光纤探针持气率计模拟井实验数据分析

利用光纤探头提高持气率的探测B.Theron;杜黎君;等【期刊名称】《测井与射孔》【年(卷),期】2001(000)001【摘要】一种新的生产测井仪器已通过现场测试，它利用敏感技术直接探测并可定量地得到多相流中的持气率。

相位成90°的4个光学探头被设置在象扶正器一样的仪器上，测量周围流体的光反射。

这些探头被均匀地分布在套管横截面上，它们各自的方位是通过一个组合在一起的相对方位探头进行调整。

在气液混合物中，利用被探头反射回来的光学信号确定持气率和与气体流量有关的气泡数。

另外，单一探头的测量值被用来建立井眼中气体流动成象，这些成象对于定向井和水平井尤为有用，可更好地了解多相流类型及解释它们在斜段各相分层流动的特征。

这种新仪器近年来已成功地在世界上许多国家进行了现场测试，仪器性能已被现场和实验室两方面获取的数据所证实。

该仪器用探测气体的存在，因此它的主要应用是确定油水井或水油凝析气井的气体产出部位。

由于它对微量气体有很高的敏感性，该仪器也可在油管中探测泡点。

光学灵敏技术在此新仪器中的引入，代表了生产测井的新变革，它所提供的数据能直接探测和定量计算多相混合物中的气体或液体含量，准确识别井的多种问题，并有助于为提高产量的各项采油修理而提供工作设计。

【总页数】6页(P54-59)【作者】B.Theron;杜黎君;等【作者单位】不详;不详【正文语种】中文【中图分类】P631.83【相关文献】1.用光纤探头改进持气率的确定方法 [J], B.Teron,Vuhoang;赵广峰;吴铭2.利用脉冲中子能谱技术测量连续油,气,水持率 [J], Morri.,F;陈艳3.利用储层饱和度仪双探测器测井资料反演持油率 [J], 方战杰;孟小红4.利用测井探测天然气水合物并通过电阻率测井估算布莱克海岭的水合物浓度（饱和度）及天然气体积 [J], TimothyS．Collett;JohnLadd;陆敬安;梁世容5.油-气-水三相流超声传感器持气率测量 [J], 金宁德; 任卫凯; 陈选; 翟路生因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

作品名称：蓝宝石光纤探针持气率测井仪大类：发明制作B类小类：机械与控制简介：在石油开发生产中，多相流中持气率参数检测已成为世界范围内油气田开发动态监测中普遍存在及亟待解决难题。

本作品蓝宝石光纤探针持气率测井仪有效解决了现有仪器存在灵敏度低、粘油污、易腐蚀、体积大等诸多问题，实现了对油气田开发动态监测中持气率参数准确测量，同时为石油生产测井特性现状预测、控制及优化生产意义重大。

本作品的核心技术已获国家实用新型专利，具有广阔的推广应用前景。

详细介绍：石油是当今世界最为重要的能源之一。

随着陆上油田不断开采，导致目前国内外大部分油田均处于高含水、低产液且常伴有气相存在，在其开发和生产过程中，通过对油气水三相流持气率的测量，可及时掌握地下储层的油气含量，从而提高油井开发效率和原油采收率。

为此，针对石油生产测井井下高温高压狭小空间环境内油气水三相流持气率测量问题，我们团队设计研制了一种高灵敏度、防油污、耐腐蚀的蓝宝石光纤探针持气率测井仪。

蓝宝石光纤探针持气率测井仪是涉及光纤传感技术、光电技术、小波变换技术及DSP技术等多门学科的一件综合作品，本作品通过将设计研制的蓝宝石光纤探针传感器和以DSP为核心控制器的驱动电路相结合，通过本体创新及整体结构优化，设计研制了一种油井井下蓝宝石光纤探针持气率测井仪。

我们团队主要采用Zemax光学模拟仿真分别对传统光纤探针传感器的敏感头材质选取优化、敏感头形状优化、敏感头角度优化、耦合光路系统优化以及激励光源优化等几大方面进行了光纤探针的整体结构优化，研制了一种“蓝宝石光纤探针传感器”，其具有灵敏度高、体积小、响应快、防油污、耐腐蚀、耐磨损、耐高温高压、抗电磁干扰等独具特性，非常适合井下高温、高压、腐蚀、狭小空间等恶劣工作环境。

我们研制的蓝宝石光纤探针传感器已获批国家实用新型专利，目前已在冀东、长庆、辽宁等多地油田测试应用，并在大庆油田已小规模推广应用。

我们团队研制的“蓝宝石光纤探针传感器”解决了单支探针测量的灵敏度问题，在实际石油生产测井中采用单支探针进行持气率测量，其结果存在一定的局部性和片面性，且考虑到探针过多会严重阻碍管道内的流体流动，同时还会增加微处理器的处理负担。

水平井气水两相阵列光纤持率计实验及解释方法1. 引言1.1 概述水平井气水两相阵列光纤持率计是一种用于油气田开发中监测井筒内流体产量的技术装置。

随着现代油气勘探与开采技术的不断发展，对于油气田中井筒内流体产量准确测量和监测的需求越来越迫切。

传统的流量计在高温高压环境下容易受到损坏，而水平井作业则要求对井筒内流体进行实时监测。

本文旨在通过实验设计和数据分析，验证水平井气水两相阵列光纤持率计在流体产量测量中的有效性，并介绍该技术装置的工作原理和在油气田中的应用前景。

1.2 文章结构本文将按照以下顺序进行组织与描述：首先，在第2节中介绍了实验设计所使用的材料、步骤以及仪器设备；其次，在第3节中展示了实验结果并进行数据分析；然后，在第4节中详细讲解了水平井气水两相阵列光纤持率计的工作原理和阵列光纤传感技术在油气田中的应用前景；最后，在第5节中总结了本次实验的结果，并对未来研究方向进行了展望。

1.3 目的本文的主要目的有两个方面：一是通过实验结果与数据分析，验证水平井气水两相阵列光纤持率计在流体产量测量中的有效性和可靠性；二是详细介绍该技术装置的工作原理和阵列光纤传感技术在油气田中的应用前景。

