持氣率測(cè)量光纖探針敏感頭仿真及形狀優(yōu)化*

張 勇 李英偉 劉興斌 王振玉 沈染慶

(1．大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163100;2．燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 河北 秦皇島 066004)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

持氣率測(cè)量光纖探針敏感頭仿真及形狀優(yōu)化*

張 勇1李英偉2劉興斌1王振玉1沈染慶1

(1．大慶油田有限責(zé)任公司測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163100;2．燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 河北 秦皇島 066004)

文章針對(duì)傳統(tǒng)光纖探針傳感器測(cè)量持氣率靈敏度差的問(wèn)題，以光纖光學(xué)原理為基礎(chǔ)，基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax純非序列模式，分析光線在不同形狀光纖敏感頭中的傳輸情況，對(duì)光纖探針敏感頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。按單光纖探針的形狀，初步設(shè)計(jì)四種敏感頭形狀并模擬其光路，經(jīng)過(guò)百萬(wàn)次的光線追跡，對(duì)探測(cè)器上的回光能量進(jìn)行收集并對(duì)比分析，最終設(shè)計(jì)出最優(yōu)形狀光纖探針敏感頭。

光纖探針傳感器；Zemax；持氣率；仿真模型

0 引 言

油井實(shí)際生產(chǎn)中，持氣率測(cè)量是油氣水三相流參數(shù)測(cè)量中一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容，但油氣水三相流的流動(dòng)特性十分復(fù)雜，致使油氣水三相流持氣率的測(cè)量難度較大。國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種測(cè)量持氣率的方法，但各種方法都有其針對(duì)性和局限性[1～3]。探針?lè)ㄒ蚱淇闺姶鸥蓴_、耐腐蝕、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)在多相流持氣率測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用[4～5]。目前我國(guó)多數(shù)油田已經(jīng)進(jìn)入高含水階段，針對(duì)傳統(tǒng)光纖探針傳感器測(cè)量持氣率靈敏度差的問(wèn)題，研究了光纖探針傳感器敏感頭優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。因此本文以光纖光學(xué)原理為基礎(chǔ)，基于光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax純非序列模式[6]，建立探針及其耦合光路仿真模型，對(duì)光纖內(nèi)部光線進(jìn)行追跡，通過(guò)百萬(wàn)次的光線追跡，分析光線在不同形狀光纖敏感頭中的傳輸情況。模擬耦合系統(tǒng)中經(jīng)光纖探針敏感頭反射回探測(cè)的光線，收集回光能量并對(duì)探測(cè)器上的回光能量進(jìn)行對(duì)比分析，研究探針置于空氣介質(zhì)中時(shí)探針形狀對(duì)其靈敏度產(chǎn)生的影響，對(duì)光纖探針敏感頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期更準(zhǔn)確的進(jìn)行油氣水三相流持氣率測(cè)量。

1 光纖探針測(cè)量原理

光纖探針?lè)ǖ臏y(cè)量原理是利用氣相和液相對(duì)光的折射率不同，根據(jù)探針頭部接收到的折射光強(qiáng)度不同，來(lái)分辨探針頭部是處于氣相還是液相。當(dāng)光纖探針端部與氣相接觸時(shí)，入射光在棱鏡上發(fā)生全反射；當(dāng)光纖探針端部與水和油接觸時(shí)，入射光在棱鏡上發(fā)生折射進(jìn)入被測(cè)介質(zhì)而無(wú)反射，即可獲得光纖探針?biāo)廃c(diǎn)的持氣率，如圖1所示。

圖1 光纖探針測(cè)量原理

光纖探針敏感頭是其主要的傳感部分，對(duì)儀器的靈敏度及可靠性至關(guān)重要，因此敏感頭的形狀和直徑的選擇是光纖探針傳感器設(shè)計(jì)能否成功的關(guān)鍵。一方面，探針直徑應(yīng)足夠大以使其與液膜相比為最小；另一方面又應(yīng)當(dāng)足夠小以盡量減小探針敏感頭對(duì)流體流動(dòng)的干擾，這也是研究光纖探針形狀不斷地提高敏感頭回光率的重要原因之一。本文按光纖探針頭部結(jié)構(gòu)的不同，設(shè)計(jì)四種單纖探針?lè)譃閳A錐形探針、球形探針、拋物線形探針和橢圓形探針，如圖2所示。

