基于光纤的油气水三相检测装置及方法与流程

1.本公开涉及光纤检测技术领域，尤其涉及一种基于光纤的油气水三相检测装置及方法。


背景技术：

2.油气水是油气井产出物的主要成分，油气水三相在油气井内的持有率、分布情况与流动状态是油气井状态评价的重要指标，是指导油气井开采作业方式、调整工作制度的重要依据，因此油气水三相的高灵敏、精准测量在油气井动态监测过程中极为重要。
3.现有技术中的油气水三相检测装置检测的精度不够，检测的灵敏度相对较低，不能适应油气井内复杂的环境。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开的目的在于提出一种以便克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于光纤的油气水三相检测装置及方法。
5.基于上述目的，本公开的第一方面提供了一种基于光纤的油气水三相检测装置，包括：
6.光纤探头，置于待检测物质内；
7.光束处理器，设有光源接入口、光源输出口和探头接口，通过所述探头接口与所述光纤探头连接；
8.光源设备，与所述光源接入口连接；
9.探测器，与所述光源输出口连接；
10.驱动检测器，分别与所述光源设备和所述探测器连接；
11.所述驱动检测器控制所述光源设备发出光信号，所述光信号传送至所述光束处理器中，所述光束处理器进行光合束处理形成合束光发送给所述光纤探头，所述光纤探头将反射光发送至所述光束处理器中，所述光束处理器进行光分束处理形成分束光发送至所述探测器，所述探测器确定所述分束光的光信号强度，将所述光信号强度发送至所述驱动检测器，所述驱动检测器根据所述光信号强度确定待检测物质属于油相物质和/或气相物质和/或水相物质。
12.基于上述目的，本公开的第二方面提供了一种基于光纤的油气水三相检测方法，利用第一方面所述的基于光纤的油气水三相检测装置进行执行，步骤包括：
13.光纤探头置于待检测物质内，驱动检测器控制光源设备发出光信号；
14.所述光源设备将所述光信号发送至光束处理器中；
15.所述光束处理器将所述光信号发送至光纤探头，利用光纤探头将所述光信号发射至所述待检测物质；
16.所述光纤探头接收到所述待检测物质的反射光，并将所述反射光发送至所述光束处理器；
等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括直接或间接的电性的连接。
34.针对油气井内的油气水三相检测，在相关技术中，放射性法、微波法、超声法、电导法、电容法、光学法等多种方法，这些手段与方法主要利用了油气水三相在电学、声学与光学上的性质差异，例如放射性法利用了气与油、水对放射性射线吸收特性的不同实现气相的测量，电导法利用了水与油、气电导率的显著差异实现对水相的测量等。在实际的油气井动态监测应用中通常采取两种及以上检测设备相结合的方式开展油气井内油气水三相成分的测量。
35.光纤传感技术相比于其他类型传感技术具有传感结构简单灵巧、抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀、远距离传输等优势，随着光纤器件耐高温技术的突破与成熟，光纤传感技术已成为油气井内油气水三相检测设备与技术的重要发展方向，在相关技术中，基于折射率传感原理的光纤持气率传感器在油气井的气相检测中得到应用，并逐渐成为油气井气相检测的重要手段，以光纤持气率传感器与其他类型的持油、持水传感器结合组成的阵列传感结构形成了新型的油气井三相检测方式，有效提高了油气井内油气水三相的检测能力，但其仍面临着传感器类型数目较多，系统组成较为复杂，传感器密集化排布困难，测量精度提升受限，电学传感器占比较高，传感灵敏度相对较低，环境适应性较差等问题。
36.基于上述情况，如图1所示，本实施例提出了一种基于光纤的油气水三相检测装置，包括：光纤探头1，置于待检测物质内；光束处理器2，设有光源接入口、光源输出口和探头接口，通过探头接口与光纤探头1连接；光源设备3，与光源接入口连接；探测器4，与光源输出口连接；驱动检测器5，分别与光源设备3和探测器4连接。
37.如图2所示，驱动检测器5控制光源设备3发出光信号，光信号传送至光束处理器2中，光束处理器2将光信号发送给光纤探头1，光纤探头1将反射光发送至光束处理器2中，光束处理器2将反射光发送至探测器4，探测器4确定反射光的光信号强度，将光信号强度发送至驱动检测器5，驱动检测器5根据光信号强度确定待检测物质属于油相物质和/或气相物质和/或水相物质。
