基于管壁振動(dòng)頻率特性的光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

劉小會(huì)　劉素香　尚盈　等

摘要： 為提高石油生產(chǎn)中原油采收率，需對(duì)原油采集時(shí)的流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。提出一種基于管壁振動(dòng)頻率的光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)纏繞在油管外壁的傳感光纖感應(yīng)流體經(jīng)過(guò)管壁時(shí)由湍流產(chǎn)生的振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)流量監(jiān)測(cè)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出管壁的振動(dòng)頻率特性，并在此頻率特性范圍內(nèi)確定出平均流量與管壁振動(dòng)加速度脈動(dòng)值的標(biāo)準(zhǔn)方差的量化關(guān)系，求解出相應(yīng)的流量。

關(guān)鍵詞： 石油生產(chǎn)； 流量； 光纖； 湍流； 振動(dòng)

中圖分類號(hào)： TN 253文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.003

Study of optical fiber fluid flow monitoring system

using pipe vibration frequency characteristic

LIU Xiaohui1， LIU Suxiang2， SHANG Ying1， WANG Chang1

（1.Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technology of Shandong Province，

Laser Institute of Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China；

2.Shandong Academy of Sciences， Jinan 250014， China）

Abstract： Fluid flow is an extremely important parameter in the oil production field. Realtime monitoring of fluid flow parameter provides a scientific basis for increasing reservoir recovery. An optical fiber fluid flow monitoring system based on pipe vibration frequency characteristic is proposed. The vibration of the pipe is induced by turbulent flow when fluid flow passes through the pipe. The fiber optic sensors wrapped around the pipe outside the wall are used to detect the vibration information. The frequency characteristics of the vibration of the pipe are summarized. Then the relationship between mean flow rate and standard deviation of the vibration of the pipe induced by turbulence is determined.

Keywords： oil production； fluid flow； fiber optic； turbulent flow； vibration

引言石油生產(chǎn)中，流量是油氣井下的重要物理量，實(shí)時(shí)流量監(jiān)測(cè)能夠?yàn)樘岣咴筒墒章侍峁┛煽康目茖W(xué)依據(jù)。石油工業(yè)中被測(cè)流體的成分復(fù)雜，流態(tài)多種多樣，工作現(xiàn)場(chǎng)的條件十分惡劣，傳統(tǒng)電子傳感器在井下惡劣環(huán)境諸如高壓、高溫、腐蝕、電磁干擾下無(wú)法正常工作。與傳統(tǒng)電子傳感器比較，光纖流量傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍廣，準(zhǔn)確性高；（2）易于遠(yuǎn)距離測(cè)量；（3）耐高壓高溫，電氣絕緣性好，抗電磁干擾，安全可靠；（4）體積小，質(zhì)量輕，集傳感與傳輸于一體[15]。本文利用湍流誘發(fā)振動(dòng)特性以及光的相位特性，提出了一種光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光信號(hào)在光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)受到管壁振動(dòng)信號(hào)調(diào)制，采用相位載波（phase generated carrier，PGC）調(diào)制解調(diào)技術(shù)完成流量信號(hào)的提取。光纖作為感知流量信號(hào)的傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，靈敏度高，在石油測(cè)試儀器中具有廣闊的應(yīng)用前景。1光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

1.1管壁振動(dòng)測(cè)試原理研究表明，流體分子到達(dá)管壁時(shí)具有的動(dòng)能有90%以上轉(zhuǎn)化為壓力的形式，故壓力是流體與管壁傳遞能量的主要形式[6]。關(guān)于圓管湍流的研究表明，壓力脈動(dòng)和流速脈動(dòng)成正比[7]，即p∝u—v—（1）式中：u—為軸向平均速度；v—為徑向平均速度。充滿液體的油管可以簡(jiǎn)化為一維梁，具有關(guān)系p′（x）=d2Mdx2=dVdx（2）式中：V為剪切力；M為彎矩；x為軸向位移；p′（x）為單位長(zhǎng)度載荷函數(shù)。光學(xué)儀器第37卷

第2期劉小會(huì)，等：基于管壁振動(dòng)頻率特性的光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由工程力學(xué)可知p′（x）=EId4ydx4（3）式中：y為徑向位移；EI為抗彎強(qiáng)度。由梁的振動(dòng)式可以得出2yt2=-gAγEI4yx4（4）式中：t為時(shí)間；g為重力加速度；A為截面積；γ為比重。結(jié)合式（3）和式（4）得出p′（x）∝2yt2（5）式（5）表明管壁振動(dòng)的加速度和壓力脈動(dòng)成正比。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中湍流強(qiáng)度的推導(dǎo)可以得出1N-1∑Ni=1ui（t）-u—2∝u—（6）式中N為采樣點(diǎn)數(shù)。由式（6）可以看出管道振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方差和平均流速成正比。由于平均流量和平均流速成正比，故管道振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方差和平均流量成正比。由以上公式的推導(dǎo)可以得出平均流量與振動(dòng)加速度標(biāo)準(zhǔn)方差有定量關(guān)系，這是光纖流量測(cè)量系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。

1.2光纖相位調(diào)制原理光相位信息由光纖波導(dǎo)的總物理長(zhǎng)度、折射率及其分布、光纖波導(dǎo)的橫向幾何尺寸決定。假定光纖波導(dǎo)折射率分布保持恒定，并已知施加在光纖上的擾動(dòng)（外界信號(hào)），光通過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖后，出射光波相位延遲為[9]φ=2πnLvc（7）圖1光纖流量傳感單元