通过这两个方面的探讨，旨在提供一种新颖可行的方法和设备来满足现代油气田开发对于流体产量监测与控制的需求。

2. 实验设计：2.1 实验材料:本实验所需的材料包括：1）水平井气水两相阵列光纤持率计；2）适量的气体和水体样品，用于实验中创建气水两相流动环境；3）必要的化学药剂和试剂，用于处理样品、调整pH值等。

2.2 实验步骤:本实验的步骤如下所示：步骤一：准备工作1）根据实验需要，将空白无菌培养基放置在恒温培养箱中进行预热。

2）将所需实验仪器和设备摆放就位并连接好电源。

3）检查光纤持率计设备是否正常运行，并进行相关校准操作。

4）准备好所需的样品和化学药剂。

步骤二：创建气水两相流动环境1）根据实验要求，在容器中加入一定量的气体和水体样品，并注意控制其比例以模拟真实情况。

光纤EFPI传感器系统及其在油气井中应用的研究的开题报
告
一、研究背景
油气井是石油天然气的生产、储存、输送等过程中重要的组成部分，对油气井的实时监测和控制有着重要的意义。

传统的油气井监测方法是通过传感器采集井内数据，但由于传感器数量较少和传输距离限制等原因，监测范围和精度受到限制。

光纤EFPI传感器系统由于具有传输距离长、灵敏度高、抗干扰性强等优点，被广泛应用于油气井的监测中。

二、研究内容
本研究旨在开发一种基于光纤EFPI传感器的油气井监测系统，并在实际油气井中进行应用。

具体采取以下步骤：
1. 设计和制备光纤EFPI传感器，优化其灵敏度和抗干扰性。

2. 建立油气井监测系统，包括传感器部分和数据采集和处理部分。

3. 进行实验室和现场测试，验证系统的性能和可靠性。

4. 探究光纤EFPI传感器在油气井监测中的应用，如井下温度、压力、流速、液位等参数的实时监测。

5. 参照国内外相关标准和规范，评估系统的安全性和合规性。

三、研究意义
本研究的意义在于提升油气井监测的精度和范围，改善传统监测方法的不足。

光纤EFPI传感器系统具有灵敏度高、抗干扰性强、低成本等特点，有望在油气井监测领域发挥重要作用。

同时，通过本研究，也可促进光纤EFPI传感器技术在其他领域的应用和推广。

基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪摘要：针对测井过程中油气水三相流的含气率的测量问题，本文研究了用于测量含气率的集流型光纤探针测井仪器。

首先设计了测井仪器的系统，并对光纤探针法测含气率原理做了分析，其次确定了光纤探针测量含气率的最优探头角度，最后设计了光纤探针传感器驱动电路。

关键词：光纤传感器；油气水j 相流；测井仪器；持气率0 引言油气水三相流中的含气率是指流体中气相所占的比例，是多相流体流动的重要参数。

由于该参数与流型、压力、流速和流动方向等密切相关，目前理论计算模型还有较大的局限性，实验测量是研究含气率的主要手段，也是研究油气水三相流动的重要手段。

国内外发展了多种测量含气率的方法，如：快关阀门法、电导探针法、电容法、射线法、超声波法、高速摄影法等，但这些方法本身各有各的局限性和一定的针对性。

利用光纤探针进行油气水三相流局部含气率的测量，是一种较为先进的测量手段，具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、不导电、抗电磁干扰、耐腐蚀、去湿效果好、灵敏度高、数据处理方便等诸多优点，足以满足油井井下油气水三相流体实际测量的需要。

1 基于光纤传感器的持气率测量系统随着我国各大油田纷纷进入中晚期开发阶段，多数油井由自喷转向机械采油。

根据抽油机井工艺要求，测井仪器只能通过油管和套管之间的环形空间进入需要测试的目的产层，此时要求仪器的最大外径不能超过28mm。

根据该要求，设计了集流型光纤探针持气率测量仪，主要由伞式集流器、光纤探针传感器及装有传感器驱动电路的电路筒组成，结构如图1 所示。

油井套管内径为125mm，而传感器内径仅为20mm，如果不使用集流器，仅有少量的油气水三相流体从电导传感器内部流过，传感器内的流体会趋于静止，此时持气率测量的结果不具有代表性。

为了增大传感器内部流。

基于蓝宝石光纤探针的油气水三相流含气率测量方法于莉娜;杜胜雪;李英伟;刘晓磊;张海明【摘要】为解决生产测井中油气水三相流含气率测量问题,设计并实现了一种蓝宝石光纤探针含气率测量仪.该仪器主要由伞式集流器、不锈钢套筒、光纤探针阵列及仪器整体驱动电路等组成.其中光纤探针阵列采用四光纤探针结构,各光纤探针均采用蓝宝石光纤作为敏感探头,蓝宝石光纤探针的直径为600 μm,探头设计成圆锥形状,其顶端夹角为25°～35°.通过在油气水三相流模拟井测试系统中进行大量试验表明,基于蓝宝石光纤探针含气率测量仪可有效准确测量油气水三相流含气率,并具有简单易行、响应快、灵敏度高等优点,验证了蓝宝石光纤探针在实际工程应用的可行性.【期刊名称】《测井技术》【年(卷),期】2014(038)002【总页数】5页(P139-143)【关键词】生产测井;蓝宝石光纤探针;含气率测量;油气水三相流【作者】于莉娜;杜胜雪;李英伟;刘晓磊;张海明【作者单位】燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛066004;燕山大学信息科学与工程学院,河北秦皇岛066004;大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163100;大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司,黑龙江大庆163100【正文语种】中文【中图分类】P631.830 引言油气水三相流参数测量是世界范围内油气田动态监测中普遍存在及亟待解决的难题。

油气田开发动态监测的重要途径是通过对采油井和注水井内三相流体流动剖面进行测量，并通过了解油井在产液或注水过程中井内流体的特性与状态对油井生产状况和油层生产性质作出评价，从而可进一步优化生产，提高原油采收率和产量，降低成本，尤为重要的是可预防生产过程中油管套管的损坏。

