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摘要： 为考察现有光纤持气率计在油气水三相流中的响应特性，采用多相流标定装置对其进行测定，系统研究光纤持气率计在油量固定不变含水量不同条件下的持气率响应规律。实验结果表明，当油量为5 m3/d、气量小于10 m3/d时，持气率随含气量的增大而增大，二者线性变化程度较低；而气量在10～35 m3/d之间变化时，持气率随含气量的增大而线性增大。
关键词： 油/气/水三相流； 光纤持气率计； 持气率
引言在石油化工行业中，多相流的存在是十分普遍的现象。在油田地面管道实现油气集输的过程中，管道内混合物的流动是典型的油气水三相流。三相流现象在石油、化工、动力等工业中大量存在[14]。石油主要成分是各种芳香烃、环烷烃、烷烃的混合物，它是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成，属于化石燃料[5]。在开采原油的过程中，为了确切知道各油井中原油与天然气含量与比例，更好地了解不同地层结构条件下，油气含量的情况，就需要分析油井产出液中各成分的一些参数，如持气率。持气率是指在垂直管道中，在某一长度的管段内气流相体积与该管道总容积的百分比，是三相流测量中重要参数之一，由此可见，对持气率的测量研究具有重要的现实意义。目前，传统测量持气率的方法主要有电容法、压差法和伽马射线法[6]。电容法测量持气率主要有两种方式：取样式和环空式。取样式传感器具有分辨能力强、精度高的优点，但所取液样受到井内流体分布的影响，只能点测，对高产液井，会使集流器封隔失效不能应用。环空式传感器可用于连续测量，但其分辨能力低，在高含水情况下就会失去分辨油水的能力。压差法一般应用于油水两相流测量，当产出重油时便无法分辨油和水，而且在高含水情况下的误差很大。伽马射线法为取样式测量，和取样式电容法一样，受到流体分布的影响，并且精度不高。集流型光纤持气率测井仪所用的光纤传感器[79]具有灵敏度高、误差小、精度高、抗腐蚀、耐高压、可靠性好、原材料硅资源丰富、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、损耗低、稳定性强等特点。本文主要采用集流型光纤持气率测井仪，对油/气/水三相流持气率进行测试，从而探索出集流型光纤持气率测井仪在测量油/气/水三相流时，当油水总量固定不变的情况下持气率的响应规律。1光纤探针持气率测量原理图1为光纤探针法的测量原理示意图，它是基于气相和液相对光的折射率不同来实现测量的。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[10]。基于光纤探针的这种特性，当油气水三相流体交替流过时，光电转换器就会对信号进行处理，并且输出随时间连续变化的电压信号，通过对此电压信号进行处理，探头所处区域的持气率即可得出。
2实验装置实验在大庆油田多相流实验装置上完成，光纤探针安装在测量仪器的最下面。把光纤持气率测井仪放在多相流、专用实验装置中，研究在油/气/水三相流油水总量一定而油水配比不同的环境下持气率的响应规律。图2为大庆油田多相流模拟井装置结构示意图[1113]。
2.1测量装置各部分简介（1）贮液罐贮液罐由贮水罐、贮油罐和四级分离灌组成。模拟实验时所使用的流体为柴油和清水。柴油和清水分别用贮油罐和贮水罐储存。做完实验后的油水混合物由四级分离罐来完成，对油水进行分离。方便以后做实验，循环使用。
