基于蓝宝石光纤探针的油气水三相流含气率测量方法

于莉娜，杜胜雪，李英伟，刘晓磊，张海明

（1.燕山大学信息科学与工程学院，河北 秦皇岛 066004；

2.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163100）

0 引 言

油气水三相流参数测量是世界范围内油气田动态监测中普遍存在及亟待解决的难题。油气田开发动态监测的重要途径是通过对采油井和注水井内三相流体流动剖面进行测量，并通过了解油井在产液或注水过程中井内流体的特性与状态对油井生产状况和油层生产性质作出评价，从而可进一步优化生产，提高原油采收率和产量，降低成本，尤为重要的是可预防生产过程中油管套管的损坏。对于油田测试而言，多相流流体的各相含率、流型等参数在各种工艺流程的检测过程中都起着至关重要的作用［1］。

国内外对两相流相含率的测量研究较多，如有电容法、电导法、射线衰减法、微波法及差压法等。这些方法大多利用气液两相的介电常数、对射线的衰减程度、对微波的吸收能力以及平均密度等参数的差异进行测量［2－5］。光纤传感器具有高精度、灵敏度好、耐腐蚀、轻巧、可工作于恶劣环境，集“传”与“感”于一体，便于实现远距离测量与监控等优点。近年来出现了利用光纤传感技术测量多相流的研究。Masahiro Yamada等［6］提出一种新型光纤探针，可以在连续液相中同时测量CO2气泡的弦长、速度、空 隙 率 和 局 部 浓 度。JiríVejrazka等［7］研 究了在泡状流中光纤探针测量的准确性。杨胜等［8］采用快关阀门法和光纤探针法对垂直上升圆管内截面持气率测量进行了实验研究。上述文献多针对气液或油气两相流进行研究，而对于实时生产测井中油气水三相流流体中含气率测量的研究较少。

针对生产测井中油气水三相流含气率测量问题，本文采用集流型结构方式和四光纤探针结构设计实现一种结构简单的蓝宝石光纤探针含气率测量仪，并在模拟井测试系统上验证了其试验效果。基于蓝宝石的光纤探针阵列含气率测量仪的实现为油气水三相流的参数测量提供了一种新方法，从而为油气水三相流的进一步研究打下基础。

1 光纤探针结构设计

光纤探针法测量含气率是基于全反射原理，利用气相、液相介质对光线的折射率不同，通过检测反射光线强度变化测量多相流中气相含率。当光纤探针敏感探头与气相接触时，入射光在敏感探头处发生全反射，光探测器输出高电平［见图1（a）］；当敏感探头与液相接触时，入射光在敏感探头处大部分被折射出去，光探测器输出低电平［见图1（b）］。

图1 光纤探针法测量示意图

如图1所示，设一单位面积光强度为iP、总强度为IP的平行光束I入射到敏感探头的锥面上。其中θ0为入射角，θf为折射角，n0为敏感探头折射率，nf为被测介质折射率，β为敏感探头顶端夹角。β作为一个十分重要的指标，它的大小决定着能否将气相、液相介质区分开，β的合理取值主要取决于敏感探头折射率n0和被测介质的折射率nf。根据光的折射定律有

光线入射角θ0与敏感探头顶端夹角β的关系为

显然，区分气相和液相的临界折射角θfr＝90°，此时入射光线在敏感探头处发生全反射的临界折射率nfr为

要区分气相和液相，nfr必须满足

本文选择折射率为1.76的具有高光学透射率、高耐磨性、耐热冲击、耐高温、抗辐射、电绝缘及良好的机械性能的蓝宝石材料制作锥形敏感探头，敏感探头顶端夹角β范围为25°～35°，该设计可防止原油粘附在敏感探头上。

本文设计的光纤探针主要由红外光源、光探测器、光纤耦合器和蓝宝石光纤探头组成，其结构如图2所示。针对油井井下高温环境，所设计的光纤探针可在125℃高温条件下工作。其中，光纤探针总长度约为20 cm，蓝宝石光纤探头和光纤耦合器被封装于不锈钢保护套管内；红外光源和光探测器被封装于与不锈钢保护套管连接的不锈钢密封筒内。不锈钢保护套管的外径为2 mm，被封装的蓝宝石光纤探头顶端裸露部分长度为3 mm，不锈钢密封筒的外径为8 mm。红外光源发射光线的波长为940 nm，输出功率为3.75 m W；光探测器接收光线波长范围为320～1 100 nm，峰值波长为960 nm；光纤耦合器采用1根芯径为800μm和2根芯径为400μm的能量石英光纤耦合，其透过光谱范围为300～1 800 nm，数值孔径为0.22；蓝宝石敏感探头直径为600μm，探头顶端夹角为25°～35°。

图2 光纤探针结构示意图

2 光纤探针含气率测量仪设计

油井井下蓝宝石光纤探针含气率测量仪的结构如图3（a）所示，其主要由伞式集流器、不锈钢套筒、光纤探针阵列及仪器驱动电路组成。其中，光纤探针阵列在设计时，考虑到测量仪圆管内径仅为20 mm，探针个数过多将严重阻碍管道内流体流动，同时增加了微控制器对信号处理的负担，所以本文设计的光纤探针阵列采用四光纤探针结构，1根光纤探针在中心处，其余3根光纤探针在圆管内呈120°均匀分布［见图3（b）］。此时，平均截面持气率¯αA为

