环状集输水平管内油-气-水三相流流型试验研究

目前我国东部陆上油田大部分已进入特高含水采油期,绝大多数油井综合含水率已超过85%,部分油井已达到95%。油-气-水三相流型是特高含水混输技术界限确定、水力热力计算方法研究及集输系统科学运行管理的基础。为了研究大庆低渗透油田环状集输水平管道内油-气-水三相流型,研制一套流型试验装置,进行了一系列试验研究,获得了1360组油气水三相流型图及相应的流动参数。对采集到的流型及试验数据进行分析,首次总结出水平环状集输管道中油-气-水三相流的五种流型,分别为分层流、三层扰动流、波浪冲击流、气弹掺混流和完全掺混流。同时给出了每种流型对应的参数范围,并对每种流动形态及典型特征进行了解释。     

基于非接触电导的气液两相流参数检测系统

研究了电容耦合式非接触电导检测技术(C~4D)应用于气液两相流测量的可行性,建立了一套基于非接触电导的毫米级气液两相流参数检测系统。利用所建立的系统,在内径为5 mm,9 mm的水平管上进行了气液两相流实验,获得了不同流型下的电导测量信号,并对段塞流、波状流、泡状流和环状流四种典型流型下的电导信号进行了分析与比较。研究结果表明,所建立的基于非接触电导的气液两相流参数检测系统是有效的,C~4D技术应用于气液两相流参数测量是可行的。不同流型下所获的电导信号特征均表现出明显差异,有望用于流型辨识。     

多元时间序列复杂网络流型动力学分析

针对气液两相流流动特性,利用有限元分析方法设计变曲率对壁式电导传感器.采用设计加工的传感器在多相流装置上进行气液两相流动态实验,并测得多组对应于不同流型的电导波动信号. 基于测量数据,采用多元时间序列复杂网络构建算法构建对应于不同流型的复杂网络.在此基础上, 对网络的社团特性进行了分析, 研究发现,不同的社团结构对应于不同的流型,而社团内部网络特征可有效刻画不同流型内在动力学特性.多元时间序列复杂网络分析可为两相流流型演化动力学特性研究及流型识别提供新理论、开拓新途经.     

气液两相流相含率测量新方法研究

本文基于电容耦合式非接触电导检测(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection,C~4D)技术,提出了一种气液两相流相含率测量新方法。该方法基于新型六电极阵列式C~4D传感器,首先获取气液两相流电导信号,然后利用所获电导信号,结合LS-SVM回归方法分别建立三种典型流型(泡状流、环状流和层状流)的相含率测量模型。实际测量时根据流型选择相应的相含率测量模型,计算获得相含率。在内径为47.5 mm管径下进行相含率测量静态实验,研究结果表明,所提出的气液两相流相含率测量新方法是可行、有效的。在三种典型流型下的相含率测量最大绝对误差均小于9%。     

气液两相流波动信号的时频谱分析研究

为了研究气液两相流不同流型的动态特性,通过小波变换、希尔伯特-黄变换及自适应最优核三种时频方法对气液两相流动态差压信号进行处理.通过对时频谱的分析,可以清晰看出当流型从泡状流向弹状流、塞状流的转化过程中,信号的主要能量由15—35 Hz之间的频带向0—8 Hz频带转移,在弹状流时出现了两个谱峰.实验结果表明:希尔伯特-黄变换及自适应最优核方法的时频分辨率比小波分析高.基于自适应最优核方法的脊信息的提取,克服了模糊平面加窗效应的影响,对气液两相流动态信号表现出更高的时频分辨率,并增强了时频平面信息的可读性. 关键词： 气液两相流 流型识别 希尔伯特-黄变换 自适应最优核     

涂有半导体气敏薄膜的长周期光纤光栅气敏传感特性理论分析

首先利用耦合模理论研究了长周期光纤光栅LPFG折射率敏感特性,数值计算了长周期光纤光栅透射谱谐振波长与环境介质折射率的关系。其次分析了半导体氧化物气敏膜光学特性机理,当气体与薄膜接触时,气体会使敏感膜的消光系数、吸收系数和相应的折射率发生变化。基于上述两点,提出可将气敏膜涂于光栅表面,利用气敏膜的折射率随环境气体成分和浓度变化而变化的特性,从而影响LPFG透射谱谐振波长的变化,通过检测波长的变化达到探测气体成分和浓度的目的。由于长周期光纤光栅对环境介质折射率的灵敏度高于光纤,且其传感信号属于波长调制,测量信号不受光强波动及光纤损耗的影响,因此其灵敏度比强度型光纤气体传感器高。     

集输-S型立管内气液两相流流型的PSD特征

在集输-S型柔性立管系统中实验研究了空气-水两相流的流型,研究了不同流型下立管段压差波动信号的频域特征,分析了压差波动信号的功率谱特性(PSD)。结果表明,随着流型由严重段塞流向稳定流动的转变,立管压差波动信号的能量值逐渐降低,能量值的频率范围逐渐升高。不同流型的功率谱能量值及主峰所在频率存在很大差别,压差信号的功率谱密度函数可作为识别S型柔性立管系统中流型的有效手段。     

