楊韻桐+姜兆宇+牟海維+劉興斌+李英偉

文章編號： 10055630(2014)03019805

收稿日期： 20140119

作者簡介： 楊韻桐(1987),女,碩士,主要從事MATLAB教學及油氣井測試方面的研究。

通訊作者： 牟海維(1963),男，教授，主要從事傳感測試技術和信息處理等方面的研究。

摘要： 為進一步研究油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計在高含水情況下的響應規(guī)律,在大慶油田多相流實驗裝置上進行了動態(tài)實驗研究。實驗結果表明,當油的流量一定,高含水的情況下,氣量在5～10 m3/d變化時測量持氣率值與實際持氣率值之間誤差變化較大。氣量大于10 m3/d時誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。此結果對光纖持氣率計的進一步優(yōu)化設計提供了實驗依據(jù)。

關鍵詞： 油氣水三相流; 光纖持氣率計; 誤差分析

中圖分類號： TH 814文獻標志碼： 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

引言在油田的開發(fā)過程中,技術人員需要知道在產(chǎn)液或注水過程中有關井內(nèi)流體的持性與狀態(tài)的詳細資料,這就要用到石油測井傳感器,其可靠性和準確性是至關重要的,而傳統(tǒng)的電子傳感器無法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電干擾下進行工作［13］。光纖傳感器可以克服這些困難,其對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件,包括高溫、高壓以及強烈的沖擊與振動,可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數(shù)。同時,光纖傳感器具有分布式測量能力,可以測量被測量的空間分布,給出剖面信息。本文所研究的產(chǎn)出剖面光纖持氣率計就是基于以上光纖傳感器的優(yōu)點研制而成。通過集流的方式,實現(xiàn)井下多相流中持氣率的準確測量,為存在脫氣、產(chǎn)氣的低產(chǎn)井產(chǎn)出剖面持氣率的測量提供了一種有效的方法。圖1光纖探針測量原理

Fig.1Optical fiber probe measurement principle1測量原理光纖持氣率計是基于光在折射率不同的物質(zhì)中(液體、氣體)是否發(fā)生全反射的原理研制而成的［4］,光纖探針測量原理如圖1所示。油的折射率為1.5,水的折射率為1.35,氣的折射率為1［5］,當光纖探針處于油水介質(zhì)中時,在光纖探頭處的光不能發(fā)生全反射,檢測裝置檢測到低電平;當光纖探針處于氣體中時,在光纖探頭處的光發(fā)生全反射,檢測裝置便可檢測到高電平。因此,隨著油氣水三相流體交替流過光纖探頭,光電轉換器就會輸出隨時間不斷變化的電壓信號,此信號經(jīng)過單片機的數(shù)據(jù)處理后,便可得知光纖探頭處的持氣率。2儀器結構光纖持氣率計結構圖如圖2所示,該裝置自左向右依次由電路筒、出液孔、光纖探針和集流傘等組成［68］。流體的流動方向為自右向左,電路筒內(nèi)放置持氣率計的硬件電路部分,出液孔可以排出由集流傘集流的流體,光纖探針傳感器由四探針組成,集流傘可將測量儀器和套管之間的環(huán)形空間封死,迫使大部分流體流經(jīng)光纖傳感器的測量通道后經(jīng)出液口流入套管內(nèi)。光學儀器第36卷

第3期楊韻桐，等：油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計響應規(guī)律的實驗研究

圖2光纖持氣率計結構圖

Fig.2Structural diagram of fiber gas hold

光纖探針位于測量通道內(nèi)部,集流后的流體會第一時間接觸到。在設計的過程中注意信號線的走位,以防過多的信號線影響流體的流形流態(tài),降低實驗結果的準確性。3油氣水三相流實驗數(shù)據(jù)分析在產(chǎn)出剖面測井工藝中,由于油氣水三相流分相含量的不同,會導致光纖持氣率計在對氣相測量時出現(xiàn)一定程度的誤差。在氣、油含量相對較少的情況下,為了觀察光纖持氣率計的響應規(guī)律，本實驗通過油量固定,在高含水的情況下,將氣體的含量逐漸增大,觀察光纖持氣率計的測量值與實際數(shù)值之間的響應規(guī)律。實驗在大慶油田多相流實驗裝置上進行了動態(tài)實驗研究,實驗所用采樣點為:油量固定水量分別在30～50 m3/d取了等間距的5個流量點;氣量在5～35 m3/d等間距取7個流量點。實驗中水氣的流量配比如表1所示,再將表1分別與油的流量為5 m3/d、10 m3/d、20 m3/d進行配比,測取油氣水三相流實驗數(shù)據(jù)。

