专利名称：一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器领域，涉及ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，特别是一种用于油井井下油气水三相流持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器。
背景技术：
中国多数油田为陆相沉积，具有低孔、低渗和多层系等特点。由于长期注水开发，油井产液含水率不断上升，目前中国许多油田已处于综合含水率90%以上的高含水阶段。此时如果油井井下压カ低于油的泡点压力，将会有天然气从油中析出，从而产生油气水三相流动。在这种情况下，必须对油井井下油气水三相流的持气率进行測量，以及时了解和掌握各产层的生产状况，进而合理调整油井的开发方案，使油井处于正常或最佳生产状况，最终达到提高油井开发效率和提高原油采收率的目的，并延长油田开采寿命。 目前測量多相流持气率的常用方法是快关阀门法，该方法是在多相流流动管道测量段的两端安装两个同时动作的快关阀，当多相流体的流动达到稳定吋，同时关闭这两个阀门，通过气液分离装置便可求出这两个阀门间流体的平均持气率。快关阀门法具有准确、高效的优点，但该方法在测量时需要切断多相流体的正常流动，因此不能对油井井下油气水三相流持气率进行实时、在线测量。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光通讯技术的发展而逐步形成的，是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技木。该技术首先利用被測量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的強度、相位、频率或偏振态等特性发生变化；之后再对已调制的光信号进行检测，从中得出被測量。但是由于现有用于持气率测量的光纤传感器使用了体积较大的半导体激光器、光电池和分光镜等器件，因此无法实现传感器的小型封装，导致其不能在油井井下的狭小空间内使用。由此可见，为满足油田生产的实际要求，迫切需要研究ー种能够实时、在线测量油井井下油气水三相流体持气率的新方法和技术。

发明内容
本发明的目的是针对上述现状，提供ー种能在油井井下的狭小空间内对油气水三相流复杂流体的持气率进行测量的蓝宝石光纤探针传感器。本发明的目的是通过以下方式实现的
本发明包括探头、光纤耦合器、光源、光探測器，探头为蓝宝石敏感探头，光纤耦合器为Y形光纤耦合器，光源为红外光源，蓝宝石敏感探头、Y形光纤耦合器被封装在不锈钢保护套管内，红外光源和光探測器被封装在与不锈钢保护套管连接不锈钢密封筒内。所述蓝宝石敏感探头的直径为600 ii m 800 U m,宝石敏感探头尖端呈圆锥形,顶端夹角为18° 35° ;
所述不锈钢保护套管的外径为2mm，被封装的蓝宝石敏感探头顶端裸露部分长度为
3mm ；所述不锈钢密封筒的外径为8mm ；
不锈钢保护套管经由固定盘根与不锈钢密封筒相连；
所述Y形光纤耦合器采用ー根芯径为600 ii m 800 ii m和两根芯径为400 y m 600 y m的能量石英光纤耦合，其透过光谱范围为200nm 1200nm，数值孔径为0. 22，耐温范围为-190°C 380°C ；
所述红外光源发射光波长范围为760nm lOOOnm，峰值波长为880nm，输出功率密度范围为I. 65 4. 5mff/cm2 ;光探测器接收的光波长范围为320nm llOOnm，峰值波长为880nm ；
所述红外光源和光探测器的耐温范围均为_55° +125° ;
所述本发明的蓝宝石光纤探针传感器整体耐温125°，耐压30Mpa。 本发明是基于全反射原理，利用气相液相介质对光线的折射率不同，通过检测反射光线强度的变化来測量多相流的持气率。当蓝宝石敏感探头与气泡接触吋，入射光在探头顶端发生全反射；当蓝宝石敏感探头与油泡接触时，入射光在探头顶端上被折射出去。蓝宝石光纤探针传感器驱动电路主要由光发射模块和光接收模块组成。其中，光发射模块负责驱动光纤探针传感器内部的红外发光管在发出恒定的光，光接收模块负责检测经蓝宝石探头反射回的光，并根据回光强度输出幅值不等的电压信号，根据此信号电平的高低，即可判断出蓝宝石探头所接触的介质是气相还是液相，进而计算出油井井下油气水三相流的持气率。本发明的优点是灵敏度高、光损耗少、測量精度高、性能可靠、抗电磁干扰、耐腐蚀、防油污、耐高压、耐高温、电绝缘性好、安全防爆、使用寿命长、结构精巧、体积小、重量轻、耗电少，可在油井井下的狭小空间内对油气水三相流的持气率进行实时、在线测量。