Fig.1Optical flow sensing unit式中：n為光纖纖芯折射率；c為真空中光速；v為光頻。由此得出光相位的變化式為Δφ=2πnLvcΔnn+ΔLL+Δvv（8）引起相位變化的因素可分為溫度效應(yīng)和應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)。溫度效應(yīng)所引起的相位變化較為緩慢，可采用信號(hào)處理的辦法消除其引起的相位變化，因此本文的光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)。光纖流量傳感單元如圖1所示，在油管外壁選擇流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)處纏繞特定長(zhǎng)度的高靈敏傳感光纖，并在傳感光纖末端焊接光纖光柵組成光纖流量傳感單元。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)油管時(shí)，光纖流量傳感單元感應(yīng)湍流引起的壓力脈動(dòng)，經(jīng)過(guò)PGC技術(shù)解調(diào)出相應(yīng)的流量信息。

1.3相位載波調(diào)制解調(diào)原理邁克爾遜干涉儀干涉信號(hào)可表示為I=A+BcosΦ（t）（9）式中：A為平均光功率；B=κA，κ≤1為干涉條紋可見(jiàn)度；Φ（t）為干涉儀的相位差。設(shè)Φ（t）=Ccos（ω0t）+φ（t），則式（9）可寫為[10]I=A+Bcos[Ccos（ω0t）+φ（t）]（10）式中：C為調(diào)制深度；ω0為相位載波角頻率；φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t），其中，D為傳感器信號(hào)幅值，ωs為傳感器信號(hào)的角頻率，Ψ（t）是擾動(dòng)信號(hào)等引起初始相位的緩慢變化。根據(jù)Bessel函數(shù)，式（10）可表示為I=A+BJ0（C）+2∑∞k=0（-1）kJ2k（C）cos（2kω0t）cosφ（t）-

2∑∞k=0（-1）kJ2k+1（C）cos（（2k+1）ω0t）sinφ（t）（11）圖2PGC解調(diào)原理圖

Fig.2Diagram of PGC圖2是PGC解調(diào)原理圖，邁克爾遜干涉儀的輸出信號(hào)I分別與二倍頻、基頻相乘，為了克服信號(hào)畸變和消隱現(xiàn)象，分別對(duì)兩路相乘后的信號(hào)進(jìn)行了微分交叉相乘（DCM），微分交叉相乘后的信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大、積分運(yùn)算后變換為信號(hào)S1，即S1=B2GHJ1（C）J2（C）φ（t）（12）式中：G為基頻系數(shù)；H為倍頻系數(shù)。將φ（t）=Dcos（ωst）+Ψ（t）代入式（12）可以得出信號(hào)S2，即S2=B2GHJ1（C）J2（C）[Dcos（ωst）+Ψ（t）]（13）由式（13）可以看出，積分后得到的信號(hào)包含傳感信號(hào)Dcos（ωst）和外部干擾信號(hào)，后者通常是慢變信號(hào)，通過(guò)高通濾波器（HPF）消除外部干擾信號(hào)，光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最后輸出信號(hào)S為S=B2GHJ1（C）J2（C）Dcos（ωst）（14）2新型光纖干涉流量計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1光路設(shè)計(jì)連續(xù)穩(wěn)定的激光被聲波調(diào)制器調(diào)制為重復(fù)頻率為100 Hz、脈寬為1 μs的脈沖激光，脈沖激光信號(hào)在經(jīng)過(guò)馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x后形成兩個(gè)脈沖激光信號(hào)，如圖3所示，兩個(gè)脈沖激光信號(hào)依次注入光纖流量傳感器，經(jīng)過(guò)一系列光纖光柵反射，在接收端信號(hào)形成含有傳感信號(hào)的脈沖序列。

2.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)液體循環(huán)系統(tǒng)如圖4所示，系統(tǒng)主要由油管、閥門、注水口、出水口、水泵、光纖流量傳感器以及電磁流量計(jì)組成。首先通過(guò)注水口往油管內(nèi)注入液體，使得液體充滿整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，然后開(kāi)動(dòng)水泵，使得液體在油管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)起來(lái)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門A和閥門B控制流過(guò)光纖流量傳感器的流量，在光纖流量傳感器附近安裝一個(gè)電磁式流量計(jì)用于標(biāo)定光纖流量傳感器。本系統(tǒng)為了能夠檢測(cè)到0～40 kHz的傳感信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)中采用了頻率為80 kHz的載波頻率。通過(guò)分析解調(diào)油管中傳感信號(hào)的頻率特性，確定流體振動(dòng)信號(hào)頻率范圍主要集中于10～30 kHz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在此頻率范圍內(nèi)光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能較好地完成流量監(jiān)測(cè)。圖3光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光路圖

Fig.3Schematic diagram of the fluid flow monitoring system

圖4流量測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

Fig.4Schematic diagram of the

experimental system圖5頻率范圍10～30 kHz下的光強(qiáng)與流量關(guān)系圖

Fig.5Relationship between light intensity and

flow in the frequency range between 10 kHz and 30 kHz

3結(jié)論采用光纖傳感技術(shù)將湍流振動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為光相位信號(hào)，確立了光相位信號(hào)與流量的二次曲線關(guān)系。通過(guò)研究流體流過(guò)管道時(shí)湍流引起的振動(dòng)信號(hào)的頻率特性，提出了一種光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了非浸入式測(cè)量范圍為5～50 m3/h流量的在線測(cè)量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在大流量的情況下測(cè)量精度較高，測(cè)量精度為±5%，為進(jìn)一步實(shí)施油井實(shí)地實(shí)驗(yàn)提供了參考。 參考文獻(xiàn)：

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（編輯：劉鐵英）