38.其中，待检测物质可以是油气井内部环境中的物质，也可以是由油相物质、气相物质、水相物质中的一种或多种构成的物质。该物质可以是流动性的也可以是静止的，本公开的方案优选针对流动性的待检测物质进行三相检测。
39.在上述方案中，光束处理器2可以是合束/分束器，也可以是环形器，具有对光的合束和分束的功能，使得光源接入口、光源输出口和探头接口之间的光能够更好的合并和分离，与光纤探头快速的进行光传递。
40.其中，驱动检测器5具体进行物质类别划分的方案为：驱动检测器5将光信号强度与对应油相物质的光强范围进行比对，确定待检测物质是否属于油相物质；或者将该光信号强度与对应气相物质的光强范围进行比对，确定待检测物质是否属于气相物质；或者将该光信号强度与对应水相物质的光强范围进行比对，确定待检测物质是否属于水相物质。
41.在进行检测过程中，对应的待检测物质可能是油相物质、气相物质、水相物质中的任意一种，也可能是其中两种或三种物质的混合，利用本公开的方案能够快速的对待检测物质进行识别，并且，根据各个物质对光的反射情况，对待检测物质进行准确的检测，使得本公开的方案具有油气水三相识别性强、测量精度高、结构简单灵巧、环境适应性强且实用
价值高的特点。
42.在一些实施例中，驱动检测器5接收到光信号强度后，将光信号强度与第一阈值和第二阈值进行比较，具体为：响应于光信号强度＞第一阈值时，确定待检测物质属于水相物质；响应于第二阈值≤光信号强度≤第一阈值时，确定待检测物质属于气相物质；响应于光信号强度＜第二阈值时，确定待检测物质属于油相物质。
43.在上述方案中，为三相物质设定两个阈值，分别为第一阈值和第二阈值，其中，第一阈值和第二阈值的具体取值，可根据实际三相物质对光的反射情况进行设定，这里不作具体限定。相关人员也可以根据实际情况对该第一阈值和/或第二阈值进行更改。
44.通过设定对应的两个阈值，可以清楚的将三相物质对应的光强范围确定为光信号强度＞第一阈值、第二阈值≤光信号强度≤第一阈值、光信号强度＜第二阈值，三个光强范围，这样能够更好的根据这三个范围值对待检测物质的种类进行判断。
45.例如，第一阈值为0.8，第二阈值为0.2，即0.8＜光信号强度≤1为水相物质，0.2≤光信号强度≤0.8为气相物质，0≤光信号强度＜0.2为油相物质。
46.在一些实施例中，驱动检测器5统计光信号强度＞第一阈值时的第一时间值，和/或统计第二阈值≤光信号强度≤第一阈值时的第二时间值，和/或统计光信号强度＜第二阈值时的第三时间值；驱动检测器5根据第一时间值、和/或第二时间值、和/或第三时间值分别在总时间内的占比，确定水相物质、和/或气相物质、和/或油相物质对应的含量。
47.在上述方案中，对应的待检测物质可能是水相物质、气相物质、油相物质中的两种或三种的混合，这样就需要检测该待检测物质中对应的成分含量。由于待检测物质具有流动的特点，可以将光纤探头1放置在待检测物质的流经处，这样不同成分的待检测物质流经过程中，就可以根据各类物质对应的流经时间确定相应的含量占比，这种含量检测方式，简单快捷，并且计算得到的结果比较精准。
48.在一些实施例中，如图3所示，光纤探头1包括：光纤部1
‑
1，一端与探头接口连接；复合膜1
‑
2，粘覆在光纤部1
‑
1的另一端。
49.在光纤部1
‑
1的自由端设置复合膜1
‑
2，该复合膜1
‑
2是由各种材料多层复合构成，这样光源能够通过复合膜1
‑
2进行多次反射之后返回，通过光纤部1
‑
1传送至光束处理器2的分束器进行光分束处理。其中，光纤探头1的复合膜1
‑
2部分要全部进入待检测物质中。
50.光纤探头1所处水相物质时，返回的光信号强度呈最大值；所处油相物质时，返回的光信号强度呈最小值；所处气相物质时，返回的光信号强度呈中间值。这样就可以根据反射的光强对待检测物质的成分进行检测。
51.在一些实施例中，光纤部1
‑
1的另一端为锥型光纤，复合膜1
‑
2粘覆在锥型光纤的表面。将光纤部1
‑
1附着复合膜1
‑
2的另一端设计成锥型，这样使得光能够更好的反射返回。另外，针对流动性的待检测物质，利用锥型光纤的尖端能够将流动着的待检测物质中的泡状物质进行扎破，避免泡状物质平滑流过光纤探头，出现无法检测泡状物质的情况。
52.在一些实施例中，如图4所示，复合膜1
‑
2包括：依次设置的第一铬薄膜1
‑2‑
1、银薄膜1
‑2‑
2、第二铬薄膜1
‑2‑
3、二氧化硅薄膜1
‑2‑
4，其中，第一铬薄膜1
‑2‑
1粘覆在锥型光纤的表面。复合膜1
‑
2的多层结构能够更好的对光信号进行多层反射。
53.在一些实施例中，为了保证光的反射效果，锥型光纤的锥角的范围值为30
°
至40
°
；复合膜1
‑
2中第一铬薄膜1
