引用本文
孔维航, 张恒恒, 李佩宇, 李洋, 回耀智, 李贺. 甲烷和水的水平气液两相流近红外吸收特性分析[J]. 光谱学与光谱分析, 2025,45(6): 1551-1556.
KONG Wei-hang, ZHANG Heng-heng, LI Pei-yu, LI Yang, HUI Yao-zhi, LI He. Study on Near-Infrared Absorption Characteristics of Horizontal Gas-Liquid Two-Phase Flow of Methane and Water[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2025,45(6): 1551-1556.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2025)06-1551-06  
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甲烷和水的水平气液两相流近红外吸收特性分析
孔维航1,2, 张恒恒1, 李佩宇1, 李洋3, 回耀智1, 李贺1,2,*
1.燕山大学信息科学与工程学院, 河北 秦皇岛 066004
2.河北省计算机虚拟技术与系统集成重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
3.中国石化胜利油田分公司油藏动态监测中心, 山东 东营 257000
*通讯作者 e-mail: lihe@ysu.edu.cn

作者简介: 孔维航, 1984年生,燕山大学信息科学与工程学院副教授 e-mail: 1873544114@qq.com

收稿日期: 2024-07-10 修订日期: 2024-11-26
基金: 国家自然科学基金项目(62173290, 62306264),中央引导地方科技发展资金项目(236Z0303G),河北省自然科学基金项目(F2022203008, F2024203091), 河北省高等学校科学技术研究项目(QN2023189)、河北省创新能力提升计划项目(22567626H)资助
摘要

相含率是计算水平气液两相流分相流速、 压降、 平均密度、 产气量的一项重要参数。 为解决页岩气水平井气液两相流相含率测量问题, 以甲烷和水为研究对象, 开展基于近红外吸收技术的水平气液两相流吸收特性研究。 首先根据HITRAN、 Refractiveindex数据库获取甲烷和水的全波段吸收光谱, 由此分析得到甲烷和水的特征吸收峰范围; 然后实验得到不同压强下甲烷和不同液面厚度水的近红外光谱图, 通过分析吸收峰的位置与变化幅度确定甲烷与水的吸收特征波长分别为1 650和980 nm; 最后搭建安装1 650和980 nm波长激光器水平管段实验平台, 分析不同压强、 气液比、 返排液中有机物与总溶解性固体等因素对近红外吸收性能影响。 实验结果表明, 980 nm近红外光强仅受液面高度影响, 且随着液面高度增加, 接收端近红外光强对数值线性逐渐减小; 1 650 nm近红外光强同时受水液面高度及甲烷气体压强影响, 且随着液面高度、 压强增大, 接收端近红外光强对数值线性逐渐减小; 返排液中的总溶解性固体对近红外光透过率的影响略大于有机物, 增加有机物和总溶解性固体的浓度对近红外光强影响均小于6%。 由此可利用980 nm近红外光测量水的液面高度变化, 1 650 nm近红外光测量水和甲烷压强变化, 然后根据Lambert-Beer、 线性叠加定律求出页岩气水平井气液两相流相含率。

关键词: 页岩气水平井; 气液两相流; 相含率测量; 近红外吸收
中图分类号:O436 文献标志码:A
Study on Near-Infrared Absorption Characteristics of Horizontal Gas-Liquid Two-Phase Flow of Methane and Water
KONG Wei-hang1,2, ZHANG Heng-heng1, LI Pei-yu1, LI Yang3, HUI Yao-zhi1, LI He1,2,*
1. School of Information Science and Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China
2. Hebei Key Laboratory of Computer Virtual Technology and System Integration, Qinhuangdao 066004, China
3. Reservoir Dynamic Monitoring Center, Shengli Oilfield Company, SINOPEC, Dongying 257000, China
*Corresponding author
Abstract