表1油量固定,水/氣實驗流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3?d-1

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

3.1油量為5 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖3(a)為持氣率計在油量固定為5 m3/d時的理論持氣率曲線圖,圖3(b)為持氣率計在多相流實驗裝置上所測得的實際測得持氣率曲線圖。兩幅圖中橫坐標均為通入氣量，縱坐標為持氣率值。由圖可知,無論是理論持氣率值還是實驗測得的持氣率值均隨氣量的增大而增大,并且呈現(xiàn)出良好的線性關系,誤差相對較小。圖3(c)為繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,水流量為30 m3/d時的誤差小于其他流量時的誤差;當氣量小于10 m3/d時,隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少。當氣量大于10 m3/d時,誤差值基本不變,從圖中可以看出,曲線基本重合在一起。

圖3油量5 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

3.2油量為10 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖4(a)為持氣率計在油量固定為10 m3/d時的理論持氣率曲線圖,圖4(b)為持氣率計在多相流實驗裝置上所測得的實際測得持氣率曲線圖。從圖中可以看出,持氣率的曲線走勢同5 m3/d時曲線走勢基本一致。圖4(c)為油量為10 m3/d時繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,當水流量為30 m3/d時的誤差小于其他流量時的誤差;當氣量小于10 m3/d時,隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少到基線。當氣量大于10 m3/d時,誤差值基本不變,從圖中可以看出,誤差在基線附近一定范圍內(nèi)波動,可以說明儀器測量的準確性。

圖4油量10 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

3.3油量為20 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖5為油量為20 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線圖,從圖中可以看出,測得的持氣率同理論的持氣率誤差曲線比流量為5 m3/d、10 m3/d時(在低氣量時)的誤差小,氣量大于10 m3/d后的曲線趨勢基本一致。綜上所述,油氣水三相流環(huán)境下,集流型光纖探針持氣率測井儀測得的實測持氣率會隨著含氣率的增大而增大,并且呈現(xiàn)較好的線性關系。氣量從5～10 m3/d變化時誤差較大,氣量大于10 m3/d時誤差較小,誤差在10%以下,在可接受的誤差范圍內(nèi)。4結論通過對油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計響應規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)進行分析,可以得出如下幾點結論:(1)隨著氣量的逐漸增加,各個流量點所測得持氣率值與實際持氣率值基本一致,誤差值在一定范圍內(nèi)波動。

圖5油量20 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

(2)實驗中氣量從5～10 m3/d變化時測量持氣率值與理論持氣率值之間誤差變化較大,氣量大于10 m3/d時誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。(3)個別點局部曲線出現(xiàn)偏差主要受三相流實驗室氣量波動和集流傘漏失的影響。(4)此光纖持氣率計要達到大面積的推廣應用,還需要進一步的優(yōu)化設計。參考文獻：

［1］俞世鋼.用光纖傳感技術實現(xiàn)液體表面張力系數(shù)非接觸測量［J］.光學儀器,2003,25(5):36.

［2］牟海維,段玉波,張坤,等.光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究［J］.光學儀器,2011,33(6):5861.

［3］牟海維,劉文嘉,孔令富,等.光纖持氣率計在氣／水兩相流中響應規(guī)律的實驗研究［J］.光學儀器,2012,34(5):6669.

［4］郭學濤,孔令富,張云生,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,2010(2):6870.

［5］牟海維,王愛雙,張坤,等.油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計的設計與理論研究［J］.科學技術與工程,2012,12(14):33633364.

［6］李莉,劉興斌,房乾,等.光纖探針持氣率計模擬井實驗數(shù)據(jù)分析［J］.石油儀器,2012,26(2)4:2223.

