油气水三相流产出剖面光纤持气率计响应规律的实验研究

杨韵桐+姜兆宇+牟海维+刘兴斌+李英伟

文章编号： 10055630(2014)03019805

收稿日期： 20140119

作者简介： 杨韵桐(1987),女,硕士,主要从事MATLAB教学及油气井测试方面的研究。

通讯作者： 牟海维(1963),男，教授，主要从事传感测试技术和信息处理等方面的研究。

摘要： 为进一步研究油气水三相流产出剖面测井中光纤持气率计在高含水情况下的响应规律,在大庆油田多相流实验装置上进行了动态实验研究。实验结果表明,当油的流量一定,高含水的情况下,气量在5～10 m3/d变化时测量持气率值与实际持气率值之间误差变化较大。气量大于10 m3/d时误差变化较小,说明该仪器适合测量气量在10 m3/d以上的混合流体。此结果对光纤持气率计的进一步优化设计提供了实验依据。

关键词： 油气水三相流; 光纤持气率计; 误差分析

中图分类号： TH 814文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.03.003

Experimental research on response of profile logging optical

fiber gas holdup sensor in oil/gas/water threephase flow

YANG Yuntong1, JIANG Zhaoyu2, MU Haiwei1, LIU Xingbin2, LI Yingwei3

(1.College of Electronic Science, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;

2.Logging & Testing Services Company of Daging Oilfield Limited Company, Daqing 163513, China;

3.College of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)

Abstract： In order to investigate the response of the optical fiber gas holdup sensor when measuring output profile logging with oil/gas/water threephase flow under high water content, the dynamic experiments with multiphase flow in Daqing Oilfield are performed. The results indicate that the error of the optical fiber gas holdup sensor is large when the gas flow content changes from 5～10 m3/d under high water content with the oil fixed. But the error is small when the gas flow content over 10 m3/d, which indicates that this instrument is suitable for measuring gas mixed fluid when the gas flow content is over 10 m3/d. The experimental results have provided more powerful basis to optimize the optical fiber gas holdup sensor.

Key words： oil/gas/water threephase flow; optical fiber gas holdup sensor; error analysis

引言在油田的开发过程中,技术人员需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料,这就要用到石油测井传感器,其可靠性和准确性是至关重要的,而传统的电子传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下进行工作［13］。光纤传感器可以克服这些困难,其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件,包括高温、高压以及强烈的冲击与振动,可以高精度地测量井筒和井场环境参数。同时,光纤传感器具有分布式测量能力,可以测量被测量的空间分布,给出剖面信息。本文所研究的产出剖面光纤持气率计就是基于以上光纤传感器的优点研制而成。通过集流的方式,实现井下多相流中持气率的准确测量,为存在脱气、产气的低产井产出剖面持气率的测量提供了一种有效的方法。图1光纤探针测量原理

Fig.1Optical fiber probe measurement principle1测量原理光纤持气率计是基于光在折射率不同的物质中(液体、气体)是否发生全反射的原理研制而成的［4］,光纤探针测量原理如图1所示。油的折射率为1.5,水的折射率为1.35,气的折射率为1［5］,当光纤探针处于油水介质中时,在光纤探头处的光不能发生全反射,检测装置检测到低电平;当光纤探针处于气体中时,在光纤探头处的光发生全反射,检测装置便可检测到高电平。因此,随着油气水三相流体交替流过光纤探头,光电转换器就会输出随时间不断变化的电压信号,此信号经过单片机的数据处理后,便可得知光纤探头处的持气率。2仪器结构光纤持气率计结构图如图2所示,该装置自左向右依次由电路筒、出液孔、光纤探针和集流伞等组成［68］。流体的流动方向为自右向左,电路筒内放置持气率计的硬件电路部分,出液孔可以排出由集流伞集流的流体,光纤探针传感器由四探针组成,集流伞可将测量仪器和套管之间的环形空间封死,迫使大部分流体流经光纤传感器的测量通道后经出液口流入套管内。光学仪器第36卷