The phase holdup of gas-liquid two-phase flow in shale gas horizontal wells is an important parameter for calculating phase separation velocity, pressure drop, average density, and gas production. To solve the problem of gas-liquid two-phase flow phase holdup measurement in shale gas horizontal wells, this paper studies the absorption characteristics of horizontal gas-liquid two-phase flow based on near-infrared spectroscopy. Firstly, according to the full-band absorption spectra of methane and water obtained from HITRAN and Refractiveindex databases, the characteristic absorption peak ranges of methane and water are analyzed. Then, the near-infrared spectra of methane and water with different liquid surface thicknesses under different pressures are obtained experimentally. The position and variation range of the absorption peaks are analyzed, and the absorption characteristic wavelengths of methane and water are finally determined to be 1 650 and 980 nm, respectively. Finally, the experimental platform of horizontal tube section with 1 650 and 980 nm wavelength lasers was built to analyze the effects of different pressures, gas-liquid ratios, organic matter and total dissolved solids in the flowback fluid on the near-infrared absorption performance. The experimental results show that the 980 nm near-infrared light intensity is only affected by the liquid level height, and the logarithm of the near-infrared light intensity at the receiving end decreases linearly with the increase of the liquid level height. The near-infrared light intensity at 1 650 nm is affected by the height of the water level and the pressure of the methane gas, and as the height of the liquid level increases and the pressure increases, the logarithm of the near-infrared light intensity at the receiving end decreases linearly. The effect of total dissolved solids in the flowback fluid on the near-infrared light transmittance is slightly greater than that of organic matter. Increasing the concentration of organic matter and total dissolved solids, the effect on the near-infrared light intensity is less than 6%. Therefore, 980 nm near-infrared light can be used to measure the change in water level, and 1 650 nm near-infrared light can be used to measure the change in water and methane pressure. Then, according to Lambert-Beer and linear superposition law, the phase holdup of gas-liquid two-phase flow in shale gas horizontal wells can be obtained.

Keyword: Shale gas horizontal well; Gas-liquid two-phase flow; Phase holdup measurement; Near-infrared absorption
引言

页岩气水平井气液两相流相含率是表征气井动态变化和评价气层生产状况的重要参数, 对指导气井注入产出、 提高采气率以及预测气井的开发寿命具有重要意义[1, 2]。

目前相含率检测方法主要有声学法[3]、 射线测量法[4]、 电导法[5]、 电容法[6]、 近红外法[7]等。 近红外光学检测因其测量灵敏度高、 响应快、 测量下限低而广泛用于研究液膜厚度、 表面波、 流型识别等方面。 方立德等[8]设计了一种用于弹状流相含率测量的单发多收近红外传感器且检测相对误差小于7%。 王少冲等[9]针对点对点近红外探头传感器测量存在盲区、 数据精度低问题设计了一种基于近红外面源传感器的气液两相流相含率测量装置。 Mithra等[10]分析了基于红外收发器的气-液弹状流体积空隙分数测量三维重建所需考虑的关键参数。

目前针对甲烷单一物质研究较多[11, 12, 13], 而对于采用近红外吸收技术对甲烷与水共存、 压强、 返排液组分等影响因素研究较少, 为此以页岩气井筒内甲烷和水为主要代表的含氢基团被测介质为研究对象, 开展水平气液两相流近红外吸收特性研究。

1 实验部分

图1为搭建的水平气液两相流实验平台, 主体包括高压甲烷气罐、 测量管段、 水罐、 压力表、 1 650和980 nm激光光源以及光谱仪等。 实验得到的近红外光强信号均为原始透过光强的对数值, 基于实验数据分析研究压强、 液面高度、 返排液对近红外吸收强度的影响。

图1 水平气液两相流实验平台Fig.1 Two-phase flow experimental platform

2 结果与讨论
2.1 吸收光谱特性

吸收光谱通常可分为: 紫外光谱、 可见光谱、 近红外光谱、 中红外光谱以及远红外光谱。 分子对不同波长的光吸收主要依赖电子跃迁、 振动吸收、 旋转吸收等物理机制。 吸收光谱表现为一系列的吸收峰, 每个吸收峰都对应一个特定的物理过程, 而吸收峰的位置、 强度和宽度提供了关于分子结构和成分的关键信息。 因此, 可通过利用不同物质的吸收光谱分析不同组分的相含率。