圖2 四種探針形狀剖面圖

2 仿真模型的建立

本文利用Zemax軟件對(duì)光纖探針敏感頭內(nèi)部光線傳輸進(jìn)行仿真測(cè)試即光線追跡，下面具體介紹如何將探針?lè)湃腭詈舷到y(tǒng)光路中進(jìn)行軟件仿真。參照光纖基本原理知光纖的組成部分纖芯與包層，內(nèi)外都是圓柱形結(jié)構(gòu)，因此光纖在軟件中有多種模擬方法，其中之一是用兩個(gè)圓柱體來(lái)模擬，另一種用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鏡來(lái)模擬。本文欲選用標(biāo)準(zhǔn)鏡片模擬的方法，光纖的纖芯材料使用軟件中的SILICA(二氧化硅)，在Zemax中標(biāo)準(zhǔn)面的每一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)是由公式(1)決定的。

(1)

在Zemax中，光纖的模擬可以有很多的方法，這里采用最簡(jiǎn)單的方法，即兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)透鏡(standard lens)，曲率半徑為0，纖芯的半徑設(shè)置為0.3，材料設(shè)置為silica(石英材料)，包層的半徑設(shè)置為0.33，材料設(shè)置為L(zhǎng)Z_OK4(滿足其NA=0.22)，纖芯放在包層的下面，且纖芯的inside of填寫為包層的序列號(hào)。具體的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 基于Zemax光線追跡法的光纖設(shè)計(jì)圖

3 光路模擬及結(jié)果分析

在光路模擬前，將傳感器結(jié)構(gòu)中耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)為Y型，如圖5所示。一束光通過(guò)光纖傳輸?shù)教筋^，當(dāng)光纖探針與氣相接觸時(shí)，入射光大部分光通過(guò)Y結(jié)點(diǎn)被反射回到檢測(cè)器，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器輸出高電平。當(dāng)光纖探針與水或油相接觸時(shí)，光被折射出去，進(jìn)入被測(cè)介質(zhì)，幾乎沒(méi)有光返回發(fā)射器或者探測(cè)器，從而轉(zhuǎn)換成很弱的電信號(hào)，光電轉(zhuǎn)換器輸出低電平。隨著油氣水三相流體交替流過(guò)光纖探針，光電轉(zhuǎn)換器將輸出隨時(shí)間連續(xù)變化的電壓信號(hào)，將此信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，便可得到光纖探針?biāo)谖恢玫木植拷孛婧瑲饴?，且隨時(shí)間變化的信號(hào)將以鋸齒形狀的轉(zhuǎn)變連續(xù)存在。

圖5 耦合系統(tǒng)光路圖

光路中，一端為入射光纖，一端為出射光纖，如果將發(fā)光二極管的光源看做點(diǎn)光源進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么從開始就會(huì)存在誤差，造成設(shè)計(jì)的不確定性將光源看做面光源，而非點(diǎn)光源進(jìn)行模擬分析，光纖探頭即選用上述四種光纖探針。先將Zemax非序列中以光纖探針敏感頭和耦合光纖連接處做為起始原點(diǎn)，耦合光纖的Object Type欄設(shè)定為Imported，材料設(shè)置為SILICA(二氧化硅)，敏感頭選用Standard Lens。其次對(duì)光源進(jìn)行定位，光源的空間位置坐標(biāo)為(0,6.076,-34.34)，關(guān)于X軸旋轉(zhuǎn)20°，能量參數(shù)設(shè)定為3.75(10-3W)。因?yàn)轳詈舷到y(tǒng)光路出射光纖末端是接光電探測(cè)器，故此處在Zemax中仿真時(shí)放置一個(gè)探測(cè)器，實(shí)際中光電二極管尺寸為1.93 mm，故探測(cè)器選用2×2 mm2同時(shí)確定探測(cè)器的空間位置，仿真中探測(cè)器空間位置坐標(biāo)為(0,-6.076,-34.34)，關(guān)于X軸旋轉(zhuǎn)-20°，材料設(shè)置為ABSORB，目的是收集不同形狀的探頭的回光能量?；谏鲜鲅芯考澳M的耦合系統(tǒng)光路及其參數(shù)設(shè)置，在Zemax非序列中保持光源、光纖、探測(cè)器的材料、空間位置及其它的所有參數(shù)一致的情況下，僅更換光路耦合系統(tǒng)中探測(cè)系統(tǒng)的敏感探頭。如先將耦合系統(tǒng)光路中的探針敏感頭位置放置一個(gè)如圖4 (a) 圓錐形光纖探針，并且每更換一次探針敏感頭都對(duì)光路進(jìn)行百萬(wàn)次的光線追跡，探針敏感頭在光路中的回光能量圖如6 (a) 圓錐形光纖探針回光能量圖所示，依次類推有如下各形狀光纖探針敏感頭光線追跡回光能量如圖6所示。X，Y軸定義為以探測(cè)器中心為原點(diǎn)，探測(cè)器在X，Y各方向上的長(zhǎng)度值,mm，Z軸為照度值,W/ cm2。