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

［8］郭鳳珍，于長泰.光纖傳感技術與應用［M］.杭州:浙江大學出版社,1992:13.

表1油量固定,水/氣實驗流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3?d-1

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

3.1油量為5 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖3(a)為持氣率計在油量固定為5 m3/d時的理論持氣率曲線圖,圖3(b)為持氣率計在多相流實驗裝置上所測得的實際測得持氣率曲線圖。兩幅圖中橫坐標均為通入氣量，縱坐標為持氣率值。由圖可知,無論是理論持氣率值還是實驗測得的持氣率值均隨氣量的增大而增大,并且呈現(xiàn)出良好的線性關系,誤差相對較小。圖3(c)為繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,水流量為30 m3/d時的誤差小于其他流量時的誤差;當氣量小于10 m3/d時,隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少。當氣量大于10 m3/d時,誤差值基本不變,從圖中可以看出,曲線基本重合在一起。

圖3油量5 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

3.2油量為10 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖4(a)為持氣率計在油量固定為10 m3/d時的理論持氣率曲線圖,圖4(b)為持氣率計在多相流實驗裝置上所測得的實際測得持氣率曲線圖。從圖中可以看出,持氣率的曲線走勢同5 m3/d時曲線走勢基本一致。圖4(c)為油量為10 m3/d時繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,當水流量為30 m3/d時的誤差小于其他流量時的誤差;當氣量小于10 m3/d時,隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少到基線。當氣量大于10 m3/d時,誤差值基本不變,從圖中可以看出,誤差在基線附近一定范圍內(nèi)波動,可以說明儀器測量的準確性。

圖4油量10 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

3.3油量為20 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖5為油量為20 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線圖,從圖中可以看出,測得的持氣率同理論的持氣率誤差曲線比流量為5 m3/d、10 m3/d時(在低氣量時)的誤差小,氣量大于10 m3/d后的曲線趨勢基本一致。綜上所述,油氣水三相流環(huán)境下,集流型光纖探針持氣率測井儀測得的實測持氣率會隨著含氣率的增大而增大,并且呈現(xiàn)較好的線性關系。氣量從5～10 m3/d變化時誤差較大,氣量大于10 m3/d時誤差較小,誤差在10%以下,在可接受的誤差范圍內(nèi)。4結論通過對油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計響應規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)進行分析,可以得出如下幾點結論:(1)隨著氣量的逐漸增加,各個流量點所測得持氣率值與實際持氣率值基本一致,誤差值在一定范圍內(nèi)波動。

圖5油量20 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

(2)實驗中氣量從5～10 m3/d變化時測量持氣率值與理論持氣率值之間誤差變化較大,氣量大于10 m3/d時誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。(3)個別點局部曲線出現(xiàn)偏差主要受三相流實驗室氣量波動和集流傘漏失的影響。(4)此光纖持氣率計要達到大面積的推廣應用,還需要進一步的優(yōu)化設計。參考文獻：

［1］俞世鋼.用光纖傳感技術實現(xiàn)液體表面張力系數(shù)非接觸測量［J］.光學儀器,2003,25(5):36.

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［3］牟海維,劉文嘉,孔令富,等.光纖持氣率計在氣／水兩相流中響應規(guī)律的實驗研究［J］.光學儀器,2012,34(5):6669.

［4］郭學濤,孔令富,張云生,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,2010(2):6870.

［5］牟海維,王愛雙,張坤,等.油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計的設計與理論研究［J］.科學技術與工程,2012,12(14):33633364.

［6］李莉,劉興斌,房乾,等.光纖探針持氣率計模擬井實驗數(shù)據(jù)分析［J］.石油儀器,2012,26(2)4:2223.

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

［8］郭鳳珍，于長泰.光纖傳感技術與應用［M］.杭州:浙江大學出版社,1992:13.

