬件實(shí)現(xiàn)2.1傳感器電路設(shè)計(jì)傳感器電路分為兩部分：驅(qū)動(dòng)電路及檢測電路。傳感器電路系統(tǒng)框圖如圖3所示。本文的光源采用的是波長為650nm的半導(dǎo)體激光器，因此用USB轉(zhuǎn)串口的3.3V電壓即可供電驅(qū)動(dòng)激光光源發(fā)光，該光源穩(wěn)定性好，相對于普通圖3光纖探針傳感器電路系統(tǒng)框圖的半導(dǎo)體光源，省去了自動(dòng)功率控制電路，簡單可靠。光電檢測器件采用的是光電池,光電池具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、易與集成電路相匹配、體積小、重量輕、長壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。該光電池能檢測的峰值波長為880nm,能檢測本文所采用的激2.2傳感特性分析傳感器測試結(jié)果如表1所示：當(dāng)傳感器的光電檢測器件處于自然光下時(shí)得到的輸出電壓數(shù)據(jù),與用

8、激光照射光電檢測器件時(shí)得到的輸出電壓數(shù)據(jù)對比可知，光纖探針傳感器能在線實(shí)時(shí)檢測光功率,傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性都很好。傳感器測嫉蜻果對比表格自然光/mV254254259259254254祗3563563幻3563563513結(jié)論本文采用手工研磨的方法制作了雙光纖錐形光纖持氣率探針傳感器，通過驅(qū)動(dòng)電路和檢測電路實(shí)現(xiàn)了對油氣水三相流氣相和液相的識(shí)別。本傳感器探針具有角度易于控制，光路簡單，穩(wěn)定性好,靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于油氣水三相流持氣率的測量和檢測。第文獻(xiàn)1李海青，喬賀堂.多相流檢調(diào)技術(shù)進(jìn)展.北京：石油工業(yè)出版社，1991(下轉(zhuǎn)第3376頁)7顧則全，廖福成，劉賀平不確定廣義系統(tǒng)的保性能控制：L

9、MI方法.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)：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頁)2郭烈錦.兩相與多相流動(dòng)力學(xué).西安：西安交通大學(xué)出版社，20023 WiUiamsJ,金英.多相流計(jì)量研究的現(xiàn)狀.國外油田工程，1997；6：39-42LeCorreJMtHervicuE,IshiiM.Benchmarkingandimprovementsofmeasurementtechniqueaforlocal-time-averagetwo-phaseflowpa-rametere.ExperimentsinFluids,2003；35(5)：448584 FrancoisF,Ga

12、mierJ9CubizollesG.Anewdataacquisitionsystemforbinaryrandomsignalapplicationinmultiphaseflowmeasurement.MeasurementScienceandTechnology,2003；14：9299426喬學(xué)光，貿(mào)振安,付海威，等.油氣測井分布式光纖光播智能傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究.中國石油天然氣集團(tuán)公司測井重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室第三徑學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:石油工業(yè)出版社,2004；101-1077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)探針紋合測最技術(shù).西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),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井儀.電子技術(shù),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