光纤持气率计在气／水两相流中响应规律的实验研究＊

牟海维，刘文嘉，孔令富，李英伟，刘 超，刘兴斌

（1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318；2.燕山大学 信息学院，河北 秦皇岛 066004；3.大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163453）

引 言

大庆油田和国内多数陆相沉积油田的生产井具有产层多、产量低的特点。随着油田开发进入高含水后期，大量油井开采过程中均伴有气体的产生，因其特殊的物理性质，故导致涡轮流量和含水率测量精度的降低。现有确定井下油／气／水三相流产出剖面流量和含水率的方法主要是通过测量三相流总流量、持水率、持气率以及流体密度等参数，并结合温度、压力及油／气／水的物性参数确定油／气／水的分相流量。因此，持气率是三相流流量测量中的重要参数之一，准确测量持气率具有重要的现实意义和实际的应用价值［1－3］。

目前，测试两相流或三相流中气泡尺寸及含气率的方法主要包括照相法、摄像—图像处理法、双电极导电探针法等［4－8］。但这些测试方法均存在一定的局限性，尤其是在气泡尺寸变化范围较宽、气泡密度较大的场合，测试误差较大。基于折射率调制型光纤传感器对于油／气、水／气以及油／气／水流体的折射率变化非常灵敏，动态检测范围可达到全量程0%～100%，可高精度地测量介质折射率的变化，并且由于其独特的电绝缘性使光纤传感器具有很强的抗电磁干扰能力，在易燃易爆场合下本征安全性，以及快速响应和耐腐蚀的特点，使光纤传感器完全适用于井下的恶劣环境，近年来在油井产出剖面测量方面逐渐受到重视［9－12］。文中主要是针对气／水两相流在不同配比下进行的三组实验，从而探索现有光纤持气率计在气／水两相流下的响应规律。

1 光纤持气率计传感探针测量原理

现对燕山大学信息学院研制的光纤持气率计的气液响应规律进行了研究，其传感探针测量原理见图1，该系统详见文献［12］。光纤探针法的测量原理基于气相和液相对光的折射率不同，当光纤探针与气相接触时，入射光在棱镜上发生全反射，经反射光纤投射到光电转换器上，光电转换器输出高电平；当光纤探针和水或油相接触时，入射光在棱镜上被折射出去，无足够强度的光投射到光电转换器上，光电转换器输出低电平。随着油气水三相流体交替流过光纤探针，光电转换器输出随时间连续变化的电压信号，将此信号经过处理，便可得到光纤探针所在位置的局部截面含气率。

图1中传感探针由棱锥形蓝宝石探头、入射光纤和出射光纤组成，入射光纤和出射光纤是采用熔接的方法与蓝宝石结合的。当将探针置于气液环境（折射率为n1）中时，由于气相和液相的折射率不同（气体、水和油的折射率分别为1、1.35和1.5），入射光经探头返回的输出光光强不同，故基于上述原理可计量持气率。当流体是气体时，来自入射光纤的光波经蓝宝石探头会发生全反射而有大量的光被反射回来，输出较高光功率而显示高电平；反之当探头接触液相时，输出信号幅值较低为低电平，故该系统具有二元性。

图1 光纤探针测量原理图Fig.1 Schematic diagram of optical fiber probes

2 实 验

图2为大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司三相流实验基地的多相流标定装置结构示意图。该装置主要由贮液罐、压力源、井架及稳压罐、管线、闸门、标准涡轮等部分组成，能够模拟井下注入井和采出井的流动状态，形成油、气、水和聚合物溶液多相管流，各相流体经标准表单相计量后，在井筒混合，形成多相流，流量的计量和采集实现自动控制。多相流实验装置井筒外径139.7mm，内径125mm，井筒高度13m。多相流实验装置能提供的流量范围及误差分别为：水路流量在0.2～600m3／d，计量精度为±0.5%；氮气流量范围在4～2 000m3／d（多相流实验装置筒处），计量精度达±3%。通过调节流量调节闸门可得到不同的、准确的油流量、水流量和气流量。