水平环道内油水气多相流动研究

为建立自主的多相流动数据库,在水平环道中进行了一系列水－气两相、油－气两相和油－水－气三相流动试验。本文测量了各相流动中由于摩擦而产生的压力损失,计算了压差梯度并作了比较;观察了各相流动中的流型;描述了各种流型的发生、发展和变化及其与流动介质的关系,并作了相互比较。     

油-气-水三相管流管壁水润高度波动特性研究

定义了一个新的术语一管壁水润高度.在内径50 mm、长40 m的不锈钢水平环道内,利用环形电导探针研究了油-气-水三相管流管壁水润高度的变化规律,分析了折算气速、折算液速以及液相中入口体积含水率对平均管壁水润高度的影响.结果表明:管壁平均水润高度随折算气速的增加均呈指数衰减变化;随入口体积含水率的增大呈Boltman曲线的增长趋势;入口体积含水率Φ<50%、折算气速小于2.0 m/s时,随着折算液速的增大出现了水润高度的峰值.当入口体积含水率Φ≥50%时,水润高度随折算液速的线性增大(油水比为1:1)过渡到曲线递增变化.     

小通道氮气-水两相流三谱切片波动特性及其流型表征

将三谱切片与波动特性分析方法相结合, 组建了一种新的非线性分析方法, 并讨论了时间序列长度与快速傅里叶变换(FFT)长度对三谱切片的波动特征值的影响, 发现在无噪声干扰情况下, 序列长度与FFT 长度与矢量类间距值成正比, 在有噪声干扰情况下, 近似成反比关系.将该分析方法应用到分形序列(Brown)、混沌序列(Lorenz)和周期序列(正弦), 检验了波动特性方法的抗噪能力和表征复杂度能力. 结果表明: 该波动特性分析方法较其他功率谱分析方法对分形和混沌序列具有较好的抗噪能力, 而对周期序列的抗噪能力相对较弱; 该波动特性方法对序列内在复杂度的表征具有较好的效果.在此基础上, 对水力直径为1.15 mm的矩形小通道(w×h=2 mm×0.81 mm)中的 矩形通道内氮气-水两相流型的差压信号进行了研究. 通过对流型差压信号三谱切片的分析揭示了不同流型的主振荡模式二次耦合现象, 提取不同流型三谱切片的波动特征值, 实现了小通道氮气-水两相流典型流型的准确识别, 同时也为其他不同介质的多相流动特性分析与流型辨识提供了一个新的思路. 关键词： 三谱切片 波动特性 流型识别 流型动力学     

原油含水率测量的光学计量仪

油井含水率是油田开发过程中的一个重要指标。光纤传感器具有体积小、重量轻、抗干扰能力强、实时、高效、准确等优点,将其应用于石油测井,有利于提高勘探效率。介绍测井应用中原油含水率计量仪的结构,分析了光纤传感器对混合液体含水率测量的基本原理。激光在弯曲光纤中的传输效率随外界混合介质折射率的变化而改变,根据光纤输出光功率的大小可以测量外界混合介质的组成成分。通过数值模拟,给出了光纤传感器中光束强度随混合液体含水率的变化现象,计算得到混合液体中含水率测量结果。结果表明,光纤传感器计量仪能实现0%～100%含水量的连续测量。最后基于数值模拟结果讨论了系统设计中的注意事项。     

环形光纤声发射传感器的相位调制特性研究

提出了一种基于光纤Sagnac干涉仪的环形传感器，用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器的两个臂到达探测器时，干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换，测得了超声信号的振幅和频率.而且对传感系统的位相调制特性进行了仿真，并对实验结果进行了分析，结果表明该系统可用于固体表面传播的超声波频率特征的识别.     

光纤Fizeau干涉仪的声发射检测研究

验证了一种基于光纤Fizeau干涉仪的声发射传感器,可用于固体表面传播的超声波的检测.这种传感器的特点是能够精确地检测由固体表面传播的超声波产生的微弱振动.当超声波信号通过光纤传感器到达探测器时,干涉仪的输出光强度受到了超声信号的调制.通过检测干涉仪的输出光强度并利用Fourier变换,测得了超声信号的振幅和频率.对传感系统的相位调制特性进行了仿真,并对实验结果进行了分析.     

