1 基于光纖傳感器的持氣率測量系統

　　隨著我國各大油田紛紛進入中晚期開發(fā)階段，多數油井由自噴轉向機械采油。根據抽油機井工藝要求，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層，此時要求儀器的外徑不能超過28mm。根據該要求，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動電路的電路筒組成，結構如圖1所示。油井套管內徑為125mm，而傳感器內徑僅為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部流過，傳感器內的流體會趨于靜止，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。光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調制的信號光，在經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數。

　　安裝在旋轉構件上的電阻應變計和測量儀器之間，用來傳遞旋轉構件的應變信號的器件，又稱引電器。它分為接觸式集流器和非接觸式集流器兩類。接觸式集流器是用接觸電阻較低的材料制成和構件一起旋轉的動環(huán)和固定不動的定環(huán)，利用它們之間的滑動接觸來傳遞信號。常用的接觸式集流器有：拉線式集流器、水銀集流器和炭刷集流器三種。非接觸式集流器是用線圈通過電磁感應傳遞信號，又稱為感應式集流器。

　　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，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。分光鏡是一個可以將一束光分成兩束的光學裝置，是光學干涉儀中間的重要零件。通常是一個立體型的光學玻璃鍍膜而成。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。分路器 英文名稱：splitter 定義：在有線電視網絡中，將信號由主干電纜引入配線電纜的無源器件。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和被測介質的折射率nf。

　　根據光的折射定律有：

　　折射定律定義refraction，law of光線通過兩介質的界面折射時，確定入射光線與折射光線傳播方向間關系的定律，幾何光學基本定律之一。入射光線與通過入射點的界面法線所構成的平面稱為入射面，入射光線和折射光線與法線的夾角分別稱為入射角和折射角，以θi和θt表示。折射定律為：①折射光線在入射面內。②入射角和折射角的正弦之比為一常數，用n21表示，即 式中n21稱為第二介質對介質的相對折射率。

　　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 驅動電路設計

　　光纖傳感系統中，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。本系統光纖探針傳感器驅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。

　　光探測器又名“光檢測器”，是光接收機的首要部分，光探測器是光纖傳感器構成的一個重要部分，它的性能指標將直接影響傳感器的性能。能檢測出入射到其面上的光功率，并把這個光功率的變化轉化為相應的電流。由于光信號在光纖中有損耗和失真所以對光探測器的性能要求很高。其中重要的要求是在所用的光源的波長范圍內有較高的靈敏度、較小的噪聲，響應速度快以適應速率傳輸。

　　4.1 光源及光發(fā)射模塊

　　光纖傳感系統中，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中常用的也是重要的光源，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。低通濾波是一種過濾方式，規(guī)則為低頻信號能正常通過，而超過設定臨界值的高頻信號則被阻隔、減弱。但是阻隔、減弱的幅度則會依據不同的頻率以及不同的濾波程序（目的）而改變。它有的時候也被叫做高頻去除過濾（high-cut filter）或者去除過濾（treble-cut filter)。低通過濾是高通過濾的對立。

　　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探頭角度和驅動電路，實驗表明此系統可有效測量汕氣水三相流含氣率。