对于油田测试而言，多相流流体的各相含率、流型等参数在各种工艺流程的检测过程中都起着至关重要的作用［1］。

[收稿日期]20221213[基金项目]国家自然科学基金项目 页岩气水平井气水两相生产测井模拟实验研究 (41474115)㊂ [第一作者]郭海敏(1963),男,博士(后),教授,现主要从事地球物理测井方面的研究工作,377627416@q q.c o m ㊂ [通信作者]牛月(1996),男,硕士,现主要从事生产测井资料解释方面的研究工作,n y401z @163.c o m ㊂郭海敏,牛月,张怡然,等.水平井气水两相阵列光纤持率计实验及解释方法研究[J ].长江大学学报(自然科学版),2023,20(4):81-90.G U O H M ,N I U Y ,Z H A N G Y R ,e t a l .R e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t a n d i n t e r p r e t a t i o n m e t h o do f g a s -w a t e r t w o -p h a s ea r r a y fi b e r h o l d u p m e t e r i nh o r i z o n t a lw e l l s [J ].J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),2023,20(4):81-90.水平井气水两相阵列光纤持率计实验及解释方法研究郭海敏1,牛月2,张怡然3,卢鑫31.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学),湖北武汉4301002.中国石化胜利油田分公司油藏动态监测中心,山东东营2570003.长江大学地球物理与石油资源学院,湖北武汉430100[摘要]针对低产水平井井内流体流型不易预测的问题,在分析阵列光纤持率计测井原理及各传感器响应情况的基础上,借助多相流动模拟实验设备进行模拟实验研究,利用实验数据对比研究距离反比加权插值算法和高斯径向基插值算法这两种适用于低产水平井气水两相流流型的持率计算方法㊂利用空气和自来水模拟井下气水条件,分别设置气㊁水流体总流量300m 3/d 和500m 3/d ,每个流量条件下的含水率分别是15%㊁30%和80%,实验包括单相刻度实验和气水两相流流型实验㊂研究结果表明,距离反比加权插值算法的相对误差小于15%,而高斯径向基插值算法的相对误差小于10%㊂表明高斯径向基插值算法在低产水平井情况下适用于处理解释阵列光纤持率计测井数据㊂[关键词]生产测井;水平井;气水两相流流型;持水率[中图分类号]T E 132.14[文献标志码]A [文章编号]16731409(2023)04008110R e s e a r c ho n t h e e x p e r i m e n t a n d i n t e r pr e t a t i o nm e t h o do f g a s -w a t e r t w o -p h a s e a r r a y f i b e r h o l d u p me t e r i nh o r i z o n t a lw e l l s G U O H a i m i n 1,N I U Y u e 2,Z HA N G Y i r a n 3,L U X i n31.K e y L a b o r a t o r y o fE x p l o r a t i o n T e c h n o l o g i e s f o rO i l a n dG a sR e s o u r c e s ,M i n i s t r y o fE d u c a t i o n (Y a n g t z e U n i v e r s i t y ),W u h a n 430100,H u b e i2.R e s e r v o i rP e r f o r m a n c eM o n i t o r i n g C e n t e r ,S h e n g l iO i l f i e l dC o m p a n y ,S I N O P E C ,D o n g y i n g 257000,S h a n d o n g3.S c h o o l o fG e o p h y s i c s a n dP e t r o l e u m R e s o u r c e s ,Y a n g t z eU n i v e r s i t y,W u h a n430100,H u b e i A b s t r a c t :I nv i e wo f t h e d i f f i c u l t y i n p r e d i c t i n g t h e f l u i d f l o w p a t t e r n i n l o w -pr o d u c t i o nh o r i z o n t a lw e l l s ,o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e l o g g i n g p r i n c i p l e o f t h e a r r a y f i b e r h o l d u p m e t e r a n d t h e r e s p o n s e o f e a c h s e n s o r ,t h em u l t i ph a s e f l o w s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a l e q u i p m e n tw a su s e d t o c a r r y o u t a s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t r e s e a r c h ,a n d t h e e x p e r i m e n t a l d a t a w e r e u s e d t o c o m p a r e a n d s t u d y t h e i n v e r s e d i s t a n c ew e i g h t e d i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h ma n dG a u s s i a n r a d i a l b a s i s i n t e r po l a t i o n a l g o r i t h m ,w h i c ha r es u i t a b l ef o rc a l c u l a t i n g t h eh o l d u p o f g a s -w a t e rt w o -p h a s ef l o wi nl o w -pr o d u c t i o nh o r i z o n t a l w e l l s .U s i n g a i r a n d t a p w a t e r t o s i m u l a t e d o w n h o l e g a s -w a t e r c o n d i t i o n s ,t h e t o t a l f l o wo f ga s -w a t e r f l u i dw a s s e t t o 300m 3/da n d500m 3/dr e s p e c t i v e l y,a n dt h ew a t e r c o n t e n tu n d e r e a c hf l o wc o n d i t