‑2‑
1厚度取为1nm至2nm，银薄膜1
‑2‑
2的厚度取为20nm至30nm，第
二铬薄膜1
‑2‑
3的厚度取为1nm至2nm，二氧化硅薄膜1
‑2‑
4的厚度取为100nm至200nm。
54.光纤探针呈30
‑
40
°
锥角，在对流通的待测物质检测中，待测物质中的各相呈泡状状态，30
‑
40
°
锥角有利于刺穿流动的泡状物质，提高检测能力。
55.更重要的是，通过薄膜光学理论计算设计的复合膜1
‑
2在该锥角的方向角度的光入射下，其反射光信号的强度对油气水呈显著强度差异。锥角的角度与复合膜1
‑
2的各个薄膜层进行结合，使得各个薄膜层对光信号进行反射，得到呈显著强度差异的反射光，这样就可以利用反射光的强度差异现象对油气水三相进行检测，使得油气水三相识别精度得到有效的提高。
56.在一些实施例中，为了减小光在光纤部1
‑
1的损耗，本公开的光纤部1
‑
1的材料选用石英光纤。石英光纤的硬度较高，使用寿命较长。
57.在一些实施例中，光源设备3发出的光信号为红外光源信号。红外光源的穿透性能较好，能够进一步降低在传输过程中的损耗，红外光源信号的波长优选为800nm至1100nm。
58.综上所述，利用光纤探针能够对油气水三相的精准传感，探测识别性强，检测灵敏度高。结构简单灵巧，环境适应性强，为简化油气井三相检测阵列系统结构，提高三相检测装置密排化程度，为实现三相高精度测量提供了重要实现途径，具有工程应用价值。
59.基于上述实施例，本实施例提供一种基于光纤的油气水三相检测方法，利用上述实施例中的基于光纤的油气水三相检测装置进行执行，如图5所示，步骤包括：
60.步骤100，光纤探头置于待检测物质内，驱动检测器控制光源设备发出光信号。
61.步骤200，光源设备将光信号发送至光束处理器中。
62.步骤300，光束处理器将光信号发送至光纤探头，利用光纤探头将光信号发射至待检测物质。
63.步骤400，光纤探头接收到待检测物质的反射光，并将反射光发送至光束处理器。
64.步骤500，光束处理器对反射光进行光分束处理形成分束光，将分束光发送至探测器。
65.步骤600，探测器确定分束光的光信号强度，将光信号强度发送至驱动检测器。
66.步骤700，驱动检测器根据光信号强度确定待检测物质属于油相物质和/或气相物质和/或水相物质。
67.在一些实施例中，步骤700，具体包括：
68.步骤710，驱动检测器响应于光信号强度＞第一阈值时，确定待检测物质属于水相物质。
69.步骤720，驱动检测器响应于第二阈值≤光信号强度≤第一阈值时，确定待检测物质属于气相物质。
70.步骤730，驱动检测器响应于光信号强度＜第二阈值时，确定待检测物质属于油相物质。
71.在一些实施例中，步骤700还包括：
72.步骤740，驱动检测器统计光信号强度＞第一阈值时的第一时间值，和/或统计第二阈值≤光信号强度≤第一阈值时的第二时间值，和/或统计光信号强度＜第二阈值时的第三时间值。
73.步骤750，驱动检测器根据第一时间值、和/或第二时间值、和/或第三时间值分别
在总时间内的占比，确定水相物质、和/或气相物质、和/或油相物质对应的含量。
74.上述实施例的基于光纤的油气水三相检测方法，是基于前述任一实施例中相应的基于光纤的油气水三相检测装置实现的，并且具有相应的装置实施例的有益效果，在此不再赘述。
75.需要说明的是，上述对本公开的一些实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于上述实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
76.本公开中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。
77.本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
78.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本公开实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
79.尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。
80.本公开实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本公开实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。