0 引 言
由于受到煤层气成藏地质条件的影响，在煤层气井生产的排水降压过程中煤层气和地下水共同从井筒产出，于是在井筒环空内便产生了气液两相流[1]。由于受到煤层气开采技术条件的限制，在现阶段监测并控制井筒环空内气液两相流工作情况是实现煤层气开采管理的有效途径[2]。
国内外学者对煤层气井中气液两相流的问题进行了相关研究，设计了相关的气泡检测装置。文献[3-4]设计了基于光散射成像原理的气泡探测装置，它通过将激光束照射入水体，入射光线遇到不同形态的气泡时将会在不同方向产生光强度不同的散射，利用CCD照相机对不同方向上散射光成像，再利用计算机进行图像处理与计算后便可得到气泡的速度、体积和局部气含率等情况。文献[5-6]设计了基于超声波衰减原理的气泡探测装置，由于超声波信号通过不同介质时超声波信号的衰减量不同，根据超声波的这一特性再结合气泡与液体具有不同的阻抗，在水槽一侧利用超声波发射器发送具有一定频率和功率的超声波信号，在水槽另一侧通过超声波接收器接收该超声信号，然后通过软件分析超声波信号的衰减参数，从而得到气泡速度和体积等信息。这2种类型的气泡测量装置均可对气泡的基本形态进行检测，但都具有应用的局限性，均只适合气泡形态的地表检测，不适合煤层气开采井中井底气泡形态的检测。
在煤层气井井筒中进行实时气泡形态检测是研究煤层气井中气液两相流规律最直接的方式。鉴于此，文献[7-10]设计了基于电导率的煤层气气泡形态井下实时探测装置，它是根据气体电导率为0，而溶液电导率不为0这一特点，通过检测气体和溶液2种介质电导率的明显差异来测量气泡的相关参数，该装置能在煤层气井井筒中完成气泡形态参数的实时检测，具有一定的准确性。但该装置在煤层气井筒中工作时，采用直流电源供电，气液两相流中的液体容易腐蚀电极，影响测量结果，导致精度下降；另一方面测量电极采用导电材料，易受润湿性的影响，导致气泡速度测量不准确。为了克服利用电导率进行煤层气井下气泡形态检测过程中存在的不足，设计了基于光学探针的煤层气气泡形态井下实时探测装置。
1 光学探针工作原理及设计
1.1 光学探针工作原理
液相的折射率约为1.35，气相的折射率约为1，由于光在折射率不同的气相和液相中发生全反射的程度不同，根据这一原理设计了光学探针传感器[11-12]，如图1所示。
图1 光学探针工作原理
Fig.1 Optical probe working principle
当光学探针探头与水相接触时，由于该介质的折射率较大，不会在探头处发生全反射，在出射端检测到较小的光功率，输出近似为低电平；当光学探针探头与气相接触时，由于该介质的折射率较小，将在探头处发生全反射，在出射端检测到较大的光功率，输出近似为高电平。因此，可由出射光高低电平的信号来判断所接触介质为液相或气相。
1.2 光学探针设计
光学探针传感器主要由发射光产生电路、敏感探头、出射光检测电路3个部分组成。发射光产生电路用于产生400～600 nm波长的可见光，设计中采用高亮发光二极管产生可见光通过输入光纤传送至敏感探头。出射光检测电路用于检测出射光纤反射回来的可见光，通过光电二极管实现光电转换，采用仪表放大器对表征光强的电压信号进行放大[13-14]。敏感探头对气泡形态检测的精度十分重要，装置中选取蓝宝石材质，可有效减小液体润湿性对敏感探头的影响，其直径为400 μm,探头顶端夹角为20°～30°。光学探针传感器结构框图如图2所示。
图2 光学探针传感器结构框图
Fig.2 Structure diagram of optical probe sensor
2 基于光学探针的气泡探测装置工作原理
基于光学探针的气泡探测装置采用测量在液相和气相中返回光强信号不同的原理进行煤层气开采井井筒环空中气泡的体积与速度检测。测试装置原理如图3 所示，利用自制的光学探针传感器进行气泡体积与速度测量。其中，装置安装短接与油管相连，并且在安装短接周向均匀分布8个光学探针传感器组，用以组成光学探针阵列，以提高气泡形态参数检测的精度。
图3 探测装置原理
Fig.3 Detection device schematic
将组成光学探针组的2个光学探针A和B安装在套筒内，通过套筒与油管连接，其中选用不锈钢作为套筒材质。在安装时，需要将2个光学探针的入射光纤端面和反射光纤端面靠近在一起，并且这2个光学探针的蓝宝石敏感探头的距离相差L。