i o nw a s15%,30%,a n d80%,r e s p e c t i v e l y .T h e e x p e r i m e n t s i n c l u d e s i n g l e -p h a s e c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t s a n d g a s -w a t e r t w o -p h a s e f l o we x p e r i m e n t s .T h e r e s e a r c hr e s u l t s s h o wt h a t t h e r e l a t i v e e r r o r o f t h e i n v e r s e d i s t a n c ew e i g h t e d i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h mi s l e s s t h a n 15%,w h i l e t h e r e l a t i v e e r r o r o f t h eG a u s s i a nr a d i a l b a s i s i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi s l e s s t h a n10%.I t s h o w s t h a t t h eG a u s s i a n r a d i a l b a s i s i n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h mi s s u i t a b l e f o r p r o c e s s i n g a n d i n t e r p r e t i n g t h e l o g g i n g d a t a o f t h e a r r a y f i b e r h o l d u p m e t e r i n t h e c a s e o f l o w -pr o d u c t i o nh o r i z o n t a lw e l l s .K e yw o r d s :p r o d u c t i o n l o g g i n g ;h o r i z o n t a lw e l l ;g a s -w a t e r t w o -p h a s e f l o w ;w a t e r h o l d u p ㊃18㊃长江大学学报(自然科学版) 2023年第20卷第4期J o u r n a l o fY a n g t z eU n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) 2023,V o l .20N o .4Copyright ©博看网. All Rights Reserved.在油井产出剖面测井评价与监测中,通过对持水率这种主要流动参数的测量,可以掌握产水层位,确定油气井生产状态,是保障油气井稳产高产的重要评价方法[1-2]㊂轻质相与重质相由于其不同的物理特性,在井下会呈现重力分离的情况,由于水平井和垂直井的井体形态有较大区别,因而对于水平井而言,常规的持水率测井仪器往往难以得出精确的评价结果㊂国外各大测井公司在水平井测量方面已经具备了相对完善的评价能力,研究出了适合水平井的测井仪器,例如斯伦贝谢公司相继研发出了F l a g s h i p㊁P S ㊁P l a t f o r m 和F l oS c a n I m a ge 等水平井集成化测量仪器[3]㊂目前,针对水平井井筒的多相流持水率测井仪器,多为阵列式电容持水率计(c a p a c i t a n c e a r r a y to o l ,C A T )和阵列式电阻持水率计(r e s i s t a n c e a r r a y t o o l ,R A T )[4-6]㊂郭海敏等[7]研究了3种不同持率测量仪器随流体流型流态变化的响应规律,提出了平管油水两相流持率参数优化选取的方案㊂宋文广等[8]从微分的角度提出了一种井筒截面剖分计算C A T 生产测井各相持率的方法,基于此方法的验证符合率达到了90%以上,具有一定的应用及研究价值㊂朱邵武等[9]引入并改进了地质统计学中的克里金算法和多因素拟合统计算法,建立了各种流型情况下阵列持率成像处理数学模型㊂不同的生产测井仪器会导致差异化较大的测量结果,为获得更加全面㊁丰富的测井资料,在低产水平气井测量作业中,可选择较为先进的阵列光纤持率计(g a sa r r a yt o o l ,G A T )㊂本次研究利用G A T 仪器开展多相流物理实验,从理论上对距离反比加权插值算法和高斯径向基插值算法进行研究,利用这两种成像算法对阵列光纤持率计响应数据进行处理,通过对比实验流型图与成像图,分析两种成像算法处理G A T 仪器数据的精度,在水平井气水两相流流型物理实验的基础上提出一种适用于解释G A T 仪器的计算方法㊂1 多相流物理实验1.1 实验装置本次实验是在长江大学水平井大斜度井多相流动模拟实验室开展的,该实验室不仅可用于研究水平井多相流动特性㊁生产测井新方法㊁新仪器刻度㊁新理论验证和测井仪器在不同条件下对流体的响应情况等,还建立了科学的多相流体力学模型和成熟的产出剖面测井解释评价方法与软件[10]㊂ 注:1 油水分离罐;2-储水罐;3-储油罐;4,5-压力泵;6,7,8,9-控制台;10-混合罐;11,12-模拟井筒㊂图1 多相流实验装置示意图F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a mo fm u l t i p h a s e f l o we x pe r i m e n t a l d e v i c e 多相流实验装置由模拟井筒㊁储液罐㊁管排区㊁压力泵和控制台等部分组成(见图1)㊂实验开始后,控制台设定实验方案规定的流体流量和含水率,流体从储液罐中流出,经过压力泵,流经管排区,进入模拟井筒中㊂实验完成后,混合流体流入油水分离罐,气体排放到空气中,液体经过分离后分别回到储液罐,以待下次实验使用㊂模拟井筒包括2条玻璃井筒㊁旋转支架和混合罐等㊂井筒总长14m ,玻璃管长12m ,两条玻璃井筒的井径分别是124mm 和159mm ㊂旋转支架承载井筒和混合罐,可在0ʎ~90ʎ之间任意旋转,实验人员根据实验方案调节支架,以此来研究不同井斜角度下井筒内流体流动特征㊂1.2 G A T 测量仪器G A T 由主体杆和6条支臂组成,每条支臂上有一个光学传感器,传感器均匀分布在仪器1周㊂G A T 主要应用在水平井和近水平井中,包含通讯板㊁接口板和光学单元等配件㊂通讯板上拥有较多仪器功能,如提供精密电源㊁给接口板传输通讯数据㊁遥传或存储通讯数据和为传感器供电等㊂接口板则相当于6个光学传感器测量数据的路由器,利用M E M S 加速计来测量数据㊂光学单元是G A T 的核心㊃28㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.