CN1563670A - 油水含量及分布光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油水含量及分布光纤传感器，属于传感器技术领域。本发明包括由顶盖、底盖和侧壁组合成的壳体，安装在该壳体内将壳体内空间分隔成上、中、下三个空腔的固定支座，该中部空腔与壳体外部相通为测量室；安装在该固定支座上且位于测量室上、下方的相对位置处的光纤准直器阵列和光电探测器阵列；连于光纤准直器阵列的光纤束和光电探测器阵列的信号线与壳体外的电线混合缆相连。本发明具有机械结构简单、紧凑、体积、成本低，较高的灵敏度，测量不带电，比较安全等优点。

Description

油水含量及分布光纤传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及井下石油油水含量及分布的光纤传感器结构设计。

背景技术

石油是人类赖以生存和发展的重要能源，油水两相流各相含率的测量在生产测井中占据着至关重要的地位，现有的一些油井含水率高和经济效益低的现状使原油开采处于两难之地，放弃开采意味着钻井时的巨大投入付之东流，而日渐减小的产量有时还不足以维持继续开采所需的高昂费用，利用先进的科学技术对油井中原油组分和含量进行研究和评价，是提高原油开采经济效益的重要途径。

最早测量含水率是利用γ射线密度计来实现的，该方法的原理是利用油水两相密度的差异获得油井含水率。但放射性测量中存在统计涨落，并且对放射源和流体都有一定的要求。随后产生的是压差式密度计，虽然测量精度有所提高，但可靠性很差。由于水和油的电容率相差较大，人们又发明了电容式含水率计，这种仪器的响应还与流态和管径有关，特别是在含水率较高时，几乎失去了油水的分辩能力。

近年来，科技工作者又相继提出了短波电容、屏蔽感应和波导等含水率的测量方法，但这些方法重复性和稳定性都很差，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种油水含量及分布光纤传感器，特别适用于井下原油含水率测量，且具有机械结构简单、紧凑、体积、成本低，较高的灵敏度，测量不带电，比较安全等优点。

本发明设计的一种油水含量及分布光纤传感器，包括由顶盖、底盖和侧壁组合成的壳体，安装在该壳体内将壳体内空间分隔成上、中、下三个空腔的固定支座，该中部空腔与壳体外部相通为测量室；安装在该固定支座上且位于测量室上、下方的相对位置处的光纤准直器阵列和光电探测器阵列；连于光纤准直器阵列的光纤束和光电探测器阵列的信号线与壳体外的电线混合缆相连。

本发明可在壳体的底盖、顶盖及侧壁均开有渗油孔，为便于被测油体流动。本发明用于油井时，由于井下压力大温度高，为保护光纤束及信号线，在壳体上、下空腔设置有耐高温、高压的保护罩，使其与油水液隔离开。

为保护探测器及准直器光学表面，在光纤准直器阵列和光电探测器阵列的端面处可设置光学窗口。

本发明的特点及技术效果：

光纤传感器具有以下独特的优点：

其一、机械结构简单紧凑，体积小，成本低，容易实用化，可以应用于较小的或不规则的空间中。

其二、由于光对媒质的分布以及衰减特性非常敏感，即使在浓度很低的情况下都能保持较高的灵敏度，可以用于浓度较低的二相流或多相流的测量中。

其三、由于光纤或光缆的使用，携带相关信息的光信号可通过光纤传输到远离现场的传感器中，信号处理也可以在远端进行，这使得光纤层析成像技术可以将应用环境中不利的影响(如高温，高压以及腐蚀性的环境)降低到很小。

其四、现场测量不带电，比较安全。

其五、由于光纤传感器具有高的响应速度和宽的动态范围，利用分布在不同地点的光纤层析成像系统可以建立光纤测量网络。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图。

图2为本发明总体结构中的顶盖及底盖示意图。

图3为本发明总体结构中的光纤准直器与探测器支座示意图。

图4为本发明总体结构中的光纤准直器定位示意图。

图5为本发明总体结构中的光电探测器示意图。

图6为本发明总体结构中的外筒展开示意图。

具体实施方式

本发明设计的油水含量及分布光纤传感器结合附图及实施例详细说明如下：

本发明用于油井的油水含量及分布光纤传感器的实施例结构如图1所示，包括由顶盖2、底盖3和的侧壁4组合成的壳体，安装在该壳体内将壳体内空间分隔成上、中、下三个空腔的固定支座100，该中部空腔为测量室103。安装在该固定支座上且位于测量室上、下方的相对位置处的光纤准直器阵列8和光电探测器阵列9；光纤准直器阵列的光纤束7和光电探测器阵列的信号线10经过上、下空腔104及顶盖与电线混合缆102相连；再连接到井上地面的激光器和信号处理系统(图中未示出的激光器和信号处理系统均可采用常规产品及成熟技术，不属于本发明所要求保护的技术内容)。