（2）压力源油泵和水泵是压力源的组成部分，油泵的作用将贮油罐中的油压到稳压罐中，水泵的作用将贮水罐中的水压到稳压罐中，以备实验所需。（3）稳压罐稳压罐的作用很大，主要用来稳定多相流实验装置井筒内的压力，保证流量的顺利供应。（4）管线主要是用来连接储水罐、储油罐、稳压罐、分离罐等装置的管线。（5）闸门用来控制流体的流量开关和流量大小。调节模拟实验所需油和水。（6）标准涡轮测量油和水的标准流量，从而检测所研制的流量测量仪器是否适用。
2.2油、水的计量与分离标准涡轮流量计和流量调节阀门是用来计量油流量、水流量、油水总流量的，其装置在油管道、水管道上。在模拟井筒中压力源是稳定的，要得到不同配比时含水率的精确数值，可通过调节流量阀门来实现。实验中，可通过装置上的流量计精确地得知油水各相的流量和含水率。最终以测出实际的持气率值。其中流量计精确计量范围为：0.3～1 000 m3/d，精度：0.1 m3/d。要得到不同配比时油、水流量的精确数值，可通过调节流量调节阀门来实现。气量精度范围为：0～2 000 m3/d，精度：0.1 m3/d。
4结论本文利用多相流实验装置对集流型光纤持气率测井仪进行了油/气/水三相流动态实验，重点考察了仪器的响应特性和规律，获得主要结论如下：（1）在集流的条件下，使用光纤持气率测井仪在油量固定不变，不同含水环境下，对持气率进行测量，从实验数据可以得出测量值基本吻合实际含气量值；（2）当集流型光纤持气率测井仪在5 m3/d油环境下，在含气量小于10 m3/d时，持气率曲线的线性程度较低；含气量在10～35 m3/d之间变化时，持气率随含气量的增大而线性增大，具有较好的线性；（3）集流型光纤持气率测井仪测量结果具有较好的重复性和可靠性，从图5可以得出此仪器不适用于高含油的环境。
参考文献：
[1]郭学涛，孔令富，张云生.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（2）：68-70.
[2]WU H J，ZHOU F D.Study on intelligent identification system for flow regime of oil gas water multiphase flow[J].International Journal of Multiphase Flow，2000，33（3）：31-35.
[3]梁法春，王栋，林宗虎.气液两相流体流量或质量含气率的液体取样测量方法[J].热能动力工程，2008，23（3）：256-258.
[4]金宁德，周勇桂，王微微.伞集流油气水三相流涡轮流量计统计模型研究[J].测井技术，2007，31（1）：4-9.
[5]任广辉.浅谈石油的历史[J].今日科苑，2007（16）：276.
[6]林宗虎.气液固多相流测量[M].北京：中国计量出版社，1988.
[7]俞世钢.用光纤传感技术实现液体表面张力系数非接触测量[J].光学仪器，2003，25（5）：3-6.
[8]牟海维，段玉波，张坤，等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究[J].光学仪器，2011，33（6）：1-4.
[9]李雷.阻抗式含水率计的优化设计[D].大庆：大庆石油学院，2007.
[10]吕宇玲，陈振瑜，崔彬澎，等.多相流相分率测量技术研究进展[J].管道技术与设备，2002（5）：10-12.
[11]郝宏明.井下油/水两相流低产液阻抗式含水率计的研究[D].长春：吉林大学，2003.
[12]吴畏.油水两相流电导式含水率计的研究[D].天津：天津大学，2001.
[13]牟海维，刘文嘉，孔令富，等.光纤持气率计在气/水两相流中响应规律的实验研究[J].光学仪器，2012，34（5）：66-69.
