牟海維，劉文嘉，孔令富，李英偉，劉 超，劉興斌

（1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2.燕山大學(xué) 信息學(xué)院，河北 秦皇島 066004；3.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 163453）

引 言

大慶油田和國內(nèi)多數(shù)陸相沉積油田的生產(chǎn)井具有產(chǎn)層多、產(chǎn)量低的特點。隨著油田開發(fā)進入高含水后期，大量油井開采過程中均伴有氣體的產(chǎn)生，因其特殊的物理性質(zhì)，故導(dǎo)致渦輪流量和含水率測量精度的降低。現(xiàn)有確定井下油／氣／水三相流產(chǎn)出剖面流量和含水率的方法主要是通過測量三相流總流量、持水率、持氣率以及流體密度等參數(shù)，并結(jié)合溫度、壓力及油／氣／水的物性參數(shù)確定油／氣／水的分相流量。因此，持氣率是三相流流量測量中的重要參數(shù)之一，準確測量持氣率具有重要的現(xiàn)實意義和實際的應(yīng)用價值［1－3］。

目前，測試兩相流或三相流中氣泡尺寸及含氣率的方法主要包括照相法、攝像—圖像處理法、雙電極導(dǎo)電探針法等［4－8］。但這些測試方法均存在一定的局限性，尤其是在氣泡尺寸變化范圍較寬、氣泡密度較大的場合，測試誤差較大。基于折射率調(diào)制型光纖傳感器對于油／氣、水／氣以及油／氣／水流體的折射率變化非常靈敏，動態(tài)檢測范圍可達到全量程0%～100%，可高精度地測量介質(zhì)折射率的變化，并且由于其獨特的電絕緣性使光纖傳感器具有很強的抗電磁干擾能力，在易燃易爆場合下本征安全性，以及快速響應(yīng)和耐腐蝕的特點，使光纖傳感器完全適用于井下的惡劣環(huán)境，近年來在油井產(chǎn)出剖面測量方面逐漸受到重視［9－12］。文中主要是針對氣／水兩相流在不同配比下進行的三組實驗，從而探索現(xiàn)有光纖持氣率計在氣／水兩相流下的響應(yīng)規(guī)律。

1 光纖持氣率計傳感探針測量原理

現(xiàn)對燕山大學(xué)信息學(xué)院研制的光纖持氣率計的氣液響應(yīng)規(guī)律進行了研究，其傳感探針測量原理見圖1，該系統(tǒng)詳見文獻［12］。光纖探針法的測量原理基于氣相和液相對光的折射率不同，當(dāng)光纖探針與氣相接觸時，入射光在棱鏡上發(fā)生全反射，經(jīng)反射光纖投射到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器輸出高電平；當(dāng)光纖探針和水或油相接觸時，入射光在棱鏡上被折射出去，無足夠強度的光投射到光電轉(zhuǎn)換器上，光電轉(zhuǎn)換器輸出低電平。隨著油氣水三相流體交替流過光纖探針，光電轉(zhuǎn)換器輸出隨時間連續(xù)變化的電壓信號，將此信號經(jīng)過處理，便可得到光纖探針所在位置的局部截面含氣率。

圖1中傳感探針由棱錐形藍寶石探頭、入射光纖和出射光纖組成，入射光纖和出射光纖是采用熔接的方法與藍寶石結(jié)合的。當(dāng)將探針置于氣液環(huán)境（折射率為n1）中時，由于氣相和液相的折射率不同（氣體、水和油的折射率分別為1、1.35和1.5），入射光經(jīng)探頭返回的輸出光光強不同，故基于上述原理可計量持氣率。當(dāng)流體是氣體時，來自入射光纖的光波經(jīng)藍寶石探頭會發(fā)生全反射而有大量的光被反射回來，輸出較高光功率而顯示高電平；反之當(dāng)探頭接觸液相時，輸出信號幅值較低為低電平，故該系統(tǒng)具有二元性。

圖1 光纖探針測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber probes

2 實 驗

圖2為大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司三相流實驗基地的多相流標定裝置結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置主要由貯液罐、壓力源、井架及穩(wěn)壓罐、管線、閘門、標準渦輪等部分組成，能夠模擬井下注入井和采出井的流動狀態(tài)，形成油、氣、水和聚合物溶液多相管流，各相流體經(jīng)標準表單相計量后，在井筒混合，形成多相流，流量的計量和采集實現(xiàn)自動控制。多相流實驗裝置井筒外徑139.7mm，內(nèi)徑125mm，井筒高度13m。多相流實驗裝置能提供的流量范圍及誤差分別為：水路流量在0.2～600m3／d，計量精度為±0.5%；氮氣流量范圍在4～2 000m3／d（多相流實驗裝置筒處），計量精度達±3%。通過調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閘門可得到不同的、準確的油流量、水流量和氣流量。

文中主要利用該裝置對燕山大學(xué)信息學(xué)院研制的光纖持氣率計的響應(yīng)規(guī)律進行系統(tǒng)研究。實驗對氣／水兩相流環(huán)境做了三組實驗，分別為：（1）靜水環(huán)境下持氣率的測量；（2）水／氣總含量為80m3／d的環(huán)境下持氣率的測量；（3）氣量為10m3／d不同含水量環(huán)境下持氣率的測量。