当近红外光通过流体时, 其电矢量振幅A能够在流体中激发电磁场, 激发的电磁场引起流体粒子的受迫振动。 光的能量一部分激发了流体中粒子做受迫运动, 另一部分能量则转化为热量。 近红外光在运动过程中的光强变化可表示为

Ii=I1×e-k1h1(1)

式(1)中: Ii为入射光强; I1经过甲烷气体后光强; k1为甲烷的吸收系数; h1为经过甲烷的光程。

I1=I0×e-k2h2(2)

式(2)中: I1为经过甲烷气体后光强; I0为经过水层后光强; k2为水的吸收系数; h2为经过水的光程。

Ii=I0×e-(k2h2+k1h1)(3)

因此可知, 当入射光强一定时, 出射光强受气液两相吸收系数及光程影响。

2.2 甲烷与水近红外光谱分析

图2为从HITRAN数据库得到的甲烷气体全波段吸收光谱图。 由图2可知, 甲烷气体在近红外光波长在800~1 000 nm区间几乎无吸收, 在1 000~2 000 nm区间中1 330和1 650 nm附近吸收较明显, 透过率变化幅度大, 可很好的检测甲烷浓度变化; 在2 300 nm波长处存在一个吸收峰, 但是透过率过低, 不易测量, 因此将1 330和1 650 nm作为研究甲烷气体的备选波长。

图2 甲烷气体近红外光谱图Fig.2 Near infrared spectra of methane gas

图3为利用Refractiveindex数据库仿真得到液态水近红外光谱图。

图3 不同液态水厚度近红外光谱图Fig.3 Near infrared spectra of liquid water with different thicknesses

由图3分析可知, 不同液态水厚度均在近红外光波长950~1 000 nm区间、 1 200 nm附近出现了明显的吸收峰, 因此900~1 000 nm区间、 1 200 nm波段可作为备选波长。

2.3 甲烷与水特征吸收波长分析

图4为甲烷气体在不同压强下的近红外光谱图, 图5为不同光程水的透过率曲线。

图4 不同压强甲烷气体近红外光透过率变化曲线
(a): 350~1 000 nm; (b): 1 000~2 500 nmFig.4 Near-infrared transmittance spectra of CH4 under different pressures
(a): 350~1 000 nm; (b): 1 000~2 500 nm

图5 不同光程水的近红外光透过率曲线
(a): 300~1 000 nm; (b): 1 000~2 400 nmFig.5 Near-infrared transmittance spectra of water with different optical path lengths
(a): 300~1 000 nm; (b): 1 000~2 400 nm

由图4(a)分析可知, 随着甲烷气体压强增大, 不同波长近红外光透过率降幅较小, 几乎没有出现明显的吸收峰; 由图4(b)分析可知, 在1 000~1 400 nm之间存在1 200和1 400 nm两个吸收峰。 由图5(b)分析可知, 不同光程水在1 200 nm附近有一个较为明显的个吸收峰但存在潜在的干扰; 在1 400 nm位置处不同光程水的透过率几乎为零, 当甲烷与水共存时, 利用1 400 nm作为甲烷的特性吸收波段, 其近红外光将会不能透过水层而不满足测量要求; 在2 000~2 500 nm之间吸收峰分散、 没有明显的单一吸收峰且甲烷吸收能力过强, 且由图5(b)可知, 在该范围内近红外光几乎不能透过厚度为5 mm的水层, 为此在该范围内未能找到合适波长作为甲烷的特征波长; 在1 600~1 800 nm范围的1 650 nm对甲烷分子有明显的吸收带, 与其他气体的吸收特征相对独立, 甲烷在该波段吸收特性稳定, 受温度、 湿度等环境条件影响较小且具有较高的定量检测分析的灵敏度和选择性, 且由图5(b)分析可知, 在该波段近红外光可透过水层。 因此选择1 650 nm作为甲烷气体的特定吸收波长。