关键词： 油/气/水三相流； 光纤持气率计； 持气率
引言在石油化工行业中，多相流的存在是十分普遍的现象。在油田地面管道实现油气集输的过程中，管道内混合物的流动是典型的油气水三相流。三相流现象在石油、化工、动力等工业中大量存在[14]。石油主要成分是各种芳香烃、环烷烃、烷烃的混合物，它是古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成，属于化石燃料[5]。在开采原油的过程中，为了确切知道各油井中原油与天然气含量与比例，更好地了解不同地层结构条件下，油气含量的情况，就需要分析油井产出液中各成分的一些参数，如持气率。持气率是指在垂直管道中，在某一长度的管段内气流相体积与该管道总容积的百分比，是三相流测量中重要参数之一，由此可见，对持气率的测量研究具有重要的现实意义。目前，传统测量持气率的方法主要有电容法、压差法和伽马射线法[6]。电容法测量持气率主要有两种方式：取样式和环空式。取样式传感器具有分辨能力强、精度高的优点，但所取液样受到井内流体分布的影响，只能点测，对高产液井，会使集流器封隔失效不能应用。环空式传感器可用于连续测量，但其分辨能力低，在高含水情况下就会失去分辨油水的能力。压差法一般应用于油水两相流测量，当产出重油时便无法分辨油和水，而且在高含水情况下的误差很大。伽马射线法为取样式测量，和取样式电容法一样，受到流体分布的影响，并且精度不高。集流型光纤持气率测井仪所用的光纤传感器[79]具有灵敏度高、误差小、精度高、抗腐蚀、耐高压、可靠性好、原材料硅资源丰富、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、损耗低、稳定性强等特点。本文主要采用集流型光纤持气率测井仪，对油/气/水三相流持气率进行测试，从而探索出集流型光纤持气率测井仪在测量油/气/水三相流时，当油水总量固定不变的情况下持气率的响应规律。1光纤探针持气率测量原理图1为光纤探针法的测量原理示意图，它是基于气相和液相对光的折射率不同来实现测量的。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[10]。基于光纤探针的这种特性，当油气水三相流体交替流过时，光电转换器就会对信号进行处理，并且输出随时间连续变化的电压信号，通过对此电压信号进行处理，探头所处区域的持气率即可得出。
2实验装置实验在大庆油田多相流实验装置上完成，光纤探针安装在测量仪器的最下面。把光纤持气率测井仪放在多相流、专用实验装置中，研究在油/气/水三相流油水总量一定而油水配比不同的环境下持气率的响应规律。图2为大庆油田多相流模拟井装置结构示意图[1113]。
2.1测量装置各部分简介（1）贮液罐贮液罐由贮水罐、贮油罐和四级分离灌组成。模拟实验时所使用的流体为柴油和清水。柴油和清水分别用贮油罐和贮水罐储存。做完实验后的油水混合物由四级分离罐来完成，对油水进行分离。方便以后做实验，循环使用。
（2）压力源油泵和水泵是压力源的组成部分，油泵的作用将贮油罐中的油压到稳压罐中，水泵的作用将贮水罐中的水压到稳压罐中，以备实验所需。（3）稳压罐稳压罐的作用很大，主要用来稳定多相流实验装置井筒内的压力，保证流量的顺利供应。（4）管线主要是用来连接储水罐、储油罐、稳压罐、分离罐等装置的管线。（5）闸门用来控制流体的流量开关和流量大小。调节模拟实验所需油和水。（6）标准涡轮测量油和水的标准流量，从而检测所研制的流量测量仪器是否适用。
2.2油、水的计量与分离标准涡轮流量计和流量调节阀门是用来计量油流量、水流量、油水总流量的，其装置在油管道、水管道上。在模拟井筒中压力源是稳定的，要得到不同配比时含水率的精确数值，可通过调节流量阀门来实现。实验中，可通过装置上的流量计精确地得知油水各相的流量和含水率。最终以测出实际的持气率值。其中流量计精确计量范围为：0.3～1 000 m3/d，精度：0.1 m3/d。要得到不同配比时油、水流量的精确数值，可通过调节流量调节阀门来实现。气量精度范围为：0～2 000 m3/d，精度：0.1 m3/d。
4结论本文利用多相流实验装置对集流型光纤持气率测井仪进行了油/气/水三相流动态实验，重点考察了仪器的响应特性和规律，获得主要结论如下：（1）在集流的条件下，使用光纤持气率测井仪在油量固定不变，不同含水环境下，对持气率进行测量，从实验数据可以得出测量值基本吻合实际含气量值；（2）当集流型光纤持气率测井仪在5 m3/d油环境下，在含气量小于10 m3/d时，持气率曲线的线性程度较低；含气量在10～35 m3/d之间变化时，持气率随含气量的增大而线性增大，具有较好的线性；（3）集流型光纤持气率测井仪测量结果具有较好的重复性和可靠性，从图5可以得出此仪器不适用于高含油的环境。
参考文献：
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[11]郝宏明.井下油/水两相流低产液阻抗式含水率计的研究[D].长春：吉林大学，2003.
[12]吴畏.油水两相流电导式含水率计的研究[D].天津：天津大学，2001.
[13]牟海维，刘文嘉，孔令富，等.光纤持气率计在气/水两相流中响应规律的实验研究[J].光学仪器，2012，34（5）：66-69.