本实施例在壳体的底盖、顶盖及侧壁均开有渗油孔1。为便于油体流动。由于井下压力大温度高，为保护光纤束及信号线，本实施例的上、下空腔104设置有耐高温、高压的保护罩6，使其与油水液隔离开。

为保护探测器及准直器光学表面，在光纤准直器阵列8和光电探测器阵列9的端面处可设置由光学玻璃或石英玻璃构成的光学窗口5，该光学窗口5固定在支座两端面上。

本实施例的工作过程为：

当传感器在油井中向下运动侵入油水层时，油水混合物经壳体的渗油孔进入待测室。激光器发出的光经光纤束传到光纤准直器上，并依次穿过光学窗口一待测液一光学窗口一光电探测器。光电探测器将通过待测液的光信号转换成电信号，并通过信号接口传输到远端的光电信号处理单元。当待测室处于不同区域的原油浓度不同时，将得到强弱不等的电信号，通过信号处理单元即可获得待测室内原油含量的分布情况。

本实施例各部分的详细说明如下：

本发明的顶盖和底盖实施例如图2A、图2B所示，其中顶盖2包括，与光电接口单元连通的中心孔200、分布在周围的4个渗油孔1以及4个用于与侧壁固定的小定位孔201。底盖3结构与顶盖相同，只是五个大孔均为渗油孔1。

本实施例的支座结构如图3、4、5所示，其中，图3为支座纵向剖面图，图4和图5分别是其顶视和底视图，本实施例由一空心圆柱1001相连的两圆盘1002、1003构成，光纤准直器阵列8及光电探测器阵列9均由24个器件构成，均匀分布并插入两圆盘中，光纤准直器阵列8及光电探测器阵列9的端面一一对应，两圆盘相对表面(光纤准直器8及光电探测器9的端面)结合一层光学窗口5，光电探测器阵列的信号线10从空心圆柱1001的中心孔中通过。

图6为本实施例壳体侧壁展开的示意图，图中，上、下各一排渗油孔1分别对应壳体内的上、下空腔，中间两排渗油孔对应测量室，两排小的定位孔201用于将侧壁与支座固定。

本实施例选取的参数如下：

光纤准直器长为10mm，直径3.2mm共24个，光电探测器长为5mm，直径5mm共24个，由于光纤准直器出射光束很窄(＜1mm)，本实施例采用了光敏直径为300μm的光电二极管作为光电探测器，为了保证激光束大部分能射到光电二极管的光敏面内，探测器装置加工时要求光纤准直器与光电二极管同轴度为0.01(同轴加工)，光电探测器及准直器表面的光学窗口的平行度为0.01。

壳体的外径为40mm，内径为30mm，壳体高为75mm。支座顶端与顶盖底端距离为20mm，支座底端与底盖顶端距离也为20mm。

顶盖与底盖的外径为40mm，厚度为5mm，支座的中心孔内径为6mm，外径为10mm，支座上、下圆盘的厚度分别长为10mm和5mm，测量室的高度(光纤准直器与光电探测器的距离)为10mm。

本发明可以将光纤准直器与光电探测器的距离设计出不同距离，以适应不同油水浓度分布的情况。

为防腐蚀，本实施例的壳体、支座及保护罩均用不锈钢制作，且应耐高温、高压。

以上所述各部分的形状及参数均为举例说明本发明的技术特征，并不用以限定本发明的保护范围，凡对此所作的相应变动均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种油水含量及分布光纤传感器，其特征在于，包括由顶盖、底盖和侧壁组合成的壳体，安装在该壳体内将壳体内空间分隔成上、中、下三个空腔的固定支座，该中部空腔与壳体外部相通为测量室；安装在该固定支座上且位于测量室上、下方的相对位置处的光纤准直器阵列和光电探测器阵列；连于光纤准直器阵列的光纤束和光电探测器阵列的信号线与壳体外的电线混合缆相连。

2、如权利要求1所述的油水含量及分布光纤传感器，其特征在于，所述壳体的底盖、顶盖及侧壁均开有渗油孔。

3、如权利要求2所述的油水含量及分布光纤传感器，其特征在于，所述壳体上、下空腔设置有耐高温、高压的保护罩。

4、如权利要求1、2或3所述的油水含量及分布光纤传感器，其特征在于，在所述光纤准直器阵列和光电探测器阵列的端面处设置有光学窗口。

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