一种阵列式电导光纤一体化探针传感器的制作方法

本实用新型涉及一种阵列式电导光纤一体化探针传感器，该阵列式电导光纤一体化探针传感器适用于石油生产测井中管道内油气水三相流中持气率和持水率的实时在线测量或气液两相流相含率的实时在线测量。

背景技术：

目前，我国各大主力油田纷纷进入中晚期开发阶段，油井深度达1000米以上，压力可高达几十兆帕。多数油井含水率较高，并且，在油井深储藏区，气体(以天然气、烃类和非烃类气体为主)主要以溶解气的形式存在于原油中，在原油向上流动的过程中，随着压力的减小，气体逐渐析出，在油井中形成了油气水三相流流动特性。另外，为了提高采收率，注水、注气驱采技术在各大油田广泛使用。因此，在石油生产开发过程中，气液、油水及油气水多相流流动现象极为常见。在这种情况下，为了及时了解和掌握各油井生产状况，需要对石油测井中的多相流相含率进行测量。

目前，对于多相流相含率测量的技术方法较多，如：超声测量法、光学测量法、层析成像法、电导测量法和电容测量法等。并且，随着技术的发展，越来越多的测量手段被用于多相流的测量当中。相关测量法是近年来发展起来的应用较为广泛的多相流流量计量方法，通过采集上游和下游传感器收集的流体流动噪声信号，根据信号的渡越时间，来计算流体的流速，进而测量出流体的流量。

探针测量属于接触式测量，可以直接反映探针接触点的流体特性。当前的探针种类有电导探针和光纤探针，电导探针根据油气水多相流体的电导率差异对接触点流体进行持水率测量，其具有制作简单、成本低、响应速度快；光纤探针根据油气水多相流体的光学特性差异对接触点流体进行持气率测量，受环境及流体中杂质影响较小。为了获取更多更精确的油气水多相流体的相含率信息，光纤探针和电导探针经常会同时出现在管道中，这种将光纤探针和电导探针固定在一起的方法优点是传感器结构简单，加工难度低，缺点是增加了管道的占用空间，从而对管道内流体流场造成了较大扰动和阻流，同时也限制了探针的尺寸和数量。另外，目前已有的探针式传感器对高含水油气水三相流体中的微型气泡和油泡(内径小于1mm) 识别效果较差，不利于对油气水三相流体相含率的准确测量。

由此可见，为满足油田生产的实际要求，迫切需要研究一种能够实时、在线精确测量石油生产测井中油气水多相流分相含率(包括持水率和持气率)的新方法和技术。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提出一种阵列式电导光纤一体化探针传感器，该传感器可在石油生产测井中对管道内的油气水多相流复杂流体进行持气率和持水率的在线测量，尤其对于探针接触点流体中的微型气泡和油泡(内径小于1mm)具有较好的识别效果，可有效提高对管道内油气水多相流复杂流体相含率的测量精度。本实用新型通过以下方式来实现：

本实用新型包括光纤敏感探头、耦合光纤、光源、光探测器、光纤控制电路、电导1号电极、绝缘管、电导2号电极、电导控制电路、不锈钢套筒，其中光纤敏感探头、耦合光纤和电导1号电极被封装在绝缘管中，绝缘管被封装在电导2号电极中，光源、光探测器、光纤控制电路、电导控制电路被封装在不锈钢套筒中，电导2号电极与不锈钢套筒焊接在一起。

所述电导1号电极由n(n为大于等于2的整数)根硬质电极丝组成，n根硬质电极丝在所述绝缘管和所述光纤敏感探头之间的环形区域内均匀放置，n根硬质电极丝顶端部分伸出绝缘管。

所述电导2号电极为不锈钢圆管，被封装的绝缘管顶端部分伸出不锈钢圆管。

所述绝缘管位于电导1号电极和电导2号电极之间，将电导1号电极和电导2号电极进行绝缘隔离。

本实用新型中的光纤测量部分是根据全反射原理，利用气相液相介质对光线的折射率差异，通过检测返回光线的强度来测量多相流中的持气率。当光纤敏感探头接触的介质(气相或液相)不同时，光探测器根据返回光强度的不同生成不同的高低电平信号，进而来判断光纤敏感探头接触的介质类型，由此来计算气液相流体的持气率。

本实用新型中的电导测量部分包括电导1号电极、绝缘管和电导2号电极，电导1号电极由n(n为大于等于2的整数)根硬质电极丝组成，根据水相和其他相(气相和油相)的电导率差异对油气水多相流体中的持水率进行测量，当电导1号电极中的任意一根电极丝、绝缘管和电导2号电极浸没在水中时，电导1号电极中相应的电极丝和电导2号电极导通，电导控制电路输出低电平，当电导1号电极中的任意一根电极丝被非导电介质(气相或油相)浸没时，电导1号电极中相应的电极丝和电导2号电极断开，电导控制电路输出高电平。根据输出信号的电平的高低，可以判断出探针电导1号电极中的电极丝接触的介质是导电介质(水相)还是非导电介质(气相或油相)，进而可以计算出油气水多相流体的持水率。另外，电导1号电极在结构上使用了n(n为大于等于2的整数)根硬质电极丝，更容易刺破油气水三相流体中的微型气泡或油泡，同时，n根电极丝在探针尖端截面上均匀放置，形成阵列式结构，增大了探针和流体的接触范围，提高了探针的测量精度。

