張 勇 李英偉 劉興斌 王振玉 沈染慶

(1．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 163100;2．燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 河北 秦皇島 066004)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

持氣率測量光纖探針敏感頭仿真及形狀優(yōu)化*

張 勇1李英偉2劉興斌1王振玉1沈染慶1

(1．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 163100;2．燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 河北 秦皇島 066004)

文章針對傳統(tǒng)光纖探針傳感器測量持氣率靈敏度差的問題，以光纖光學(xué)原理為基礎(chǔ)，基于光學(xué)設(shè)計軟件Zemax純非序列模式，分析光線在不同形狀光纖敏感頭中的傳輸情況，對光纖探針敏感頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。按單光纖探針的形狀，初步設(shè)計四種敏感頭形狀并模擬其光路，經(jīng)過百萬次的光線追跡，對探測器上的回光能量進(jìn)行收集并對比分析，最終設(shè)計出最優(yōu)形狀光纖探針敏感頭。

光纖探針傳感器；Zemax；持氣率；仿真模型

0 引 言

油井實際生產(chǎn)中，持氣率測量是油氣水三相流參數(shù)測量中一個重要的研究內(nèi)容，但油氣水三相流的流動特性十分復(fù)雜，致使油氣水三相流持氣率的測量難度較大。國內(nèi)外發(fā)展了多種測量持氣率的方法，但各種方法都有其針對性和局限性[1～3]。探針法因其抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點在多相流持氣率測量中得到廣泛應(yīng)用[4～5]。目前我國多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入高含水階段，針對傳統(tǒng)光纖探針傳感器測量持氣率靈敏度差的問題，研究了光纖探針傳感器敏感頭優(yōu)化設(shè)計方法。因此本文以光纖光學(xué)原理為基礎(chǔ)，基于光學(xué)設(shè)計軟件Zemax純非序列模式[6]，建立探針及其耦合光路仿真模型，對光纖內(nèi)部光線進(jìn)行追跡，通過百萬次的光線追跡，分析光線在不同形狀光纖敏感頭中的傳輸情況。模擬耦合系統(tǒng)中經(jīng)光纖探針敏感頭反射回探測的光線，收集回光能量并對探測器上的回光能量進(jìn)行對比分析，研究探針置于空氣介質(zhì)中時探針形狀對其靈敏度產(chǎn)生的影響，對光纖探針敏感頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期更準(zhǔn)確的進(jìn)行油氣水三相流持氣率測量。

1 光纖探針測量原理

光纖探針法的測量原理是利用氣相和液相對光的折射率不同，根據(jù)探針頭部接收到的折射光強(qiáng)度不同，來分辨探針頭部是處于氣相還是液相。當(dāng)光纖探針端部與氣相接觸時，入射光在棱鏡上發(fā)生全反射；當(dāng)光纖探針端部與水和油接觸時，入射光在棱鏡上發(fā)生折射進(jìn)入被測介質(zhì)而無反射，即可獲得光纖探針?biāo)廃c的持氣率，如圖1所示。

圖1 光纖探針測量原理

光纖探針敏感頭是其主要的傳感部分，對儀器的靈敏度及可靠性至關(guān)重要，因此敏感頭的形狀和直徑的選擇是光纖探針傳感器設(shè)計能否成功的關(guān)鍵。一方面，探針直徑應(yīng)足夠大以使其與液膜相比為最?。涣硪环矫嬗謶?yīng)當(dāng)足夠小以盡量減小探針敏感頭對流體流動的干擾，這也是研究光纖探針形狀不斷地提高敏感頭回光率的重要原因之一。本文按光纖探針頭部結(jié)構(gòu)的不同，設(shè)計四種單纖探針分為圓錐形探針、球形探針、拋物線形探針和橢圓形探針，如圖2所示。