设备,是区分流体性质的关键配置元件㊂G A T 可以很好地识别气体和液体,其原理是根据流体对光的折射率差异来识别流体性质,光学传感器使用的材料是蓝宝石,该材料对光的折射很敏感,蓝宝石本身对光的折射率是1.76㊂仪器在井筒内流体中进行测量时,不同的流体流经传感器响应的折射率不同,气体的折射率为1.00,水的折射率为1.33,油的折射率大约在1.45~1.55之间㊂根据这种差异值即可识别出流体性质,特别是识别气体㊂1.3 实验方案实验中所用的流体介质分别以空气模拟井下气体,以自来水模拟井下液体,环境为常温常压㊂分别以气㊁水流体总流量300m 3/d 和500m 3/d 进行实验,对照不同流量条件下含水率的不同,含水率分别设置为15%㊁30%和80%㊂实验包括单相刻度实验和气水两相流流型实验㊂2 数据分析2.1 流型分析流型是指混合流体在管道里面流动时,受流量㊁压力㊁温度㊁管道倾角和流体性质等因素影响,形成错综复杂的流动结构㊂气水两相流流型的研究对井筒的流体流量㊁气体产量和持水率等参数具有重要意义[11-13]㊂因此,对水平井气水两相流型的研究在油气生产开发领域中至关重要㊂流型的划分标准较多,这是因为气体比较活跃,可压缩,气与水的密度差异大,不同环境下的气水两相流流型变化较大㊂气水两相流流型按照流体流动状态可分为连续流动㊁分散流动和间歇流动;按照流体各相分布情况可分为分层流㊁环状流等㊂在气水两相实验过程中,当井筒内流体稳定流动时,重力对井筒内流体影响最大,井筒内轻质相的气均匀分布在模拟井筒上方,重质相的水均匀分布在模拟井筒下半部分,两相流体之间界面平滑㊂实验员使用目视法观察井筒内的流体流型,并拍照记录,如表1所示(表1中的流体流型均为分层流)㊂表1 水平角度不同流量下的流体流型照片T a b l e 1 P h o t o s o f f l u i d f l o w p a t t e r n s a t d i f f e r e n t f l o wr a t e s a t h o r i z o n t a l a n gl es ㊃38㊃第20卷第4期郭海敏等:水平井气水两相阵列光纤持率计实验及解释方法研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.2.2仪器响应分析图2 G A T 仪器刻度交会图F i g.2 C r o s s p l o t o fG A T i n s t r u m e n t c a l i b r a t i o n G A T 共有6个光学传感器,每个传感器在单相流体中均有响应,且在纯水中的响应值接近0,在纯气中的响应值接近1(见图2)㊂该仪器对气体的识别效果非常好,这也是G A T 多用于测量气水两相流流型的原因㊂3 成像算法3.1 实验真实持水率计算图3 标尺示意图F i g .3 S c a l e d i a gr a m 在上述水平井气水两相流流型实验中提到,实验是在模拟井筒中进行的,实验员可以直接观察㊁记录实验中流体流动状态[14]㊂模拟井筒环周有两个标尺,如图3所示,标尺的最大刻度是井筒截面的圆周周长,水平井气水两相流流型实验选用的是井径为159mm 的模拟井筒㊂持水率计算流程如图4所示㊂根据图3中的标尺刻度,可以得到水相流体在井筒中所占扇形面积的弧长,进而可以计算出弧长对应的圆心角和水相流体截面积,最后根据持率定义公式计算出持水率㊂持水率也被称为截面含水率和真实含水率,指的是水相在气水两相流流型中占过流断面总面积(即井筒截面积)的百分比:θ=lCˑ360ʎ(1) S w =θ360ˑS -r 2s i n θ2(2) Y w =S wS(3)式中:θ是水相弧长对应的圆心角,(ʎ);l 是水相所占扇形面积的弧长,mm ;C 是井筒圆形截面的周长,mm ;S w 是水相在井筒截面中所占区域面积,mm 2;S 是井筒圆形截面的面积,mm 2;r 是井筒半径,mm ;Y w 是持水率,1㊂图4 持水率计算流程图F i g .4 F l o wc h a r t o fw a t e r h o l d u p ca l c u l a t i o n ㊃48㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图4中,根据井筒上的标尺刻度,读取水相所占面积的弧长,进而求解弧长对应的圆心角,再根据式(1)和式(2),求出水相在井筒截面所占的面积,即图4中的蓝色区域;最后根据持水率的定义公式,将水相面积与井筒截面面积的比值计算出来,该值就是实验真实持水率(见表2)㊂表2 实验真实持水率计算表T a b l e 2 E x p e r i m e n t a l r e a l w a t e r h o l d u p ca l c u l a t i o n t ab l e 实验真实持水率是指不同实验条件下,水相流体在整个气水两相流流型中的体积分数㊂该值可以由实验人员通过标尺刻度和数学原理,利用持率定义公式,直接计算出持水率[15]㊂在求解过程中,既不需要测井仪器的响应数据,也不需要复杂的流体力学计算方程㊂这种持水率计算方法的优点是方便㊁简单和直观,但这种方法只适用于流型为分层流的水平井气水两相流流型,不适用于复杂流型中的持水率计算㊂3.2 距离反比加权插值算法距离反比加权插值算法的原理是,已知信息的测量点与未知信息的待测点具有一定的关系,而这种关系与测量点到未测点之间的距离的幂次方成反比㊂根据该原理,可以通过已知信息的测量点计算出待测点的信息㊂在水平井气水两相流流型持率计算中,阵列式持率测井仪器的探头可以测量井筒内流体的局部持水率,如果想知道井筒内所有区域的流体持水率和全井筒总持水率,可借助距离反比加权插值算法[16-17]㊂以井筒圆形截面为二维坐标系,上面的某个点坐标可以表示为P i (x i ,y j ),那么利用G A T 响应数据可以得到某一点的持水率:Y w p =ð6i =1D i j ㊃Y wi (4)式中:Y w p 为井筒内某一点持水率,1;D i j 为井筒截面坐标系中第i 个G A T 探头响应点到待测点j 的距离权值;Y w i 为第i 个G A T 探头的持率响应值;i ,j =1,2,3, ,6㊂距离反比加权插值算法选用欧式距离方程,那么D i j 的计算公式为:D i j =1ð6i =1(x i-y i)2(5)利用距离反比加权插值算法计算井筒流体持水率,设定G A T 仪器的6个探头响应值分别是Y w 1,Y w 2, ,Y w 6,其对应的坐标分别是(x 1,y 1),(x 2,y 2), ,(x 6,y 6),那么井筒内持水率的计算公式为:Y w =ð6i ,j =1D 2i jYw ið6i ,j =1D2i j=D 21Y w 1+D 22Y w 2+ +D 26Y w 6D 21+D 22+ +D 26(6)式中:Y w 为井筒流体总持水率㊂将水平井气水两相流流型实验中得到的G A T 响应数据导入算法中进行计算,得到井筒内流体二维成像图㊂成像图的上部红色区域是气相,下部蓝色区域是水相,气相和水相分界面清晰,均为连续相,流型表现为层状流㊂同一流量下,含水率的增加,导致井筒截面成像图中的蓝色区域变大,即持水率变㊃58㊃第20卷第4期郭海敏等:水平井气水两相阵列光纤持率计实验及解释方法研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.