隨著我國各大油田紛紛進入中晚期開發(fā)階段,，多數(shù)油井由自噴轉向機械采油。根據(jù)抽油機井工藝要求,，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,，結構如圖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。當測井儀器位于指定測點后,，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換器上，光電轉換器輸出高電平,；當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換器上,，光電轉換器輸出低電平,。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,，便可得到光纖探針所在位置的局部截面含氣率。

　　以i表示探針頭曲面上任一點(r,，θ,，z)處的入射光，當油氣水三相流交替流過探針時,，點(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,。實驗表明，油氣水三相流一般具有平穩(wěn)隨機特性,，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 光纖探頭結構設計

　　在光纖的一端熔接一具有適當角度的光學棱鏡，并套上套管,，就構成了一根光纖探針,。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,。單芯錐形探針的結構如圖3所示，一單位面積光強度為ip,、總光強度為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,，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：

　　標準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的藍寶石材料,，根據(jù)式(14)，光纖探針棱鏡的角度β應滿足：81. 5°<β<110. 8°,。因此,，對光纖探針藍寶石棱鏡而言，將其角度確定為β=90°是一個合適的選擇。此時它對應的臨界折射率nfr=1．24,。此時：
  
故β=90°的藍寶石棱鏡可有效識別氣相和液相,。

 　　4 驅(qū)動電路設計

　　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換為光信號,，在輸出端使用光電檢測器件將光信號轉變成電信號。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,，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度,。

　　光電檢測電路如圖6所示。PIN光電二極管將反射光轉換成電信號,，受光照時光電管根據(jù)光強變化轉換成電流的變化,；IC1構成I／V變換器，IC2為電壓放大器,。由于反射光強太小,，IC1輸出電壓信號幅度很小，因此需要用IC2進行二級放大,。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 結論

　　針對油氣水三相流的含氣率的測量問題，本文設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，實驗表明此系統(tǒng)可有效測量汕氣水三相流含氣率,。