第3期杨韵桐，等：油气水三相流产出剖面光纤持气率计响应规律的实验研究

图2光纤持气率计结构图

Fig.2Structural diagram of fiber gas hold

光纤探针位于测量通道内部,集流后的流体会第一时间接触到。在设计的过程中注意信号线的走位,以防过多的信号线影响流体的流形流态,降低实验结果的准确性。3油气水三相流实验数据分析在产出剖面测井工艺中,由于油气水三相流分相含量的不同,会导致光纤持气率计在对气相测量时出现一定程度的误差。在气、油含量相对较少的情况下,为了观察光纤持气率计的响应规律，本实验通过油量固定,在高含水的情况下,将气体的含量逐渐增大,观察光纤持气率计的测量值与实际数值之间的响应规律。实验在大庆油田多相流实验装置上进行了动态实验研究,实验所用采样点为:油量固定水量分别在30～50 m3/d取了等间距的5个流量点;气量在5～35 m3/d等间距取7个流量点。实验中水气的流量配比如表1所示,再将表1分别与油的流量为5 m3/d、10 m3/d、20 m3/d进行配比,测取油气水三相流实验数据。

表1油量固定,水/气实验流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3•d-1

配料流量配比量水/气30/535/540/545/550/5水/气30/1035/1040/1045/1050/10水/气30/1535/1540/1545/1550/15水/气30/2035/2040/2045/2050/20水/气30/2535/2540/2545/2550/25水/气30/3035/3040/3045/3050/30水/气30/3535/3540/3545/3550/35

3.1油量为5 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图3(a)为持气率计在油量固定为5 m3/d时的理论持气率曲线图,图3(b)为持气率计在多相流实验装置上所测得的实际测得持气率曲线图。两幅图中横坐标均为通入气量，纵坐标为持气率值。由图可知,无论是理论持气率值还是实验测得的持气率值均随气量的增大而增大,并且呈现出良好的线性关系,误差相对较小。图3(c)为绘制出的误差分析曲线图。从图中可以看出,水流量为30 m3/d时的误差小于其他流量时的误差;当气量小于10 m3/d时,随着气量的逐渐增加,误差值逐渐减少。当气量大于10 m3/d时,误差值基本不变,从图中可以看出,曲线基本重合在一起。

图3油量5 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.3Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 5 m3/d

3.2油量为10 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图4(a)为持气率计在油量固定为10 m3/d时的理论持气率曲线图,图4(b)为持气率计在多相流实验装置上所测得的实际测得持气率曲线图。从图中可以看出,持气率的曲线走势同5 m3/d时曲线走势基本一致。图4(c)为油量为10 m3/d时绘制出的误差分析曲线图。从图中可以看出,当水流量为30 m3/d时的误差小于其他流量时的误差;当气量小于10 m3/d时,随着气量的逐渐增加,误差值逐渐减少到基线。当气量大于10 m3/d时,误差值基本不变,从图中可以看出,误差在基线附近一定范围内波动,可以说明仪器测量的准确性。

图4油量10 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.4Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 10 m3/d

3.3油量为20 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图5为油量为20 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线图,从图中可以看出,测得的持气率同理论的持气率误差曲线比流量为5 m3/d、10 m3/d时(在低气量时)的误差小,气量大于10 m3/d后的曲线趋势基本一致。综上所述,油气水三相流环境下,集流型光纤探针持气率测井仪测得的实测持气率会随着含气率的增大而增大,并且呈现较好的线性关系。气量从5～10 m3/d变化时误差较大,气量大于10 m3/d时误差较小,误差在10%以下,在可接受的误差范围内。4结论通过对油气水三相流产出剖面测井中光纤持气率计响应规律的实验数据进行分析,可以得出如下几点结论:(1)随着气量的逐渐增加,各个流量点所测得持气率值与实际持气率值基本一致,误差值在一定范围内波动。

图5油量20 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.5Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 20 m3/d

(2)实验中气量从5～10 m3/d变化时测量持气率值与理论持气率值之间误差变化较大,气量大于10 m3/d时误差变化较小,说明该仪器适合测量气量在10 m3/d以上的混合流体。(3)个别点局部曲线出现偏差主要受三相流实验室气量波动和集流伞漏失的影响。(4)此光纤持气率计要达到大面积的推广应用,还需要进一步的优化设计。参考文献：

［1］俞世钢.用光纤传感技术实现液体表面张力系数非接触测量［J］.光学仪器,2003,25(5):36.

［2］牟海维,段玉波,张坤,等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究［J］.光学仪器,2011,33(6):5861.

［3］牟海维,刘文嘉,孔令富,等.光纤持气率计在气／水两相流中响应规律的实验研究［J］.光学仪器,2012,34(5):6669.

［4］郭学涛,孔令富,张云生,等.基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪［J］.电子技术,2010(2):6870.

［5］牟海维,王爱双,张坤,等.油气水三相流产出剖面光纤持气率计的设计与理论研究［J］.科学技术与工程,2012,12(14):33633364.