大;同一含水率下,蓝色区域面积随着流体流量的增大而增大,持水率同样变大(见图5)㊂因此,在水平井气水两相流流型中,持水率受流体流量和含水率的影响最大㊂图5 距离反比加权插值算法成像图F i g .5 I m a g e b y i n v e r s e d i s t a n c ew e i g h t e d i n t e r p o l a t i o na l go r i t h m 对比距离反比加权插值算法计算的持水率与实验真实持水率,求取相对误差,分析计算精度㊂对水平井气水两相流流型,流量300m 3/d 和500m 3/d ,含水率分别是15%㊁30%和80%条件下,G A T 响应数据进行距离反比加权插值算法计算,得到不同条件下的成像图㊂二维成像图均为层状流,但气水分界面起伏不定,弯曲部分较多㊂根据持水率定义公式,对成像图中的蓝色区域即水相面积占成像图面积的比值进行计算,得到不同实验条件下的持水率,并将距离反比加权插值算法计算出来的持水率与实验真实持水率对比分析,计算得到距离反比加权插值算法的相对误差均在15%以下(见表3)㊂3.3 高斯径向基插值算法径向基函数是一个需要根据离原点的距离进行计算某点特征值的实值函数,距离计算公式如式(7)所示㊂其特点是两点之间的自变量的距离越远,径向基函数的数值就越小;反之,距离越近,其数值就越大㊂径向基函数形式多种多样,包括薄板样条函数㊁多二次函数插值和高斯函数,在工程领域最常用的就是高斯径向基函数:L = x -x i(7)式中:L 为两点间的距离;x 为点坐标㊂高斯函数是径向基函数中应用最多的一个插值函数,高斯径向基函数能够计算整个截面空间上点信息,克服了距离反比加权插值算法不能计算探头本身所在位置数值的缺点㊂高斯径向基函数插值算法为: φ(L )=e -L 2γ2(8)式中:γ为递减控制系数㊂那么两个点之间距离权系数计算公式为:d i j =e -[(x i -x j )2+(y i -y j )2]γ2i j(9)式中:d i j 是已知信息点和待测点距离的权系数;γi j是两点之间递减控制系数,可以反映井筒内流体流㊃68㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.动特征,例如流体波动㊂表3 距离反比加权插值算法持水率统计表T a b l e 3 S t a t i s t i c a l t a b l e o fw a t e r h o l d i n g r a t e b y i n v e r s e d i s t a n c ew e i g h t e d i n t e r p o l a t i o na l go r i t hm 在利用高斯径向基插值算法计算出两个样本点的距离权值后,再根据持水率定义公式,就可以计算井筒截面上某个点的持水率,进而利用G A T 的6个探头响应值计算水平井气水两相流流型总的持水率:Y w p =ð6i ,j =1Di j㊃k i ㊃Y w i(10) Y w =ð6i ,j =1D 2i j k iYw ið6i ,j =1D2i j=D 21k 1Y w 1+D 22k 2Y w 2+ +D 26k 6Y w 6D 21+D 22+ +D 26(11)式中:k i 为特定系数,为了保证算法的相容性,不同的探头对应不同的k i㊂对不同实验条件下的G A T 响应数据利用高斯径向基插值算法进行重构,得到井筒内流体二维成像图㊂图6为利用高斯径向基插值算法处理G A T 响应数据形成的二维成像图,可以看出,气水两相流流型分界面明显,气相和水相均为连续相,不掺杂气泡或者水泡,表现为层状流;根据持水率的定义,水相面积占过流断面面积的比值就是持水率,那么反映在成像图中就是蓝色区域与圆形成像图面积的比值就是持水率㊂对比高斯径向基插值算法计算的持水率与实验真实持水率,求取相对误差值(见表4)㊂对表4进行分析可知:高斯径向基插值算法重构G A T 响应数据形成的二维成像图呈现为分层流,虽图像中的气水分界面略有起伏,但可以观察到分界面清晰明显,与实验中的水平井气水两相流流型基本一致,效果比距离反比加权插值法更好㊂根据图像计算出来的持水率与实验真实持水率对比,其相对误差均小于10%,且持水率受含水率和流量的影响,会随着含水率的增大或者流量的增大而变大㊂㊃78㊃第20卷第4期郭海敏等:水平井气水两相阵列光纤持率计实验及解释方法研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图6 高斯径向基插值算法成像图F i g .6 I m a g e b yG a u s s i a n r a d i a l b a s i s i n t e r p o l a t i o na l go r i t h m 表4 高斯径向基插值算法持水率统计表T a b l e 4 S t a t i s t i c a l t a b l e o fw a t e r h o l d i n g r a t e b y G a u s s i a n r a d i a l b a s i s i n t e r p o l a t i o na l go r i t hm ㊃88㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.4 方法对比利用距离反比加权插值算法和高斯径向基插值算法对水平井气水两相流流型实验中的阵列式光纤持气率计G A T 响应数据进行重构成像,研究二维成像图中气水两相流流型体的分布状态,与实验中拍摄的流体流型图进行对比,定性识别成像算法的效果㊂通过成像图计算持水率,与实验真实持水率对比,分析误差,定量计算成像算法的精度㊂具体对比情况如表5所示㊂表5 不同算法成像图与实验流体流型图对比T a b l e5 C o m p a r i s o n o f i m a g i n g i m a g e s o f d i f f e r e n t a l g o r i t h m sw i t h e x p e r i m e n t a l f l u i d f l o w p a t t e r n i m a ges 由表5可知,两种插值算法重构的二维成像图与实验流体流型图均能相对应,气水两相流体流型分布特征与实验流型图基本一致,均为分层流㊂高斯径向基插值算法成像图效果较好,距离反比加权插值算法成像图效果较一般,水相界面向截面中心弯曲幅度较大,与实验流型图对比效果略差㊂对比表3和表4可知,距离反比加权插值算法计算的持水率与实验真实持水率的相对误差均在15%以内,高斯径向基插值算法计算的持水率与实验真实持水率的相对误差均在10%以内㊂因此可以证明高斯径向基插值算法在水平井气水两相持水率计算精确度上较高,将高斯径向基插值算法作为解释计算阵列式光纤持率计G A T 响应数据的方法是可行的㊂5 结论1)利用高斯径向基插值算法重构G A T 响应数据得到的二维成像图效果较距离反比加权插值算法好,成像图中的流体分布状况与实验流型图一致,均为层状流㊂㊃98㊃第20卷第4期郭海敏等:水平井气水两相阵列光纤持率计实验及解释方法研究Copyright ©博看网. All Rights Reserved.㊃09㊃长江大学学报(自然科学版)2023年7月2)对比两种成像算法计算的持水率与实验真实持水率,高斯径向基插值算法的计算精度更高,可作为适用于阵列光纤持率计的一种解释评价方法㊂参考文献:[1]郭海敏,戴家才,陈科贵.生产测井原理与资料解释[M].北京:石油工业出版社,2007.G U O H M,D A I JC,C H E N KG.P r o d u c t i o n l o g g i n g p r i n c i p l e a n dD a t a I n t e r p r e t a t i o n[M].B e i j i n g:P e t r o l e u mI n d u s t r y P r e s s,2007.[2]董勇,郭海敏,李梦霞,等.基于C A T的水平管油水两相流动成像算法改进[J].测井技术,2014,38(3):262-266.D O N G Y,G U O H M,L IM X,e t a l.M o d i f i c a t i o no f i m a g i n g a l g o r i t h mf o r o i l-w a t e r f l o wi nah o r i z o n t a l t u b e b a s e do nC A T d a t a[J]. 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石油管材与仪器PETＲOLEUM TUBULAＲGOODS ＆INSTＲUMENTS项目基金：国家科技重大专项，项目编号：2011ZX05020－006。