本实用新型中的光纤测量部分和电导测量部分在结构上构成一个探针，实现了光纤和电导探针的巧妙结合，在功能上相互独立，互不干扰，光纤测量部分用来对所接触流体的持气率进行测量，电导测量部分用来对所接触流体的持水率进行测量；且电导测量部分电导1号电极的n(n为大于等于2的整数)根电极丝相互独立，互不干扰，分别对应n根信号输出线；当任一电极丝出现故障时，其他电极丝仍然可以用来对所接触流体的持水率进行测量。

本实用新型的优点是：结构精巧，体积小，重量轻，测量范围大，测量精度高，可用于石油生产测井中狭小空间内对油气水多相流持气率和持水率进行实时在线精确测量或气液两相流相含率的实时在线精确测量。

附图说明

图1为本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器结构示意图；

图2为本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器尖端俯视示意图；

图3为本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器底部俯视示意图；

图4为本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器光纤控制电路示意图；

图5为本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器电导控制电路示意图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型阵列式电导光纤一体化探针传感器以电导1号电极中硬质电极丝的根数n＝3为例来加以详细说明：

在图1中，本实用新型阵列式电导光纤一体化探针传感器主要由光纤敏感探头1、电导1号电极2、绝缘管3、电导2号电极4、耦合光纤5和6(5为耦合光纤耦合部分，6为耦合光纤分支部分)、光源7、光探测器8、电导控制电路9、光纤控制电路10、电导控制电路信号线11、电导控制电路供电线12、光纤控制电路信号线13、光纤控制电路供电线14、不锈钢套筒接地线15、探针内部空隙16、不锈钢套筒17。光纤控制电路10和电导控制电路9的接地线直接与不锈钢套筒17相连；电导1号电极2、绝缘管3、电导2号电极4和电导控制电路9构成电导测量部分，其中电导2号电极4为不锈钢圆管，焊接在不锈钢套筒17上，绝缘管3使用耐高温绝缘防水胶固定在电导2号电极4内，电导1号电极2由3根硬质电极丝组成，使用耐高温绝缘防水胶均匀固定在绝缘管3与光纤敏感探头1之间的环形区域内，电极丝顶端部分露出绝缘管，形成阵列式结构，电导1号电极2和电导2号电极4通过绝缘管3进行绝缘隔离；电导控制电路信号线11分为3部分，分别对应电导1号电极2的3根电极丝。光纤敏感探头1、耦合光纤5和6、光源7、光探测器8和光纤控制电路10构成光纤测量部分，其中光纤敏感探头1和耦合光纤5和6使用耐高温绝缘防水胶固定在绝缘管3内，光源7和光探测器8分别与耦合光纤的两个分支6相连。光源7、光探测器8、光纤控制电路10和电导控制电路9被封装在不锈钢套筒17内，探针内部空隙16使用耐高温绝缘防水胶进行填充，并用来固定光纤敏感探头1、耦合光纤5和6、电导1号电极2和绝缘管3，同时防止各部件短路，防止探针进水和增加探针整体的抗压能力。

在图2中，本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器尖端俯视示意图。其中，由内到外依次为：光纤敏感探头1、电导1号电极2、绝缘管3和电导2号电极4，其中电导1号电极2为3跟硬质电极丝，在光纤敏感探头1和绝缘管3之间的环形区域内均匀放置，形成阵列式结构；探针内部空隙16使用耐高温绝缘防水胶进行填充。

在图3中，本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器底部俯视示意图。其中，11为电导控制电路信号线，信号线的数目与电导1号电极2中的硬质电极丝根数相同，本实施为3根信号线，分别对应电导1号电极的3根硬质电极丝，12为电导控制电路供电线，13为光纤控制电路信号线，14为光纤控制电路供电线，15为不锈钢套筒接地线，17为不锈钢套筒。

在图4中，本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器光纤控制电路示意图。其中7为光源， 8为光探测器，18、19和20为电阻，13为光纤控制电路信号线，14为光纤控制电路供电线；光纤控制电路供电线14、光源7、电阻18和接地端构成光纤控制电路10的发光回路；光纤控制电路供电线14、光探测器8、电阻19和接地端构成光纤控制电路10的光探测回路；电阻20为光纤控制电路信号线13的保护电阻。

在图5中，本实用新型一种阵列式电导光纤一体化探针传感器电导控制电路示意图。其中21、22和 23为正极，分别接电导1号探针的3根硬质电极丝；24为负极，接电导2号电极4；25和26为电阻，11 为电导控制电路的3根信号线，12为电导控制电路供电线；电导控制电路供电线12，电阻26，电阻25，与电阻25并联的负极24和正极21、22、23之间的介质电阻，接地端共同构成电导测量回路；负极24和正极21、22、23之间介质电阻大小取决于电导1号电极的硬质电极丝和电导2号电极之间介质的电导率，电阻25的阻值根据探针所处流体中水的电导率进行调整，电阻26为电导测量回路上的分压电阻；电导控制电路中回路的数量、信号线的数量同电导1号电极中的硬质电极丝的数量。