［6］李莉,刘兴斌,房乾,等.光纤探针持气率计模拟井实验数据分析［J］.石油仪器,2012,26(2)4:2223.

［7］惠战强.分布式光纤传感器的原理及发展［J］.榆林学院学报,2008,18(2):4648.

［8］郭凤珍，于长泰.光纤传感技术与应用［M］.杭州:浙江大学出版社,1992:13.

表1油量固定,水/气实验流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3•d-1

配料流量配比量水/气30/535/540/545/550/5水/气30/1035/1040/1045/1050/10水/气30/1535/1540/1545/1550/15水/气30/2035/2040/2045/2050/20水/气30/2535/2540/2545/2550/25水/气30/3035/3040/3045/3050/30水/气30/3535/3540/3545/3550/35

3.1油量为5 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图3(a)为持气率计在油量固定为5 m3/d时的理论持气率曲线图,图3(b)为持气率计在多相流实验装置上所测得的实际测得持气率曲线图。两幅图中横坐标均为通入气量，纵坐标为持气率值。由图可知,无论是理论持气率值还是实验测得的持气率值均随气量的增大而增大,并且呈现出良好的线性关系,误差相对较小。图3(c)为绘制出的误差分析曲线图。从图中可以看出,水流量为30 m3/d时的误差小于其他流量时的误差;当气量小于10 m3/d时,随着气量的逐渐增加,误差值逐渐减少。当气量大于10 m3/d时,误差值基本不变,从图中可以看出,曲线基本重合在一起。

图3油量5 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.3Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 5 m3/d

3.2油量为10 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图4(a)为持气率计在油量固定为10 m3/d时的理论持气率曲线图,图4(b)为持气率计在多相流实验装置上所测得的实际测得持气率曲线图。从图中可以看出,持气率的曲线走势同5 m3/d时曲线走势基本一致。图4(c)为油量为10 m3/d时绘制出的误差分析曲线图。从图中可以看出,当水流量为30 m3/d时的误差小于其他流量时的误差;当气量小于10 m3/d时,随着气量的逐渐增加,误差值逐渐减少到基线。当气量大于10 m3/d时,误差值基本不变,从图中可以看出,误差在基线附近一定范围内波动,可以说明仪器测量的准确性。

图4油量10 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.4Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 10 m3/d

3.3油量为20 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图5为油量为20 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线图,从图中可以看出,测得的持气率同理论的持气率误差曲线比流量为5 m3/d、10 m3/d时(在低气量时)的误差小,气量大于10 m3/d后的曲线趋势基本一致。综上所述,油气水三相流环境下,集流型光纤探针持气率测井仪测得的实测持气率会随着含气率的增大而增大,并且呈现较好的线性关系。气量从5～10 m3/d变化时误差较大,气量大于10 m3/d时误差较小,误差在10%以下,在可接受的误差范围内。4结论通过对油气水三相流产出剖面测井中光纤持气率计响应规律的实验数据进行分析,可以得出如下几点结论:(1)随着气量的逐渐增加,各个流量点所测得持气率值与实际持气率值基本一致,误差值在一定范围内波动。

图5油量20 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.5Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 20 m3/d

(2)实验中气量从5～10 m3/d变化时测量持气率值与理论持气率值之间误差变化较大,气量大于10 m3/d时误差变化较小,说明该仪器适合测量气量在10 m3/d以上的混合流体。(3)个别点局部曲线出现偏差主要受三相流实验室气量波动和集流伞漏失的影响。(4)此光纤持气率计要达到大面积的推广应用,还需要进一步的优化设计。参考文献：

［1］俞世钢.用光纤传感技术实现液体表面张力系数非接触测量［J］.光学仪器,2003,25(5):36.

［2］牟海维,段玉波,张坤,等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究［J］.光学仪器,2011,33(6):5861.

［3］牟海维,刘文嘉,孔令富,等.光纤持气率计在气／水两相流中响应规律的实验研究［J］.光学仪器,2012,34(5):6669.

［4］郭学涛,孔令富,张云生,等.基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪［J］.电子技术,2010(2):6870.

［5］牟海维,王爱双,张坤,等.油气水三相流产出剖面光纤持气率计的设计与理论研究［J］.科学技术与工程,2012,12(14):33633364.

［6］李莉,刘兴斌,房乾,等.光纤探针持气率计模拟井实验数据分析［J］.石油仪器,2012,26(2)4:2223.

［7］惠战强.分布式光纤传感器的原理及发展［J］.榆林学院学报,2008,18(2):4648.