圖2 多相流實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of multiphase flow experiment equipment

3 結(jié)果與討論

圖3 靜水環(huán)境下含氣量與持氣率關(guān)系曲線Fig.3 Curve of gas content versus gas holdup in static water

圖3示出了靜水環(huán)境下光纖持氣率探針的含氣量與持氣率關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)模擬井筒內(nèi)注入一定量的水，且沒過集流傘的出液口，氣量由9m3／d逐漸增加至50m3／d時，光纖探針的持氣率隨含氣量的增大而增大，二者基本呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，表明光纖持氣率計適用于靜水條件持氣率的測量。

圖4示出了水／氣兩相總含量為80m3／d時光纖持氣率探針的含氣量與持氣率關(guān)系曲線。從圖中可以清楚地看出，實測持氣率隨含氣量的增大而增大，而且呈良好的線性變化關(guān)系；而且，對比實測持氣率曲線和實驗中的水／氣實際含量配比關(guān)系曲線可以看出，當(dāng)水／氣總量為低于80m3／d時，實測持氣率和實際持氣率吻合較好。需要指出的是，實驗設(shè)定的水／氣總含量上限為80m3／d是因為所用多相流標定裝置的集流傘所能承受的模擬井進行最大含量為80m3／d；當(dāng)總量超過80m3／d時，集流傘就會向上串動。

圖5示出了氣量為10m3／d時不同含水量環(huán)境下的含水量與持氣率關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)固定含氣量為10m3／d，含水量由10m3／d以5m3／d為間隔逐漸增加到65m3／d時，光纖探針的持氣率隨含水量的增大而逐漸減小。對比實測持氣率和實際持氣率曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水量低于35m3／d時，實測持氣率與實際持氣率相差較大；而當(dāng)含水量在35～65m3／d之間變化時，二者相差很小。

圖4 水／氣總含量為80m3／d時含氣量與持氣率關(guān)系曲線Fig.4 Curve of gas content versus gas holdup when total water／gas content is 80m3／d

圖5 氣量為10m3／d時不同含水量環(huán)境下含水量與持氣率關(guān)系曲線Fig.5 Curve of water content versus gas holdup under different water content when gas content is 10m3／d

4 結(jié) 論

利用大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司三相流實驗基地的多相流標定裝置對現(xiàn)有光纖持氣率探針的氣液兩相產(chǎn)出剖面持氣率的響應(yīng)規(guī)律進行了系統(tǒng)研究，獲得主要結(jié)論如下：

（1）在靜水條件下（水流量為0），光纖持氣率計的持氣率對氣含量響應(yīng)基本呈線性變化規(guī)律；

（2）在氣／水總量為80m3／d時，氣／水不同配比的情況下，光纖持氣率計的持氣率對氣含量響應(yīng)呈線性規(guī)律，且實測持氣率與理論持氣率相吻合；

（3）當(dāng)氣／水總量低于45m3／d時，光纖持氣率計的持氣率對氣／水量響應(yīng)不呈線性規(guī)律，與實際持氣率有所偏差，總量越低偏差越大；當(dāng)氣／水總量大于45m3／d時，實測持氣率與實際持氣率吻合較好。

［1］ 李海青，喬賀堂.多相流檢測技術(shù)進展［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1991.

［2］ 郭烈錦.兩相與多相流動力學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.

［3］ 張麗娜，王小尚，張荷玲，等.新型油水兩相水平管流流型分類方法［J］.油氣儲運，2006，25（10）：49－51.

［4］ 胡金海，劉興斌，張玉輝，等.用于井下油水兩相流測量的新型流量計［J］.測井技術(shù)，1999，23（4）：292－294.

［5］ ODDIE G，SHI H，DURLOFSKY L J，etal.Experimental study of two and three phase flows in large diameter inclined pipes［J］.InternationalJournalofMultiphaseFlow，2003，29（4）：527－558

［6］ WILLIAMS J，JIN Y.多相流計量研究的現(xiàn)狀［J］.國外油田工程，1997，13（6）：39－42.

［7］ BANKOFF S G.Structure of air－water bubbly flow in a vertical pipe［J］.InternationalJournalofHeatandMassTransfer，1993，36（4）：1061－1072.

［8］ 童茂松，彭會忠，杜國同.油田測試中的光纖傳感技術(shù)［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2004，1（1）：14－18.

［9］ 惠戰(zhàn)強.分布式光纖傳感器的原理及發(fā)展［J］.榆林學(xué)院學(xué)報，2008，18（2）：46－48.

［10］ 劉 磊，周芳德.U型光導(dǎo)纖維探針對油／氣兩相流的測試［J］.石油煉制與化工，1994，25（3）：52－55.

［11］ 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)探針組合測量技術(shù)［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，1995，29（8）：32－36.

［12］ 郭學(xué)濤，孔令富，張運生，等.基于光纖傳感器的油氣水三相流持氣率測井儀［J］.電子技術(shù)，2010，37（2）：68－70.