当敏感探头接触到液相时，反射光纤返回表征较小光强度的电压，以低电平表示；当敏感探头接触到气相时，反射光纤返回表征较大光强度的电压，以高电平表示。基于此原理，利用光学探针实现气泡相关参数检测。
2.1 气泡速度检测
光学探针A和B协同工作时，可完成气泡速度的检测。如图3所示，以光学探针B的探头顶点为起点，当光学探针B的敏感探头接触到气泡时记为时间t0，此时对应的处理电路输出高电平；在气泡持续上升的过程中，处理电路持续输出高电平；以光学探针A的探头顶点为终点，当光学探针A的敏感探头接触到气泡时记为时间t1，对应的处理电路输出高电平；一段时间后，光学探针B的探头将检测到液体记为时间t2，此时B探针对应的处理电路输出低电平。当气泡超出光学探针A的检测范围时，装置输出低电平，此时记为时间t3。在此过程中，两根探头顶点间的距离为L。光学探针A、B测量气泡速度理论工作波形如图4所示。
图4 测量气泡速度理论工作波形
Fig.4 Measurement of bubble velocity theory work waveform
由工作波形分析可知，气泡在上升过程中，上升L的距离耗时记为△t，故可求得气泡理论上升速度为
V=L/Δt=L(t1-t0)
(1)
2.2 气泡体积检测
利用单个光学探针的输出数据即可进行气泡体积的检测，以光学探针A的输出数据为例，当气泡在上升过程中接触到光学探针A的敏感探头时，光学探针A的处理电路输出高电平，对应的时间为t1;气泡继续上升，当敏感探头不能完全接触到气泡时，返回光强信号很小，光学探针A的处理电路输出低电平，对应的时间为t3。由图4可知，单个气泡上升时间t4=t3-t1，利用STM32微处理器的捕获功能，在上升沿(t1时刻)开始捕获，在下降沿(t3时刻)结束捕获，通过STM32微处理器自动计算出t4的值。则气泡直径D=Vt4,其中t4为单个气泡被光学探针检测到的时间，假设气泡为球形，则气泡体积S可表示为
S=4πr3/3
(2)
其中,r为气泡的半径，r=D/2。
2.3参数L的确定
在光学探针组的设计制作过程中，图3所示的光学探针A敏感探头顶部和光学探针B敏感探头顶部的距离L对气泡速度与体积的检测起着至关重要的作用。
CHABOTJ等[15]对L分别取10.3、9.5、4.5、2.0、1.0 mm时的情况进行了试验与分析，结果发现当L取10.3、9.5、4.5 mm时，容易出现多个气泡同时通过该区间，从而导致速度检测数据测量错误；当L取1.0 mm时，气泡通过光学探针A、B的时间间隔过小，由于信号上叠加噪声的影响导致时间间隔测量误差偏大。当L取2.0 mm时，可以较好地获取光纤探针A、B的反馈波形，试验结果准确。结合大量试验数据和文献资料，本文选取L=2 mm。
3 试 验
3.1 试验装置结构
煤层气气泡形态井下实时探测模拟装置如图5所示，由气泵产生试验所需气泡，经管道接入流量调节阀，利用流量调节阀对气泡的大小和速度进行调节，调节后的气泡通过管道进入煤层气井井筒环空模拟装置中。通过光学探针阵列检测上升中的气泡，利用STM32微处理器捕获气泡通过探针的时间，经滤波、去噪、运算处理后，将结果传送至PC机，最终在PC上实现气泡速度和体积参数显示。
图5 煤层气气泡形态井下实时探测模拟装置
Fig.5 Real-time detection and simulation device of CBM bubble morphology in underground mine
3.2 试验步骤
在模拟煤层气井筒环空工况时，液体选用温度为25 ℃的清水，具体试验步骤如下：
1)接通气泵工作电源，调节流量调节阀，获取不同速度和体积的气泡。
2)接通系统电源，使得STM32数据采集系统和光学探针传感器正常工作。
3)利用多相流测试系统中的标准气泡参数采集装置对气泡运行状态进行拍照，结合图像处理算法对气泡运行状态进行处理后获取气泡的标准体积与速度。
4)将本装置测量的气泡相关参数与多相流测试系统获取的气泡标准数据进行比对分析，得出误差。
3.3 试验结果分析
3.3.1 单光学探针输出数据分析