基于光纤粗锥型马赫-曾德尔干涉仪的高灵敏度温度传感器的研制

光纤传感是现代光纤技术的重要应用之一。制作了一种基于两个单模光纤粗锥串接的全光纤型马赫-曾德尔高温高灵敏温度传感器。纤芯中传输的光通过第一个光纤锥耦合, 一部分进入纤芯传输,另一部分进入包层形成包层模,纤芯模和包层模具有不同的有效折射率,经过干涉臂的传输产生了光程差。纤芯和包层传输的光再经过第二个光纤锥耦合,形成干涉进入输出光纤传输。对不同长度的传感器进行实验研究,得出传感臂长度与干涉周期之间的关系。研究了传感器温度响应特性,给出了温度响应灵敏度。实验结果表明,在30～400 ℃温度范围内,长度为35 mm的传感器可以得到较高的温度响应灵敏度,其响应灵敏度为0.115 nm·℃-1。利用傅里叶变换对传感器透射谱进行了分析,可以确定在长度为35 mm的传感器中仅有基模LP₀₁和高阶模LP₀₈两种模式,透射谱就是由这两种模式干涉形成的。该传感器体积小、精度高、抗电磁干扰,具有易于制作、对比度大、质轻、灵敏度高、耐高温等优点。可用于高温气体温度测量及油气井测井等领域的高灵敏度温度传感测量。     

光子晶体光纤温度压力传感器

提出了一种在高温环境下同时测量温度和气压的光子晶体光纤温度压力传感器.在普通单模光纤和光子晶体光纤之间熔接一段空心光纤构成干涉结构.空心光纤段构成非本征法布里-珀罗干涉仪,利用光子晶体光纤的微孔与外界相通,通过气体折射率变化来测量环境中的气压变化;光子晶体光纤段构成本征法布里-珀罗干涉仪,利用热膨胀效应和热光效应来测量环境中的温度.传感器的解调通过自制的白光干涉解调仪实现,实验通过测量腔长得到被测环境的温度和气压.在不同温度和气压环境下,对腔长分别为306μm和1535μm的温度压力光纤传感器进行连续测量.实验结果表明,传感器能够在28~800℃的温度下和0~10 MPa的气压下稳定工作,测量范围内温度灵敏度可达17.4 nm/℃,压力灵敏度随温度增加而降低,在28℃时可达1460.5 nm/MPa.     

天然气水合物相变测试用光纤传感器

介绍了一种用于海洋天然气水合物状态变化模拟实验中天然气水合物相变测试的光透射比光纤传感器.利用该传感器探测水合物状态变化过程中光透射比的变化，来测定水合物的相态变化.为了提高光纤传感器的测量准确度减小测量误差，在所研制的光纤传感器中采用了双光路结构，在测量透射光强的同时，测量参考光强以补偿光源光强的波动.另外，在光电转换电路中采用双探测器结构来消除光电探测器暗电流的影响.     

Long-gauge length embedded fiber optic ultrasonic sensor for large-scale concrete structures

A fiber optic ultrasonic sensor based on Fizeau interferometer has been developed and demonstrated. A helium–neon laser light source with wavelength 0.6328 μm is used in our experiment. A special feature is its Fizeau configuration, which enables one to eliminate much undesirable noise by combining both the reference arm and the sensing arm within the same length of fiber. The dynamic response model of photo-elastic effect of ultrasonic wave and optical fiber is established. The fiber optic ultrasonic sensor experimental results are obtained and compared with the convenient PZT transducer.     

Micro double tapered optical fiber sensors based on the evanescent field-effect and surface modification

A double tapered optical fiber sensor based on evanescent field-effect and surface modification technology was introduced in this work. Whether the liquid and gas molecules had polarities or not, they all could be detected by the sensors modified in different silane coupling agents. At the same time, the sensing characters of the single mode optical fiber with three different tapering lengths were researched, and it came to a conclusion that the optical fiber sensor had stronger evanescent field effect and higher sensitivity when length of tapered fiber was 30 mm. The functionalized tapered fibers modified by 3-aminopropyltrimethoxy silane (APTES) or 3-methylpropenylacyloxy propyltrimethoxy silane (MPAPTES), were employed to detect the polar or nonpolar molecules which had corresponding features. Further, the results of quantitative tests showed that the fiber optic sensor was sensitive to the change of the ethanol concentration and the characteristic peaks of the absorption power spectra could reach to 3–5 dB.     

基于M-Z干涉仪原理的光纤超声检测

提出了一种基于M_Z(Mach_Zehnder)干涉仪原理的光纤超声检测技术和U形结构的光纤传感器。讨论了光纤传感器与超声波之间的相互作用关系。对传感器的灵敏度与传感光纤的有效长度、U形结构的个数之间的关系进行了理论分析,实验结果和理论分析结果是一致的。通过比较超声波在三种不同入射方式下探测器的输出电压可知,该结构的光纤传感器在声信号垂直入射时由探测器探测到的信号最强,即传感器有很强的方向性,适合于对声表面波的定向检测。     

光纤传感器位移和转速测量研究

介绍光纤传感器的测量原理,并对位移和转速测量进行研究,利用matlab软件对位移测量结果进行曲线拟合,且将光纤传感器和电涡流传感器的转速测量结果进行比较,最后得出利用光纤传感器进行测量具有电路结构简单、精度高、光路弯曲等优点。