1、光纤传感用于油田热采的蒸汽干度测量07 电气自动化专科班 侯豫芳 3 号摘要：折射率调制的光纤传感器可用于测量稠油热采过程中的蒸汽干度测量。当油田的油井中注入 高温高压蒸汽时，从井 1：2 到井底连续地查明汽液比对节省能源和提高产出率意义重大。由于干蒸汽和水的折射率不同，汽液的比例可以从汽液两相流的折射率响应特性反映出来。研制的测量装置直接对汽液两相流的比例变化产生响应，能够应用于高温高压及狭窄工作空间的输汽环境 中。在 井深 850 m，井 口蒸汽温度 287 ，压 力 749 MPa 的油田注汽 井中进 行 了测试测试结果对注汽法采油的井况分析具有一定的参考作用。油田注汽井的测量数据表明，
2、这种干度测量仪可以实现在线、连续的测量工作。1 引 言 石油是整个社会经济乃至整个人类社会发展的重要支柱。随着我国经济的高速发展，石油对我国经济的重要性已被提高到战略高度加以重视。我国稠油的储藏量丰富，随着石油资源的 日益短缺，开采利用显得非常重要。给井下注入高温高压蒸汽，是稠油的主要开采方法。为了掌握井下的注汽状况，提高稠油的生产率 ，需要随时了解注汽剖面，即井管中蒸汽的在线特性。实际使用的蒸汽大多为湿蒸汽，即蒸汽中含有一定量 的液态水，是液态和气态共存的两相流 。表征蒸汽两相流的状态需要用到多个参数 ，除了温度、压力和流量等一些常见的物理量外，汽、液比例是表征蒸汽热效的一个重要特性参数。湿
3、蒸汽中，干蒸汽的质量比称为干度。只有较高的干度值，才能在蒸汽开采稠油过程中起作用，所以井下在线的干度测量具有重要意义。本文根据折射率调制原理研制的光纤传感器已经在注汽油井的干度测量中进行了试验，其优点是对蒸汽的干扰小 ，抗 电磁干扰 ，能耐受油井的恶劣环境，灵敏度高 ，响应快和在线测量 ，实测结果和采样法的干度值基本吻合。2 原 理 汽、液在一定的温度和压力下具有不同的光学折射率，两相流中汽液的比例反映在蒸汽的组合折射率中。对两相流的折射率响应特性进行采集和分析，可以得出汽液的比例。这种方法对流体的干扰小，干度的测量量程大。连续地得出两相流中汽、液体积比例的输出信号后，可以直接用于蒸汽的性能判
4、断。知道了汽、液的密度值后，根据折射率的响应可以进一步计算出干度值。图 1所示是折射率调制原理图。图 1 中，右半部表示的是传感器中探头的光学料；左半部表示的是流体。图中给出的量都是波的函数。如入射光强度为 I0，界面反射回来的强度 IR 在数值上等于：其中，R 是界面上的反射率。根据菲涅尔定律，入射角很小时，反射率可以简单表示为其中，n 1 和 n2。分别为人射与出射方介质的折射率 。 假定待测的蒸汽两相流中，干蒸汽的体积比 ，并认为在测量的有限时间内，水蒸汽的汽、液分布概率在我们考虑的界面上是相同的，那么蒸汽相流的反射率 R 可写为R=xvRvapor+(1-xv)Rwater (3)其中
5、，R vapor 是水蒸汽的反射率 Rwater 是水的反射率，都可以根据式 (2)算出。那么，干蒸汽的体积比 xv 可以表达为测量折射率响应的同时，如果测出注蒸汽的温度和压力值，就可以计算出汽液的密度，进一步可以得出干蒸汽的质量比，即热力学的干度值：其中， vapor 和 water 分别是水和干蒸汽的密度。 3 测量装置注汽的温度可以达到 350。井管中蒸汽的流型千变万化，热能沿着井筒会衰减，注蒸汽会在油层处被吸收，这些都要求测量装置的光电系统应 当能够在井下高温高压的环境中，正常、连续地工作。光纤传感于度测量装置由传感器系统、电气系统和机械结构部分组成。机械结构提供给装置一个安全的内部工
6、作环境，承压和保温是主要的特点。电气系统完成控制、放大、存储及回放功能 ，整个系统由单片机控制完成干度的测量工作。为了计算干度值，除了折射率调制原理的光学传感器外，装置上有压力和温度传感器，以便同步测量井下注蒸汽的压力和温度值。如图 2 所示是折射率调制传感器的结构框图。光学探头和待测的蒸汽相接触，发光管发出的辐射能量耦合给传导光纤，界面的反射能量再经传导光纤耦合到探测用的接收管上。接收管的输出经处理后存储，数据回放后得出需要的结果。4 测量结果 41 井下完整的原始采样数据 如图 3 所示是测量装置在辽河油田一个稠油生产井测得的注汽折射率调制和温度响应曲线。测量仪器进入井管前，因为处于空气的
7、环境中，传感器的折射率调制响应为高值。进入井管后接触到水，调制输出急剧下降。打开阀门注入高温高压的蒸汽后，折射率调制响应抖动、变化剧烈；当仪器到达井底时，折射率调制的响应值低且平缓，很好地体现出井口到井底注入蒸汽干度变化的规律。图 3 给出的折射率调制输出是原始的仪器采样值，根据同步测得的温度和压力值，可以计算出井管中注汽剖面的蒸汽干度值。42 井口响应如图 4 所示是稠油注汽井井口的折射率调制干度响应曲线，纵轴是原始的采样数据，横轴是采样的时间，以固定间隔的采样点数表示。测量仪器置入井口后，响应为高值。打开阀门送汽时，输出立即变为低值，表示传感器接触了水。等到关闭气阀时，传感器的响应又恢复到
8、原来的大小。43 井下干度如图 5 所示是传感器井下的干度曲线，已由采样原始数据转换为干度值。图中给出了从井口 30 m 到最低处 850 m，然后又返回井口直至关闭阀门的全过程。和 30 m、700 m 两个深度位置的采样数据对照，注汽油井光纤传感干度测量装置的测值和干度取样值的偏离小于 10%。采样法测干度的值是单次的，而研制装置测得的是在线、连续的数值，注汽井从井口到过油层完整的干度资料，图 4 干度传感器在注汽井井口的折射率调制响应曲线图 5 换算的井下干度值对稠油的注汽法开采具有一定的意义。5 结 论 稠油的开发多采用井下注入高温高压蒸汽的热采方式，注汽时需要了解井下各个深度的蒸汽干度数据。采用折射率调制原理的光纤传感方法，可以测量稠油热采的注蒸汽干度。置于高温高压注蒸汽中的传感器，对不同干度值的蒸汽产生不同的折射率调制响应，根据蒸汽的温度和压力测量数据，可以得出蒸汽的干度值。实际的测量结果和油田的注汽状况相吻合。