文中主要利用该装置对燕山大学信息学院研制的光纤持气率计的响应规律进行系统研究。实验对气／水两相流环境做了三组实验，分别为：（1）静水环境下持气率的测量；（2）水／气总含量为80m3／d的环境下持气率的测量；（3）气量为10m3／d不同含水量环境下持气率的测量。

图2 多相流实验装置结构示意图Fig.2 Structure of multiphase flow experiment equipment

3 结果与讨论

图3 静水环境下含气量与持气率关系曲线Fig.3 Curve of gas content versus gas holdup in static water

图3示出了静水环境下光纤持气率探针的含气量与持气率关系曲线。从图中可以看出，当模拟井筒内注入一定量的水，且没过集流伞的出液口，气量由9m3／d逐渐增加至50m3／d时，光纤探针的持气率随含气量的增大而增大，二者基本呈现线性变化规律，表明光纤持气率计适用于静水条件持气率的测量。

图4示出了水／气两相总含量为80m3／d时光纤持气率探针的含气量与持气率关系曲线。从图中可以清楚地看出，实测持气率随含气量的增大而增大，而且呈良好的线性变化关系；而且，对比实测持气率曲线和实验中的水／气实际含量配比关系曲线可以看出，当水／气总量为低于80m3／d时，实测持气率和实际持气率吻合较好。需要指出的是，实验设定的水／气总含量上限为80m3／d是因为所用多相流标定装置的集流伞所能承受的模拟井进行最大含量为80m3／d；当总量超过80m3／d时，集流伞就会向上串动。

图5示出了气量为10m3／d时不同含水量环境下的含水量与持气率关系曲线。从图中可以看出，当固定含气量为10m3／d，含水量由10m3／d以5m3／d为间隔逐渐增加到65m3／d时，光纤探针的持气率随含水量的增大而逐渐减小。对比实测持气率和实际持气率曲线可以发现，当含水量低于35m3／d时，实测持气率与实际持气率相差较大；而当含水量在35～65m3／d之间变化时，二者相差很小。

图4 水／气总含量为80m3／d时含气量与持气率关系曲线Fig.4 Curve of gas content versus gas holdup when total water／gas content is 80m3／d

图5 气量为10m3／d时不同含水量环境下含水量与持气率关系曲线Fig.5 Curve of water content versus gas holdup under different water content when gas content is 10m3／d

4 结 论

利用大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司三相流实验基地的多相流标定装置对现有光纤持气率探针的气液两相产出剖面持气率的响应规律进行了系统研究，获得主要结论如下：

（1）在静水条件下（水流量为0），光纤持气率计的持气率对气含量响应基本呈线性变化规律；

（2）在气／水总量为80m3／d时，气／水不同配比的情况下，光纤持气率计的持气率对气含量响应呈线性规律，且实测持气率与理论持气率相吻合；

（3）当气／水总量低于45m3／d时，光纤持气率计的持气率对气／水量响应不呈线性规律，与实际持气率有所偏差，总量越低偏差越大；当气／水总量大于45m3／d时，实测持气率与实际持气率吻合较好。

［1］ 李海青，乔贺堂.多相流检测技术进展［M］.北京：石油工业出版社，1991.

［2］ 郭烈锦.两相与多相流动力学［M］.西安：西安交通大学出版社，2002.

［3］ 张丽娜，王小尚，张荷玲，等.新型油水两相水平管流流型分类方法［J］.油气储运，2006，25（10）：49－51.

［4］ 胡金海，刘兴斌，张玉辉，等.用于井下油水两相流测量的新型流量计［J］.测井技术，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.多相流计量研究的现状［J］.国外油田工程，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，彭会忠，杜国同.油田测试中的光纤传感技术［J］.光纤与电缆及其应用技术，2004，1（1）：14－18.

［9］ 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.

［10］ 刘 磊，周芳德.U型光导纤维探针对油／气两相流的测试［J］.石油炼制与化工，1994，25（3）：52－55.

［11］ 周芳德，陈学俊，陈宣政.油气水三相流截面相份额光纤探针／电导探针组合测量技术［J］.西安交通大学学报，1995，29（8）：32－36.

［12］ 郭学涛，孔令富，张运生，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，2010，37（2）：68－70.