隨著我國各大油田紛紛進(jìn)入中晚期開發(fā)階段，多數(shù)油井由自噴轉(zhuǎn)向機(jī)械采油,。根據(jù)抽油機(jī)井工藝要求,，測井儀器只能通過油管和套管之間的環(huán)形空間進(jìn)入需要測試的目的產(chǎn)層,，此時要求儀器的最大外徑不能超過28mm。根據(jù)該要求,，設(shè)計了集流型光纖探針持氣率測量儀,，主要由傘式集流器、光纖探針傳感器及裝有傳感器驅(qū)動電路的電路筒組成,，結(jié)構(gòu)如圖1所示,。油井套管內(nèi)徑為125mm，而傳感器內(nèi)徑僅為20mm,，如果不使用集流器,，僅有少量的油氣水三相流體從電導(dǎo)傳感器內(nèi)部流過，傳感器內(nèi)的流體會趨于靜止,，此時持氣率測量的結(jié)果不具有代表性,。為了增大傳感器內(nèi)部流過流體的流量，通常采用集流的測量方式,，即在光纖探針傳感器底部安裝傘式集流器,。當(dāng)測井儀器位于指定測點(diǎn)后，使集流器張開,，以封堵套管和測井儀器之間流體的流動通道,，迫使流體全部或絕大部分流經(jīng)光纖傳感器，并經(jīng)上出液口重新流回井筒,。
2 光纖探針持氣率測量原理
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,，如圖2所示，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(qiáng)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)換器輸出隨時問連續(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?biāo)谖恢玫木植拷孛婧瑲饴省?/p>
以i表示探針頭曲面上任一點(diǎn)(r，θ,，z)處的入射光，當(dāng)油氣水三相流交替流過探針時,，點(diǎn)(r,，θ,，z)處的瞬時局部含氣率α(t，r,，θ,，z)為：
油氣水三相流是一種非定常流動，因此α(t,，r,，θ，z)將隨時間而發(fā)生變化,。實(shí)驗(yàn)表明,，油氣水三相流一般具有平穩(wěn)隨機(jī)特性，有：
式中,，T為積分時間長度,，為平均局部含氣率。定義瞬時截面含氣率和平均截面含氣率分別為：
對于油氣水三相管道流動,，瞬時容積含氣率αv(t)和平均容積含氣率可分別定義為：
若在管長區(qū)間(O,，L)內(nèi)，氣體沿流動方向的體積膨脹可以忽略,，因此,，工程上一般認(rèn)為平均容積含氣率與平均截面含氣率等價，可得：
此式表明,，采用光纖探針法測量管道內(nèi)油氣水三相流的截而含氣率是可行的,。
3 光纖探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計
在光纖的一端熔接一具有適當(dāng)角度的光學(xué)棱鏡，并套上套管,，就構(gòu)成了一根光纖探針,。單光纖探頭有一根光纖，入射光和反射光均用同一根光纖,，采用分光鏡或分路器來檢測反射光,。單纖探針頭部尺寸小，容易刺破氣泡,，且能夠檢測較小的氣泡,，對流場干擾小，動態(tài)響應(yīng)能力好,。本文選用單：蒼錐形探針測量含氣率,。單芯錐形探針的結(jié)構(gòu)如圖3所示，一單位面積光強(qiáng)度為ip,、總光強(qiáng)度為Ip的平行光束I入射到探針頭的錐面上,，θ0為入射角，θf為折射角,，n0為探針頭部棱鏡的折射率,，nf為被測介質(zhì)的折射率,。β為光纖探針棱鏡的角度，該角度是一個十分重要的指標(biāo),，它的大小決定著能否將氣相和液相區(qū)分開來,，其確定主要取決于棱鏡的折射率n0和被測介質(zhì)的折射率nf。
根據(jù)光的折射定律有：
顯然,，區(qū)分氣相和液相的臨界折射角θfr=90°,，此時入射光線在棱鏡中發(fā)生全反射的臨界折射率nfr為：
式中，ng和nl分別為氣相和液相的折射率,，單芯光纖探針棱鏡角度β須滿足：
標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的折射率ng=1．000,，油的折射率n0=1.48～1.50，水的折射率nw=1．333,，取nl=nw=1. 333,。光纖探針棱鏡選用折射率為1．76的藍(lán)寶石材料，根據(jù)式(14),，光纖探針棱鏡的角度β應(yīng)滿足：81. 5°<β<110. 8°,。因此，對光纖探針?biāo){寶石棱鏡而言,，將其角度確定為β=90°是一個合適的選擇,。此時它對應(yīng)的臨界折射率nfr=1．24。此時：
故β=90°的藍(lán)寶石棱鏡可有效識別氣相和液相,。
4 驅(qū)動電路設(shè)計
光纖傳感系統(tǒng)中,，將光波作為載波，在輸入端使用光源將電信號轉(zhuǎn)換為光信號,，在輸出端使用光電檢測器件將光信號轉(zhuǎn)變成電信號,。本系統(tǒng)光纖探針傳感器驅(qū)動電路主要包括光發(fā)射模塊和光接收模塊。光發(fā)射模塊的主要組成部分是LED發(fā)光管,、光源驅(qū)動電路和自動功率控制電路,；光接收模塊的主要組成部分是光探測器和光電檢測電路。
4．1 光源及光發(fā)射模塊
光纖傳感系統(tǒng)中,，將電信號轉(zhuǎn)換成光信號是由光源及以之為主體的光發(fā)射模塊來完成的,。半導(dǎo)體光源是光纖系統(tǒng)中最常用的也是最重要的光源，主要特點(diǎn)是體積小,、重量輕,、可靠性高、使用壽命長,、亮度高,、供電電源簡單等；且它與光纖容易耦合。經(jīng)過綜合考慮,，由于油井井下工作環(huán)境溫度變化較大,，所以系統(tǒng)選擇紅外LED 作為光源。圖5為LED恒功率自動控制電路,。
4．2 光探測器及光接收模塊
在光纖傳感器中，光探測器是光探測接收模塊的基礎(chǔ),，它的靈敏度,、帶寬等特性參數(shù)直接影響光纖傳感器的總體性能。本文選用光電探測器探測反射光強(qiáng)度,。
光電檢測電路如圖6所示,。PIN光電二極管將反射光轉(zhuǎn)換成電信號，受光照時光電管根據(jù)光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換成電流的變化,；IC1構(gòu)成I／V變換器,，IC2為電壓放大器。由于反射光強(qiáng)太小,，IC1輸出電壓信號幅度很小,，因此需要用IC2進(jìn)行二級放大。IC2后接一個低通RC濾波,，以濾除噪聲等不需要的高頻分量,。
5 結(jié)論
針對油氣水三相流的含氣率的測量問題，本文設(shè)計了集流型光纖探針含氣率測井儀器,，對光纖探針測量含氣率的可行性做了分析,，并且設(shè)計了光纖傳感器測量含氣率的最優(yōu)探頭角度和驅(qū)動電路，實(shí)驗(yàn)表明此系統(tǒng)可有效測量汕氣水三相流含氣率,。