表1油量固定,水/氣實驗流量配比

Tab.1Fix of the oil,scaled flow

test of watergasm3?d-1

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

3.1油量為5 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖3(a)為持氣率計在油量固定為5 m3/d時的理論持氣率曲線圖,圖3(b)為持氣率計在多相流實驗裝置上所測得的實際測得持氣率曲線圖。兩幅圖中橫坐標均為通入氣量，縱坐標為持氣率值。由圖可知,無論是理論持氣率值還是實驗測得的持氣率值均隨氣量的增大而增大,并且呈現(xiàn)出良好的線性關系,誤差相對較小。圖3(c)為繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,水流量為30 m3/d時的誤差小于其他流量時的誤差;當氣量小于10 m3/d時,隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少。當氣量大于10 m3/d時,誤差值基本不變,從圖中可以看出,曲線基本重合在一起。

圖3油量5 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

3.2油量為10 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖4(a)為持氣率計在油量固定為10 m3/d時的理論持氣率曲線圖,圖4(b)為持氣率計在多相流實驗裝置上所測得的實際測得持氣率曲線圖。從圖中可以看出,持氣率的曲線走勢同5 m3/d時曲線走勢基本一致。圖4(c)為油量為10 m3/d時繪制出的誤差分析曲線圖。從圖中可以看出,當水流量為30 m3/d時的誤差小于其他流量時的誤差;當氣量小于10 m3/d時,隨著氣量的逐漸增加,誤差值逐漸減少到基線。當氣量大于10 m3/d時,誤差值基本不變,從圖中可以看出,誤差在基線附近一定范圍內(nèi)波動,可以說明儀器測量的準確性。

圖4油量10 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

3.3油量為20 m3/d時,不同含水情況下持氣率計的誤差響應規(guī)律圖5為油量為20 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線圖,從圖中可以看出,測得的持氣率同理論的持氣率誤差曲線比流量為5 m3/d、10 m3/d時(在低氣量時)的誤差小,氣量大于10 m3/d后的曲線趨勢基本一致。綜上所述,油氣水三相流環(huán)境下,集流型光纖探針持氣率測井儀測得的實測持氣率會隨著含氣率的增大而增大,并且呈現(xiàn)較好的線性關系。氣量從5～10 m3/d變化時誤差較大,氣量大于10 m3/d時誤差較小,誤差在10%以下,在可接受的誤差范圍內(nèi)。4結論通過對油氣水三相流產(chǎn)出剖面測井中光纖持氣率計響應規(guī)律的實驗數(shù)據(jù)進行分析,可以得出如下幾點結論:(1)隨著氣量的逐漸增加,各個流量點所測得持氣率值與實際持氣率值基本一致,誤差值在一定范圍內(nèi)波動。

圖5油量20 m3/d時持氣率隨含水量變化響應曲線

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

(2)實驗中氣量從5～10 m3/d變化時測量持氣率值與理論持氣率值之間誤差變化較大,氣量大于10 m3/d時誤差變化較小,說明該儀器適合測量氣量在10 m3/d以上的混合流體。(3)個別點局部曲線出現(xiàn)偏差主要受三相流實驗室氣量波動和集流傘漏失的影響。(4)此光纖持氣率計要達到大面積的推廣應用,還需要進一步的優(yōu)化設計。參考文獻：

［1］俞世鋼.用光纖傳感技術實現(xiàn)液體表面張力系數(shù)非接觸測量［J］.光學儀器,2003,25(5):36.

［2］牟海維,段玉波,張坤,等.光纖表面等離子體共振傳感器理論仿真研究［J］.光學儀器,2011,33(6):5861.

［3］牟海維,劉文嘉,孔令富,等.光纖持氣率計在氣／水兩相流中響應規(guī)律的實驗研究［J］.光學儀器,2012,34(5):6669.

［4］郭學濤,孔令富,張云生,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,2010(2):6870.

［5］牟海維,王愛雙,張坤,等.油氣水三相流產(chǎn)出剖面光纖持氣率計的設計與理論研究［J］.科學技術與工程,2012,12(14):33633364.

［6］李莉,劉興斌,房乾,等.光纖探針持氣率計模擬井實驗數(shù)據(jù)分析［J］.石油儀器,2012,26(2)4:2223.

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

［8］郭鳳珍，于長泰.光纖傳感技術與應用［M］.杭州:浙江大學出版社,1992:13.