第一作者简介：张勇，男，1967年生，高级工程师，1991年毕业于石油大学（华东）测井专业，目前在大庆油田测试技术服务分公司从事生产测井仪器研发工作。

E-mail ：dlts_zhangy@petrochina．com．cn ·仪器设备与应用·持气率测量光纤探针敏感头仿真及形状优化*张勇1李英伟2刘兴斌1王振玉1沈染庆1（1．大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆163100；2．燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛066004）摘要：文章针对传统光纤探针传感器测量持气率灵敏度差的问题，以光纤光学原理为基础，基于光学设计软件Zemax 纯非序列模式，分析光线在不同形状光纤敏感头中的传输情况，对光纤探针敏感头结构进行优化。

按单光纤探针的形状，初步设计四种敏感头形状并模拟其光路，经过百万次的光线追迹，对探测器上的回光能量进行收集并对比分析，最终设计出最优形状光纤探针敏感头。

关键词：光纤探针传感器；Zemax ；持气率；仿真模型中图法分类号：TE372文献标识码：A文章编号：2096－0077（2015）02－0082－03Optimized Measurement of Gas Holdup of the Optical FiberProbe Sensitive Head StructureZHANG Yong 1LI Yingwei 2LIU Xingbin 1WANG Zhenyu 1SHEN Ｒanqing 1（1．Logging＆Testing Services Company of Daqing Oilfield Co．LTD ，Daqing ，Heilongjiang 163100，China 2．College of Information Science and Engineering ，Yanshan university ，Qinhuangdao ，Hebei 066004，China ）Abstract ：Aiming at a optical fiber probe sensor head held gas rate sensitivity problem for traditional fiber probe sensor measurement ，based on the principle of optical fiber ，and based optical design software Zemax pure non －sequential mode ，analysing the transmission of light in the different shape of the optical fiber ，after a million light trace analysis of the energy of the detector ，optimized the optical fiber．The shape of the single －fiber probe ，preliminary design and simulate the optical path ，draw four different shapes of the probe sensitivity ，design the op-timal shape．Key word ：optical fiber sensor ，zemax ，gas holdup ，simulation model0引言油井实际生产中，持气率测量是油气水三相流参数测量中一个重要的研究内容，但油气水三相流的流动特性十分复杂，致使油气水三相流持气率的测量难度较大。

- 70 -工 业 技 术在油气资源开采的过程中，石油井下情况的准确探测是提高工作效率和开采产量的重要前提[1]。

但是，石油井下的情况通常非常复杂，形成多种气体、多种液体混合交融、各自占比不明且动态变化的混合情况。

在该情况下，必须通过有效的探测方法、可靠的探测工具，对石油井内的各种物质存在和配比情况进行探测，得到准确的数据信息后，设计相应的开采方案才能得到最大的收益比[2]。

从石油井内的物质配比情况看，一般存在石油物质、水物质和气体物质3类成分。

在探测工具的选择上，还要充分考虑工具材料在这3种物质中的稳定性。

光纤材料在这3种物质中的稳定性较好，不导电、绝缘且不会被周围环境的强电场和强磁场干扰[3]。

如果用光纤材料制成探针，深入井内对各种物质尤其是气体含有比率（即持气率）进行测量，会提升石油资源开采效率。

为此，该文考虑一种多光纤探针组合的方法，通过详细的设计和实验地验证，探寻其在石油井内完成持气率测量的可行性。

1 持气率多探针测量方法设计根据石油井内的探测经验可知，石油井内的物质配置情况十分复杂，并随着开采进程的延续会呈现出不断的动态变化，会对包括光纤探针在内的各种传感器造成极大影响，从而导致测量结果不准确、不全面。

因此该文设计了多光纤探针的测量方案，以适应石油井内物质的不均衡性，从而彻底改变单光纤探针可能造成的测量结果不确定性和低可信性，该测量方案的实施框图如图1所示。

从图1给出的多光纤探针完成石油井内测量的技术方案可知，该技术实施大致分为如下阶段。

第一个阶段，将多个探针同时使用，探针的数目至少要多余2个，也可能是3个、4个，乃至更多。

这些探针一起进入石油井下，完成各自区域内的测量任务。

第二个阶段，石油井内的情况是复杂和未知的，井上也无法实现远程全面监控，因此会存在大量未知因素的干扰，从而给探针的测量结果造成干扰。

为了确保各探针采集到信号的可用性，该阶段要进行噪声去除的预处理。

第三个阶段，每个探针在井下的工作过程都是一个跨越一定时间范围的测量过程，因此会得到多个时间点的测量数据。

持气率测量光纤探针敏感头仿真及形状优化∗
张勇;李英伟;刘兴斌;王振玉;沈染庆
【期刊名称】《石油仪器》
【年(卷),期】2015(000)002
【摘要】文章针对传统光纤探针传感器测量持气率灵敏度差的问题，以光纤光学原理为基础，基于光学设计软件Zemax纯非序列模式，分析光线在不同形状光纤敏感头中的传输情况，对光纤探针敏感头结构进行优化。