式中，αi为圆管内不同径向位置截面局部持气率；Ai为光纤探针测量的有效截面积。

图3 光纤探针含气率测量仪结构图

测量仪驱动电路主要由光源驱动电路、光电检测电路、滤波整形电路、微控制器模块及曼彻斯特码传输模块组成（见图4）。其中，光源驱动电路负责驱动光纤探针内部的红外光源发出功率恒定的光；光电检测电路负责检测经蓝宝石探头反射回的光，并根据回光强度输出幅值不等的电压信号；对光纤探针输出信号，首先经滤波整形电路进行滤波整形，然后送入微控制器模块中以计算出油气水三相流的平均截面含气率，最后将结果经由曼彻斯特传输模块传输至上位机。

图4 光纤探针测量仪驱动电路原理图

3 实验及结果分析

光纤探针含气率测量仪测试平台——油气水三相流模拟井测试装置由长8 m、内径为125 mm的透明有机玻璃井筒、油水分离罐、稳压罐、控制系统等组成（见图5）。实验所用流体为柴油、空气和水，空气经压缩机和过滤器后被送入气体稳压罐，油和水分别通过油泵和水泵送入油水稳压罐，从稳压罐流出的油、气、水通过计量管段标准计量后进入模拟井筒，并自下而上流动。由模拟井筒流出的空气被直接排放，而油水混合物则进入油水分离罐，经过重力分离后，油进入贮油罐循环使用，水进入贮水罐循环使用。

图5 油气水三相流模拟井测试装置工作原理图

实验时，将蓝宝石光纤探针含气率测量仪置于有机玻璃井筒内，并张开伞式集流器，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导流筒内的光纤探针阵列，并经上出液口重新流回油井井筒。

针对目前中国陆上油田普遍处于高含水低产液的情况，在油气水三相流含气率测量实验中，从低到高依次选取总流量30、40、50、60、80 m3／d，气相占总流量的比例依次选取10%、20%、40%、60%、80%。并在液相流量中选取油水比例分别为1∶9、1∶4、2∶3和3∶2，以验证在相同总流量不同油水比例下含气率的测量效果。

在实验条件下，观察到油气水三相分别有泡状流型、块状流型和段塞流型（见图6）。在所选取总流量30～80 m3／d的范围内，油气水三相流流型主要受含气率影响，而总流量变化对流型影响不大。当油气水三相流含气率为10%时，气体在油水混合流体内形成分散的气泡，气泡周围附有小气泡，此时油气水三相流呈泡状流型［见图6（a）］。当油气水三相流含气率增大至20%和40%时，分散气泡的数量逐渐增多，体积也逐渐变大，此时管内出现了极不稳定的块状流型［见图6（b）］。当油气水三相流含气率增大至60%和80%时，塞状大气泡几乎占据了整个管道，长度较长，2个大气泡之间由液相隔开，液相中含有一些小气泡团，此时油气水三相流呈段塞流型［见图6（c）］。

图6 实验中观察到的油气水三相流流型图

图7给出了当油气水三相流总流量为50 m3／d时，不同含气率情况下光纤探针输出响应的波形曲线。从图7中可以看出，当含气率为10%时，油气水三相流呈泡状流型，此时光纤探针响应曲线的波动比较分散。随着含气率的增加，油气水三相流呈块状流型，此时光纤探针响应曲线的波动变得更加密集，表示气泡数量增多、体积也变大。当含气率继续增加时，油气水三相流呈段塞流型，此时光纤探针响应曲线出现大片稠密区域，表示有塞状大气泡流过仪器测量管道。

图7 光纤探针输出响应曲线（三相流总流量为50 m3／d）

根据采集的数据，以标准含气率为横坐标，4根光纤探针响应的平均值为纵坐标，绘制油气水三相流含气率响应图版（见图8）。从图8中可以看出，当三相流总流量不同时（30～80 m3／d），测量仪器响应结果与标准含气率基本呈正比例关系，图像近似显示为1条从左至右递增的直线。当三相流总流量和气相流量都相同的条件下，液相中不同的油水比例对测量结果没有直接影响，各响应图版近似重合，说明该光纤探针具有比较宽的可测量范围。当三相流总流量在30 m3／d以上时，含气率一定的情况下，不同的总流量条件下的测量仪器响应值比较接近，各条曲线基本重合，不再随三相流总流量的增加而变化，这表明此时光纤探针输出响应与标准含气率近似呈正比例关系，测量结果具有很好的可靠性和准确性。当三相流总流量大于等于30 m3／d时，在总流量相同、含气率不同的情况下，仪器的响应值与标准含气率值基本一致，仪器测量结果能够真实反映实际含气率值，具有较高的精确度。

图8 油气水三相流响应图版

4 结 论

（1）设计实现了一种蓝宝石光纤探针含气率测量仪，采用蓝宝石光纤作为敏感探头，蓝宝石光纤探针的直径为600μm，蓝宝石光纤探头设计成圆锥形状，其顶端夹角为25°～35°。

（2）光纤探针阵列是蓝宝石光纤探针含气率测量仪的重要组成部分，它被设计成四光纤探针结构，1根光纤探针在中心处，其余3根光纤探针在圆管内呈120°均匀分布。

（3）本文所设计含气率测量仪在模拟井测试系统上进行大量试验表明，当三相流总流量大于等于30 m3／d时，该光纤探针含气率测量仪的输出响应具有很好的可靠性和准确性，并且探针具有较宽测量范围。同时，也验证了蓝宝石光纤探针实际工程应用的可行性。

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