图I是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器结构示意 图2是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器的测试平台-油气水三相流模拟测试装置的工作原理 图3是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器进行油气水三相流持气率测量模拟井测试的原理 图4是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器在水中输出信号波形 图5是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器在油中输出信号波形 图6是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器在气水两相流中输出信号波形 图7是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器在油气两相流中输出信号波形 图8是本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器在油气水三相流中输出信号波形图。
具体实施例方式结合附图和实施例对本发明一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器加以说明
參照图1，本发明ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器主要由蓝宝石敏感探头1、Y形光纤耦合器2、红外光源6以及光探測器7构成。其中，蓝宝石敏感探头
I、Y形光纤耦合器2被封装在不锈钢保护套管3内，红外光源6和光探測器7被封装在不锈钢密封筒5内。8、9和10为输入输出电缆，其中8为供电线，9为信号线，10为公共端。不锈钢保 护套管3经由固定盘根4与不锈钢密封筒5相连，既保护了光纤又便于安装，同时还増加了产品的机械强度。參照图2，本发明的测试平台-油气水三相流模拟井测试装置由长Sm、内径为125mm的透明有机玻璃井筒、油水分离罐、稳压罐、控制系统等组成。测试所用流体为柴油、空气和水，空气经压缩机和过滤器后被送入气体稳压罐，油和水分别通过油泵和水泵送入油水稳压罐，从稳压罐流出的油、气、水通过计量管段标准计量后进入模拟井筒，并自下而上流动。由模拟井筒流出的空气被直接排放，而油水混合物则进入油水分离罐，经过重力分离后，油相进入贮油罐循环使用，水相进入贮水罐循环使用。试验环境包括水、油、气水两相流、油气两相流和油气水三相流。參照图3，本发明ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器进行油气水三相流持气率测量模拟井测试的所需设备主要由装有蓝宝石光纤探针传感器的持气率测井仪、多通道数据采集系统和计算机。测试时，将四根蓝宝石光纤探针传感器安装在持气率测井仪的流道内，并将其置于模拟试验装置有机玻璃井筒内。传感器上部连接驱动电路，下部连接集流伞。地面通过七芯电缆给传感器驱动电路供电，四路光纤探针输出信号也通过七芯电缆传输至地面，并送入数据采集系统进行采集，数据采集结果经USB接ロ传输至计算机中以显示和存储。集流伞的目的是封堵有机玻璃井筒和测井仪器之间流体的流动通道，迫使流体全部或绝大部分流经持气率测量仪的流道，并经上部出液口重新流回井筒。參照图4，在単相水流(流量为30m3/天)中，本发明ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器输出电压信号幅度稳定在300mV左右，近似为一条平行于水平轴的直线，说明単相水流中没有气泡，符合测试条件。參照图5，在単相油流(流量为30m3/天)中，本发明ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器输出电压信号幅度稳定在200mV左右，近似为一条平行于水平轴的直线，说明単相油流中没有气泡，符合测试条件。參照图6，在气水两相流(水流量为30m3/天，气流量为6m3/天)中，本发明ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器输出信号幅度呈现不规则高低电平变化。其中，遇水相时输出低电压信幅度稳定在300mV左右,遇气相时输出高电压信号幅度稳定在3. 8V左右。通过判断传感器输出电压高电平和低电平持续时间的长短，可有效检测出气水两相流的持气率。參照图7，在油气两相流(油流量为30m3/天，气流量为6m3/天)中，本发ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器输出信号幅度呈现不规则高低电平变化。