［8］郭凤珍，于长泰.光纤传感技术与应用［M］.杭州:浙江大学出版社,1992:13.

表1油量固定,水/气实验流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3•d-1

配料流量配比量水/气30/535/540/545/550/5水/气30/1035/1040/1045/1050/10水/气30/1535/1540/1545/1550/15水/气30/2035/2040/2045/2050/20水/气30/2535/2540/2545/2550/25水/气30/3035/3040/3045/3050/30水/气30/3535/3540/3545/3550/35

3.1油量为5 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图3(a)为持气率计在油量固定为5 m3/d时的理论持气率曲线图,图3(b)为持气率计在多相流实验装置上所测得的实际测得持气率曲线图。两幅图中横坐标均为通入气量，纵坐标为持气率值。由图可知,无论是理论持气率值还是实验测得的持气率值均随气量的增大而增大,并且呈现出良好的线性关系,误差相对较小。图3(c)为绘制出的误差分析曲线图。从图中可以看出,水流量为30 m3/d时的误差小于其他流量时的误差;当气量小于10 m3/d时,随着气量的逐渐增加,误差值逐渐减少。当气量大于10 m3/d时,误差值基本不变,从图中可以看出,曲线基本重合在一起。

图3油量5 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.3Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 5 m3/d

3.2油量为10 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图4(a)为持气率计在油量固定为10 m3/d时的理论持气率曲线图,图4(b)为持气率计在多相流实验装置上所测得的实际测得持气率曲线图。从图中可以看出,持气率的曲线走势同5 m3/d时曲线走势基本一致。图4(c)为油量为10 m3/d时绘制出的误差分析曲线图。从图中可以看出,当水流量为30 m3/d时的误差小于其他流量时的误差;当气量小于10 m3/d时,随着气量的逐渐增加,误差值逐渐减少到基线。当气量大于10 m3/d时,误差值基本不变,从图中可以看出,误差在基线附近一定范围内波动,可以说明仪器测量的准确性。

图4油量10 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.4Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 10 m3/d

3.3油量为20 m3/d时,不同含水情况下持气率计的误差响应规律图5为油量为20 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线图,从图中可以看出,测得的持气率同理论的持气率误差曲线比流量为5 m3/d、10 m3/d时(在低气量时)的误差小,气量大于10 m3/d后的曲线趋势基本一致。综上所述,油气水三相流环境下,集流型光纤探针持气率测井仪测得的实测持气率会随着含气率的增大而增大,并且呈现较好的线性关系。气量从5～10 m3/d变化时误差较大,气量大于10 m3/d时误差较小,误差在10%以下,在可接受的误差范围内。4结论通过对油气水三相流产出剖面测井中光纤持气率计响应规律的实验数据进行分析,可以得出如下几点结论:(1)随着气量的逐渐增加,各个流量点所测得持气率值与实际持气率值基本一致,误差值在一定范围内波动。

图5油量20 m3/d时持气率随含水量变化响应曲线

Fig.5Curve for gas holdup versus water content under the oil content of 20 m3/d

(2)实验中气量从5～10 m3/d变化时测量持气率值与理论持气率值之间误差变化较大,气量大于10 m3/d时误差变化较小,说明该仪器适合测量气量在10 m3/d以上的混合流体。(3)个别点局部曲线出现偏差主要受三相流实验室气量波动和集流伞漏失的影响。(4)此光纤持气率计要达到大面积的推广应用,还需要进一步的优化设计。参考文献：

［1］俞世钢.用光纤传感技术实现液体表面张力系数非接触测量［J］.光学仪器,2003,25(5):36.

［2］牟海维,段玉波,张坤,等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究［J］.光学仪器,2011,33(6):5861.

［3］牟海维,刘文嘉,孔令富,等.光纤持气率计在气／水两相流中响应规律的实验研究［J］.光学仪器,2012,34(5):6669.

［4］郭学涛,孔令富,张云生,等.基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪［J］.电子技术,2010(2):6870.

［5］牟海维,王爱双,张坤,等.油气水三相流产出剖面光纤持气率计的设计与理论研究［J］.科学技术与工程,2012,12(14):33633364.

［6］李莉,刘兴斌,房乾,等.光纤探针持气率计模拟井实验数据分析［J］.石油仪器,2012,26(2)4:2223.

［7］惠战强.分布式光纤传感器的原理及发展［J］.榆林学院学报,2008,18(2):4648.

［8］郭凤珍，于长泰.光纤传感技术与应用［M］.杭州:浙江大学出版社,1992:13.