圖2 四種探針形狀剖面圖

2 仿真模型的建立

本文利用Zemax軟件對光纖探針敏感頭內(nèi)部光線傳輸進(jìn)行仿真測試即光線追跡，下面具體介紹如何將探針放入耦合系統(tǒng)光路中進(jìn)行軟件仿真。參照光纖基本原理知光纖的組成部分纖芯與包層，內(nèi)外都是圓柱形結(jié)構(gòu)，因此光纖在軟件中有多種模擬方法，其中之一是用兩個圓柱體來模擬，另一種用兩個標(biāo)準(zhǔn)鏡來模擬。本文欲選用標(biāo)準(zhǔn)鏡片模擬的方法，光纖的纖芯材料使用軟件中的SILICA(二氧化硅)，在Zemax中標(biāo)準(zhǔn)面的每一個點坐標(biāo)是由公式(1)決定的。

(1)

在Zemax中，光纖的模擬可以有很多的方法，這里采用最簡單的方法，即兩個標(biāo)準(zhǔn)透鏡(standard lens)，曲率半徑為0，纖芯的半徑設(shè)置為0.3，材料設(shè)置為silica(石英材料)，包層的半徑設(shè)置為0.33，材料設(shè)置為LZ_OK4(滿足其NA=0.22)，纖芯放在包層的下面，且纖芯的inside of填寫為包層的序列號。具體的設(shè)計結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 基于Zemax光線追跡法的光纖設(shè)計圖

3 光路模擬及結(jié)果分析

在光路模擬前，將傳感器結(jié)構(gòu)中耦合系統(tǒng)設(shè)計為Y型，如圖5所示。一束光通過光纖傳輸?shù)教筋^，當(dāng)光纖探針與氣相接觸時，入射光大部分光通過Y結(jié)點被反射回到檢測器，并轉(zhuǎn)換成電信號，光電轉(zhuǎn)換器輸出高電平。當(dāng)光纖探針與水或油相接觸時，光被折射出去，進(jìn)入被測介質(zhì)，幾乎沒有光返回發(fā)射器或者探測器，從而轉(zhuǎn)換成很弱的電信號，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)換器將輸出隨時間連續(xù)變化的電壓信號，將此信號經(jīng)過數(shù)字信號處理，便可得到光纖探針?biāo)谖恢玫木植拷孛婧瑲饴?，且隨時間變化的信號將以鋸齒形狀的轉(zhuǎn)變連續(xù)存在。

圖5 耦合系統(tǒng)光路圖

光路中，一端為入射光纖，一端為出射光纖，如果將發(fā)光二極管的光源看做點光源進(jìn)行設(shè)計，那么從開始就會存在誤差，造成設(shè)計的不確定性將光源看做面光源，而非點光源進(jìn)行模擬分析，光纖探頭即選用上述四種光纖探針。先將Zemax非序列中以光纖探針敏感頭和耦合光纖連接處做為起始原點，耦合光纖的Object Type欄設(shè)定為Imported，材料設(shè)置為SILICA(二氧化硅)，敏感頭選用Standard Lens。其次對光源進(jìn)行定位，光源的空間位置坐標(biāo)為(0,6.076,-34.34)，關(guān)于X軸旋轉(zhuǎn)20°，能量參數(shù)設(shè)定為3.75(10-3W)。因為耦合系統(tǒng)光路出射光纖末端是接光電探測器，故此處在Zemax中仿真時放置一個探測器，實際中光電二極管尺寸為1.93 mm，故探測器選用2×2 mm2同時確定探測器的空間位置，仿真中探測器空間位置坐標(biāo)為(0,-6.076,-34.34)，關(guān)于X軸旋轉(zhuǎn)-20°，材料設(shè)置為ABSORB，目的是收集不同形狀的探頭的回光能量?；谏鲜鲅芯考澳M的耦合系統(tǒng)光路及其參數(shù)設(shè)置，在Zemax非序列中保持光源、光纖、探測器的材料、空間位置及其它的所有參數(shù)一致的情況下，僅更換光路耦合系統(tǒng)中探測系統(tǒng)的敏感探頭。如先將耦合系統(tǒng)光路中的探針敏感頭位置放置一個如圖4 (a) 圓錐形光纖探針，并且每更換一次探針敏感頭都對光路進(jìn)行百萬次的光線追跡，探針敏感頭在光路中的回光能量圖如6 (a) 圓錐形光纖探針回光能量圖所示，依次類推有如下各形狀光纖探針敏感頭光線追跡回光能量如圖6所示。X，Y軸定義為以探測器中心為原點，探測器在X，Y各方向上的長度值,mm，Z軸為照度值,W/ cm2。