其中，遇油相时输出低电压信号幅度稳定在200mV左右,遇气相时输出高电压信号幅度稳定在3. 8V左右。通过判断传感器输出电压高电平和低电平持续时间的长短，可有效检测出油气两相流的持气率。參照图8，在油气水三相流(油流量为4. 5m3/天、气流量为6m3/天、水流量为25. 5m3/天)中，本发明ー种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器输出信号幅度呈现不规则高低电平变化。其中，遇液相(油相或水相)时输出低电压信号幅度稳定在200mV 300mV之间，遇气相时输出高电压信号幅度稳定在3. 8V左右。通过判断传感器输出电压高电平和低电平持续时间的长短，可有效检测出油气水三相流的持气率。由图4至图8所示的测试结果可以看出，本发明具有灵敏度高、光损耗少、測量精度高、性能可靠、抗电磁干扰、耐腐蚀、防油污、耐高压、耐高温、电绝缘性好、安全防爆、使用 寿命长、结构精巧、体积小、重量轻、耗电少等诸多优点，可在油井井下的狭小空间内对油气水三相流的持气率进行实时、在线测量。
权利要求
1.一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，包括探头、光纤耦合器、光源、光探測器，其特征是探头为蓝宝石敏感探头，光纤耦合器为Y形光纤耦合器，光源为红外光源，蓝宝石敏感探头、Y形光纤耦合器被封装在不锈钢保护套管内，红外光源和光探測器被封装在与不锈钢保护套管连接不锈钢密封筒内。
2.根据权利要求I所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是所述蓝宝石敏感探头的直径为600 y m 800 u m,蓝宝石敏感探头尖端呈圆锥形，顶端夹角为18° 35°。
3.根据权利要求2所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是所述不锈钢保护套管的外径为2mm，被封装的蓝宝石敏感探头顶端裸露部分长度为^mm0
4.根据权利要求3所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是所述不锈钢密封筒的外径为8mm。
5.根据权利要求I或4所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是不锈钢保护套管经由固定盘根与不锈钢密封筒相连。
6.根据权利要求5所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是所述Y形光纤耦合器采用ー根芯径为600 ii m 800 u m和两根芯径为400 y m 600 u m的能量石英光纤耦合，其透过光谱范围为200nm 1200nm，数值孔径为0. 22，耐温范围为-190°C 380°C。
7.根据权利要求6所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是所述红外光源发射光波长范围为760nm lOOOnm，峰值波长为880nm，输出功率密度范围为I. 65 4. 5mff/cm2 ;光探测器接收的光波长范围为320nm llOOnm，峰值波长为880nm。
8.根据权利要求7所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是所述红外光源和光探测器的耐温范围均为-55° +125°。
9.根据权利要求8所述的用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，其特征是蓝宝石光纤探针传感器整体耐温125°，耐压30Mpa。
全文摘要
本发明涉及一种用于油井井下持气率测量的蓝宝石光纤探针传感器，包括探头、光纤耦合器、光源、光探测器，探头为蓝宝石敏感探头，光纤耦合器为Y形光纤耦合器，光源为红外光源，蓝宝石敏感探头、Y形光纤耦合器被封装在不锈钢保护套管内，红外光源和光探测器被封装在与不锈钢保护套管连接不锈钢密封筒内。其优点是灵敏度高、光损耗少、测量精度高、性能可靠、抗电磁干扰、耐腐蚀、防油污、耐高压、耐高温、电绝缘性好、安全防爆、使用寿命长、结构精巧、体积小、重量轻、耗电少，可在油井井下的狭小空间内对油气水三相流的持气率进行实时、在线测量。
文档编号G01N21/55GK102830094SQ20121031436
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者李英伟, 孔令富, 刘兴斌, 安东杰, 王游江, 李明泽, 于莉娜, 杜胜雪 申请人:燕山大学