由图5(a)分析可知, 不同光程水在区间900~1 000 nm内透过率显著下降且在980 nm附近达到最低, 随着水厚度由5 mm增至20 mm时其透过率变化较为明显, 响应结果降幅超40%, 表明该波段具有较好的灵敏度, 且由图4(a)可知甲烷在该波段几乎不吸收, 因此可在低含水工况下获得较为准确、 稳定可靠的测量结果; 由图5(b)分析可知, 不同光程水在1 200 nm附近出现了差异性变化, 但吸收峰分散, 不利于定量测量, 灵敏度较低且与甲烷吸收峰重复; 不同光程水在区间1 200~1 850 nm没有明显的吸收峰; 当大于1 850 nm后, 近红外光几乎全部吸收, 透过率趋近于零。 因此确定980 nm作为液态水的吸收特征波长。

2.4 实验结果分析

2.4.1 压强对气相的吸收强度性能分析

图6为甲烷压强对近红外光强吸收影响。 由图6(a)可知波长为980 nm的近红外光强几乎不受甲烷压强影响; 由图6(b)分析可知, 随着甲烷压强升高, 1 640 nm的近红外光强明显降低且符合线性关系。

图6 压强对甲烷近红外光吸收的影响
(a): 980 nm光强变化; (b): 1 650 nm光强变化Fig.6 Influence of the pressure on near-infrared transmitted light intensity
(a): Variance of the light intensity at 980 nm; (b): Variance of the light intensity at 1 650 nm

2.4.2 液面高度对液相吸收强度性能分析

图7为液面高度对近红外光强影响。 由图7(a)分析可知, 随着液面高度增加, 980 nm近红外光强逐渐下降且与液面高度呈现较好的线性关系; 由图7(b)分析可知, 当液面高度低于20 mm时1 650 nm近红外光强与液面高度基本呈线性关系, 当液面高度大于20 mm近红外光强几乎为0。

图7 液面高度对光强的影响
(a): 980 nm光强变化; (b): 1 650 nm光强变化Fig.7 Influence of the liquid level on near-infrared light intensity
(a): Variance of the light intensity of 980 nm; (b): Variance of the transmitted light intensity of 1 650 nm

2.4.3 液面高度与压强对气液两相吸收强度性能分析

图8为不同液面高度与压强得到1 650 nm近红外光强变化曲线。 由图8分析可知, 随着液面高度增加, 透过光强相对值逐渐降低且变化明显; 同时在相同液面高度下, 随着压强增加, 1 650 nm近红外光强呈线性降低的变化趋势。

图8 液面高度与压强对相对光强的影响Fig.8 Influence of liquid level and pressure on relative light intensity

2.5 返排液对气液两相吸收强度性能分析

由于页岩气井筒内返排液前期阶段主要为压裂液其有机物成分高, 后期阶段主要为地层水其总溶解性固体浓度更高[14, 15], 因此有必要进一步分析有机物成分和总溶解性固体对近红外吸收强度的影响。

以自来水作为对照组, 选取聚丙烯酰胺(PL)、 葡萄糖酸钠(GA)、 有机硼交联剂(OC)进行有机物组分配比, 选取MgCl2、 CaCl2、 KCl、 NaCl进行总溶解性固体组分配比。 图9为不同总溶解性固体和有机物组分的近红外吸收强度相对于自来水的变化幅度结果。 由图9分析可知, 随着总溶解性固体和有机物浓度的增加, 980和1 650 nm下的近红外吸收强度变化幅度均不超过6%。

图9 总溶解性固体和有机物对透过率的影响
(a): 980 nm; (b): 1 650 nmFig.9 Influence of total dissolved solids and organic matters on transmittance
(a): 980 nm; (b): 1 650 nm

3 结论

分析液层厚度、 甲烷浓度、 金属离子、 压裂液、 压强等因素对近红外吸收强度的影响, 首先采用近红外光谱分析和实验校准方式确定了甲烷和液态水特定吸收波长分别为1 650和980 nm, 然后通过实验分析了液面高度、 压强对不同特定波长近红外吸收强度影响关系, 最后研究了返排液中不同有机物成分、 总溶解性固体对近红外透过率的影响, 相对于水的近红外透过率误差均不超过6%。 综上分析, 利用近红外吸收技术进行页岩气水平井气液两相流相含率测量是可行的。

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