单光学探针输出信号经过信号调理与滤波处理后的典型波形如图6所示。在气泡具有相同速度时，如果气泡偏小，光学探针输出信号的高电平时间短；如果气泡偏大，光学探针输出信号的高电平时间长。幅值与光学探针输出的光强值成正比关系，其值为经信号滤波、仪表放大和AD采集后得到的电压。通过图6观察发现，当没有气泡通过时，检测装置输出信号幅值为0；当有气泡通过时，检测装置输出信号幅值不为0，这种幅值的明显变化在气泡的不同运动方式中均可清楚观察到，从而表明利用光学探针监测不同介质的反射情况进行气相与液相的区分是有效的。
图6 单光学探针试验结果曲线
Fig.6 Experimental results curve of single optical probe
3.3.2 双光学探针输出数据分析
当气泡速度为0.261 m/s，体积为113.81 mm3时所获得的双光学探针试验结果如图7所示。从图7观察得出，对于相同的连续气泡，光学探针B比光学探针A先检测到气泡，考查连续气泡中的单个气泡发现，针对同一单个气泡由A、B光学探针的横坐标时间差可获取t0和t1的值 ，利用式(1)、式(2)即可计算出单个气泡的体积和速度，从而有效说明了所设计的光学探针可进行气泡体积与速度的测量。
图7 双光学探针试验结果曲线
Fig.7 Experimental results curve of dual optical probe
将在煤层气井环空模拟装置中利用本装置采集到的气泡速度、体积参数，与利用多相流标准气泡参数采集装置采集到的气泡速度、体积参数进行对比(主要讨论不同体积的气泡在速度变化不大情况下)，部分试验数据见表1。
表1 光学探针和标准气泡参数采集装置试验数据对比
Table 1 Test datas comparision between optical probe and standard bubble parameter acquisition device
光学探针采集数据标准气泡参数采集装置采集数据误差/%速度/(m·s-1)体积/mm3速度/(m·s-1)体积/mm3速度体积0.1594.1920.1613.9321.246.610.22933.5380.23435.2652.144.900.261113.8310.267119.1382.254.450.273268.3580.278256.3661.804.680.294523.5260.299497.8981.675.150.283905.9320.286936.9951.053.320.2991437.6150.3111339.9743.867.28
当标准气泡参数采集气泡速度为0.311 m/s,体积为1 339.974时，光学探针采集测量得出的速度与体积误差偏大，主要是因为气泡体积偏大时，其气泡直径偏大，表征为气泡通过光学探针时光学探针输出波形的高电平时间偏长，从而测得的气泡速度偏小(光学探针距离L一定)，从而速度误差增大。通过分析得出，基于光学探针的煤层气气泡形态井下实时探测装置测量气泡速度误差在±4%以内，测量气泡体积误差在±8%以内。体积误差大于速度误差，因为体积测量是根据速度参数由式(2)计算得出，速度误差的累积导致体积误差偏大。气泡体积增大时，通过光学探针测量区域的时间相对变短，影响速度测量精度导致误差增大。
4 结 论
基于光学探针的煤层气气泡形态井下实时探测装置以微处理器STM32为核心，根据光在空气与溶液中折射率的不同，获得表征不同介质的高低电平信号。利用气泡通过光学探针组时产生具有时间差的一对高电平信号，结合已确定的光学探针组中敏感探头的距离，进行气泡速度的计算；气泡通过光学探针的敏感探头时，STM32对检测到的高电平信号进行捕获，获取气泡通过敏感探头的时间，在确定气泡速度的基础上，从而计算出气泡的直径，进而求得气泡体积。基于光学探针的煤层气气泡形态井下实时探测装置与其他气泡测量装置相比，有如下特点：
1)传统的气泡测量装置主要应用于地表气泡形态参数检测，不适用于煤层气工况。本测量装置可在不足30 mm的煤层气井环空中作业，解决了煤层气井气泡实时检测的问题。
2)与基于电导率的煤层气气泡形态井下实时探测装置相比，本装置采用蓝宝石作为光学探针的敏感探头，有效克服了溶液润湿性的影响；光学探针不与溶液发生化学反应，不存在腐蚀探针的现象，有效避免了利用电导率测量气泡形态参数时腐蚀电极现象的发生，提高了装置气泡速度测量精度。
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