按单光纤探针的形状，初步设计四种敏感头形状并模拟其光路，经过百万次的光线追迹，对探测器上的回光能量进行收集并对比分析，最终设计出最优形状光纤探针敏感头。

【总页数】4页(P82-84,88)
【作者】张勇;李英伟;刘兴斌;王振玉;沈染庆
【作者单位】大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163100;燕山大学信息科学与工程学院河北秦皇岛 066004;大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163100;大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163100;大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163100【正文语种】中文
【中图分类】TE372
【相关文献】
1.光纤探针持气率计模拟井实验数据分析 [J], 李莉;刘兴斌;房乾;张大庆
2.利用脉冲中子能谱技术测量连续油,气,水持率 [J], Morri.,F;陈艳
3.持气率测量光纤探针敏感头仿真及形状优化 [J], 张勇;李英伟;刘兴斌;王振玉;沈染庆;
4.基于表面等离子体共振光纤持气率传感器探头敏感膜理论仿真研究 [J], 刘超;孙祺;张子华;邱艳;张倩;周志全
5.油-气-水三相流超声传感器持气率测量 [J], 金宁德; 任卫凯; 陈选; 翟路生
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光纤传感技术在石油钻探中的应用调研编写人：万亚旗魏兵地质录井公司录井工艺研究所2013年8月14日目录0 光纤传感技术专利及文献分析 (1)1 光纤压力监测技术 (3)2 光纤温度监测技术 (4)3 光纤气体传感器 (5)3.1传感型光纤气体传感器 (5)3.2 传光型光纤气体传感器 (6)3.2.1渐逝场型光纤气体传感器 (6)3.2.2荧光型光纤气体传感器 (7)3.2.3染料指示剂型光纤气体传感器 (7)3.2.4 折射率变化型光纤气体传感器 (8)3.2.5多点复用型光纤气体传感器 (9)3.2.6 光谱吸收型光纤气体传感器 (9)4 激光光纤核测井技术 (15)5 光纤多相流检测技术 (16)6 光纤气体检测仪 (17)7 光纤井下地震检波器系统 (23)8 结论与建议 (24)0 光纤传感技术专利及文献分析（1）光纤传感器专利报告分析1）关键词光纤传感器通过专利分析软件，输入关键词“光纤传感器”，排在前几位的应用领域分别是应用化学或物理性质进行测试分析材料、温度测量、长度厚度计量、测量电变量、测量力应力等。

可以看出光纤传感器在温度和应力测量领域属于成熟领域。

排在后几位的依次是系统监控、石油钻井、测量距离、信号装置、控制光的强度、传输、容积容量的测量等，在这些领域处于技术婴儿期。

2）关键词光纤传感器石油通过专利持有人分析发现，多数为石油公司和石油类科研院校。

通过专利分析，我们于2013年7月初调研了北京蔚蓝仕有限公司，其在石油领域的应用的主要产品为永久井下检测仪（井下温度和压力监测）和正在研发的井下多相流传感器。

光纤传感器在石油领域的应用主要在管道泄漏检测、石油钻井、测量应力、长度测量、应用物理或化学性质分析材料、温度测量、信号装置、流量的测量、光学元件等方面。

从应用方面来看，其应用的范围主要在成熟的温度测量以及应力监测等方面，由于光纤传感器在长距离管道泄漏监测方面具有成本低、精度高的优势，因此专利的数量排在了专利的第一位。

油气井中光纤传感器的应用及发展趋势邓显林【摘要】光纤传感器主要以光纤作为原材料，其中光纤主要由纤芯、包层、涂覆层组成，成分是二氧化硅。

光纤温度传感器常见类型有支架型、流体型、吊坠型。

其中支架型采用了光纤弯曲半径系数大的原理，在高温复杂地形情况下，可以任意弯曲，并且半径节点分布不均匀，可以对多个设置点进行测量。

随着近几年石油行业的不断发展，对光纤设备的需求量也呈现高速增长趋势，2006~2009年光纤传感器用于石油行业的成本就高达24亿美元。

【期刊名称】《油气田地面工程》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】2页(P61-62)【关键词】光纤传感器器;光线刺激;光电转换;流量;测量【作者】邓显林【作者单位】重庆电子工程职业学院【正文语种】中文1 工作原理光纤传感器主要以光纤作为原材料，其中光纤主要由纤芯、包层、涂覆层组成，成分是二氧化硅[1]。

在实际工作中，通常有3种波长的光纤用于光线传输中，即0.85、1.31和1.55μm。

在用到1.31μm波长的光纤时，其色散的程度为零，一般用于单模光纤，传输距离较长；用到1.55μm波长的光纤时，其折射率最小，一般用于多模光纤当中，传输距离较短；0.85μm波长的光纤用到的概率较小。

光纤和其他半导体材料相比，具有更高的折射率，当光源从内部传送时，可以无损耗的从用户输出端传出。

光纤是一个感应器件，在其中注入一束光线时，相应的传感器显示屏上会显示出光线波长、相位、色散值。

当受到外界温度、亮度、电磁波等一系列的干扰时，传感器上的光线的波长、相位、传播速度就会发生相应的变化。

2 技术应用2.1 光强度测量当光感应器受到一束较强的光线刺激时，就会引起传感器的变化[2]。

首先在内部元件中经过光电转换，把光信号转变成电信号，然后在三极管上采用二级分光进行信号放大。

之后光感应器接收端处理光信号来源，判断是否符合实际需求。

2.2 流量测量当用光纤流量感应指针测定井下流体的流速时，只是通过井内单质流体和其他掺杂混合流体的密度、压强及流速来计算出相对流量。