圖6 四種不同光纖探頭回光能量圖

針對上述仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析討論，由圖6 (a)圓錐形光纖探針最終得到的能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測器坐標(biāo)軸中心±0.5 mm范圍內(nèi)即探測器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且能量的最值要明顯高于其它七種形狀的光纖探針；圖6 (b)球形光纖探針回光能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且其能量分布范圍內(nèi)，能量的起伏比較大；圖6 (c)拋物線形光纖探針回光能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且其能量的分布呈現(xiàn)階梯狀；圖6 (d)橢圓形光纖探針回光能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且其能量分布范圍內(nèi)，能量的起伏也比較大；最后結(jié)合仿真結(jié)果圖及工程制作難易及表1分析，因為四種形狀收集到的照度最大值和回光能量總和均為圓錐形光纖敏感頭最大，故由上述仿真結(jié)果得出本文設(shè)計的光纖傳感器的核心器件光纖探針敏感頭形狀為圓錐形。

表1 四種形狀光纖敏感頭參數(shù)特征值

4 結(jié) 論

本文采用Zemax軟件純非序列模式，對四種不同光纖探針敏感頭形狀進(jìn)行了仿真模擬。研究了探針敏感頭形狀對其靈敏度影響的一些規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)對于不同探針形狀光線傳輸?shù)淖兓?guī)律，本文提出一種新的光纖追跡模擬方法。

2)利用Zemax軟件對光纖探針內(nèi)部光線進(jìn)行仿真模擬，對比分析光線軌跡模擬結(jié)果，利用仿真的方法收集返回的能量值。

3)依據(jù)模擬光路中探測器上的回光能量分析，除氣泡張力等影響測量不精確因素外，探針的形狀及角度都是影響探針靈敏度的重要因素，本文優(yōu)化結(jié)構(gòu)選用圓錐形。

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Optimized Measurement of Gas Holdup of the Optical Fiber Probe Sensitive Head Structure

ZHANG Yong1LI Yingwei2LIU Xingbin1WANG Zhenyu1SHEN Ranqing1

(1.Logging&TestingServicesCompanyofDaqingOilfieldCo.LTD,Daqing,Heilongjiang163100,China2.CollegeofInformationScienceandEngineering,Yanshanuniversity,Qinhuangdao,Hebei066004,China)

Aiming at a optical fiber probe sensor head held gas rate sensitivity problem for traditional fiber probe sensor measurement,based on the principle of optical fiber,and based optical design software Zemax pure non-sequential mode,analysing the transmission of light in the different shape of the optical fiber,after a million light trace analysis of the energy of the detector,optimized the optical fiber.The shape of the single-fiber probe,preliminary design and simulate the optical path,draw four different shapes of the probe sensitivity,design the optimal shape.

optical fiber sensor, zemax, gas holdup, simulation model

國家科技重大專項，項目編號：2011ZX05020-006。

張 勇，男，1967年生，高級工程師，1991年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)測井專業(yè)，目前在大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司從事生產(chǎn)測井儀器研發(fā)工作。E-mail：dlts_zhangy@petrochina.com.cn

TE372

A

2096-0077(2015)02-0082-03

2014-09-13 編輯：韓德林)