圖6 四種不同光纖探頭回光能量圖

針對(duì)上述仿真數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析討論，由圖6 (a)圓錐形光纖探針最終得到的能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測(cè)器坐標(biāo)軸中心±0.5 mm范圍內(nèi)即探測(cè)器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且能量的最值要明顯高于其它七種形狀的光纖探針；圖6 (b)球形光纖探針回光能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測(cè)器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且其能量分布范圍內(nèi)，能量的起伏比較大；圖6 (c)拋物線形光纖探針回光能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測(cè)器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且其能量的分布呈現(xiàn)階梯狀；圖6 (d)橢圓形光纖探針回光能量分布圖可知，其能量的分布主要集中在探測(cè)器中心0.25 mm2范圍內(nèi)，并且其能量分布范圍內(nèi)，能量的起伏也比較大；最后結(jié)合仿真結(jié)果圖及工程制作難易及表1分析，因?yàn)樗姆N形狀收集到的照度最大值和回光能量總和均為圓錐形光纖敏感頭最大，故由上述仿真結(jié)果得出本文設(shè)計(jì)的光纖傳感器的核心器件光纖探針敏感頭形狀為圓錐形。

表1 四種形狀光纖敏感頭參數(shù)特征值

4 結(jié) 論

本文采用Zemax軟件純非序列模式，對(duì)四種不同光纖探針敏感頭形狀進(jìn)行了仿真模擬。研究了探針敏感頭形狀對(duì)其靈敏度影響的一些規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)對(duì)于不同探針形狀光線傳輸?shù)淖兓?guī)律，本文提出一種新的光纖追跡模擬方法。

2)利用Zemax軟件對(duì)光纖探針內(nèi)部光線進(jìn)行仿真模擬，對(duì)比分析光線軌跡模擬結(jié)果，利用仿真的方法收集返回的能量值。

3)依據(jù)模擬光路中探測(cè)器上的回光能量分析，除氣泡張力等影響測(cè)量不精確因素外，探針的形狀及角度都是影響探針靈敏度的重要因素，本文優(yōu)化結(jié)構(gòu)選用圓錐形。

[1] 李世榮,宋艾玲.我國(guó)油氣管道現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].油氣田地面工程,2006,6(25): 7-8.

[2] 劉曉燕,劉 揚(yáng).油氣水三相流流型國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2007,15(4): 1-3.

[3] 任尚華.大慶外圍油田產(chǎn)出剖面測(cè)井流量測(cè)量精度分析[J].石油儀器,2009,23(2): 54-59.

[4] 郭學(xué)濤,孔令富,張運(yùn)生,等.基于光纖傳感器的油氣水三相流含氣率測(cè)井儀[J].電子技術(shù),2010,37(2): 68-70.

[5] 牛林林.光纖在石油測(cè)井中的研究現(xiàn)狀和展望[J].國(guó)外測(cè)井技術(shù),2010,31(5): 10-13.

[6] 王海林,張登印.基于zemax半導(dǎo)體激光器與單模光纖耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光子學(xué)報(bào),2011,40(S1): 81-84.

Optimized Measurement of Gas Holdup of the Optical Fiber Probe Sensitive Head Structure

ZHANG Yong1LI Yingwei2LIU Xingbin1WANG Zhenyu1SHEN Ranqing1

(1.Logging&TestingServicesCompanyofDaqingOilfieldCo.LTD,Daqing,Heilongjiang163100,China2.CollegeofInformationScienceandEngineering,Yanshanuniversity,Qinhuangdao,Hebei066004,China)

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 optimal shape.

optical fiber sensor, zemax, gas holdup, simulation model

國(guó)家科技重大專項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)：2011ZX05020-006。

張 勇，男，1967年生，高級(jí)工程師，1991年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)測(cè)井專業(yè)，目前在大慶油田測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司從事生產(chǎn)測(cè)井儀器研發(fā)工作。E-mail：dlts_zhangy@petrochina.com.cn

TE372

A

2096-0077(2015)02-0082-03

2014-09-13 編輯：韓德林)