趙慶超，郭士生，李舜水，劉嘉

(1.山東省科學(xué)院激光研究所，山東濟(jì)南250014;2.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海200030)

在油田的開發(fā)過程中，必須進(jìn)行井下溫度、壓力和聲波等參數(shù)的測試［1］，了解油氣井在生產(chǎn)過程中井內(nèi)流體的特性與狀態(tài)的詳細(xì)資料，從而優(yōu)化生產(chǎn)、提高油氣采收率和產(chǎn)量，同時(shí)降低成本。在油田測試中，井下壓力、溫度參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的，但油氣井下的環(huán)境極其復(fù)雜，大多高溫、高壓且具有腐蝕性。目前國內(nèi)的油井，例如中海油，大多使用電子傳感器測量井下的溫度、壓力等參數(shù)，傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境中工作，容易被腐蝕而失準(zhǔn)。光纖傳感器具有精度高、體積小、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)［2－3］，集傳感與信號傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量與監(jiān)控。目前，國外油氣井下多采用光纖溫度壓力傳感器，但是對我國存在技術(shù)壁壘。國內(nèi)光纖溫度壓力傳感器也初步應(yīng)用于油井測試中，但井下壓力和溫度的測量都是基于光纖Bragg光柵［4］，而光柵的封裝多采用膠粘，膠粘在壓力測試中容易產(chǎn)生蠕變，從而使測試失準(zhǔn)。

本文研制了一種新型的光纖溫度壓力傳感器，以F-P(Fabry-Perot)腔和光纖Bragg光柵為傳感元件，分別用于監(jiān)測油氣井下的壓力和溫度。由于該傳感器壓力測量是基于F-P腔，可以很好地解決膠粘在壓力測試中的蠕變問題。該傳感器已應(yīng)用于工程實(shí)踐中，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測井下壓力和溫度狀況，至今正常運(yùn)行。

圖1 光纖F-P腔原理Fig.1 Principle of optical fiber F-P cavity

1 傳感器設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

1.1.1 光纖F-P腔基本原理

F-P干涉儀［5－6］是由兩個(gè)平行的光學(xué)平面構(gòu)成的光學(xué)諧振腔，其原理見圖1，d為兩個(gè)反射面之間的間距(即腔長)，n為腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，i為光線在入射界面的折射角。當(dāng)一束平面光波以一定角度從一側(cè)入射后，在入射界面產(chǎn)生反射和透射，而入射到腔內(nèi)的光線也不斷地在兩個(gè)界面上產(chǎn)生反射和透射，振幅和強(qiáng)度被一次一次地分割，最終形成圖中入射光學(xué)面的多束平行的反射光和下反射面的多束平行透射光，然后用解調(diào)儀解調(diào)出F-P腔腔長的信息。光纖F-P腔分為本征型和非本征型，本文采用非本征型F-P腔，以空氣作為腔內(nèi)介質(zhì)［7］。

1.1.2 光纖Bragg光柵基本原理

用強(qiáng)度在空間上周期變化的強(qiáng)紫外線激光照射摻鍺光纖就可在纖芯內(nèi)、沿軸向形成一個(gè)折射率周期變化的光柵，當(dāng)一束寬光譜光通過FBG時(shí)，F(xiàn)BG反射回一束單色光，波長λ滿足［8－9］

式中，n為光纖光柵的有效折射率，Λ為FBG的周期，由于n和Λ與FBG的溫度和應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)，所以波長λ隨溫度和應(yīng)變變化而變化。

研究表明，溫度和應(yīng)變引起的光纖光柵波長變化可表示為［10－11］

1.2 光纖溫度壓力傳感器設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的光纖溫度壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，第一裸光纖2和第二裸光纖4的外徑為0.125 mm，將第一、第二裸光纖插入內(nèi)徑為0.13 mm、外徑為0.3 mm的石英玻璃管3中，用氫氧焰燒結(jié)玻璃管外端，玻璃管熔化便形成熔接點(diǎn)1、5，第一裸光纖2和第二裸光纖4兩端面構(gòu)成了F-P腔10，將玻璃管3用玻璃焊料安裝于封裝基座6上面;圖中光柵8處于完全松弛且稍有彎曲狀態(tài)，用高溫膠將光柵8粘于基座6上面，7、9為膠粘合點(diǎn)。傳感器外觀圖見圖3。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure diagram of the sensor

圖3 傳感器外觀圖Fig.3 Outline of the sensor

封裝基座6和金屬套管11通過金屬變形密封連接，壓力通過金屬套管11的開口進(jìn)入管內(nèi)，當(dāng)玻璃管受到壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，致使F-P腔大小產(chǎn)生變化，假設(shè)玻璃管外徑為r0、內(nèi)徑為r1，F(xiàn)-P腔腔長的變化ΔG與壓強(qiáng)P之間的關(guān)系可表示為［12］

式中，L0為兩熔接點(diǎn)的距離，P0為玻璃管內(nèi)部的壓強(qiáng)，E為玻璃的彈性模量，v為玻璃的泊松比。

由于光柵封裝時(shí)為完全松弛且稍有彎曲狀態(tài)，所以光纖光柵的軸向應(yīng)變對光柵波長變化無影響，式(2)可表示為

圖4 測試裝置示意圖Fig.4 Illustration of the test device

2 實(shí)驗(yàn)室測試與分析

本文實(shí)驗(yàn)測試裝置見圖4，包括加壓裝置、加溫裝置和信號解調(diào)裝置。加壓裝置用上海閔榆實(shí)業(yè)有限公司的標(biāo)準(zhǔn)寬量程活塞式壓力計(jì)，導(dǎo)壓管采用麥格思維特(上海)流體工程有限公司的高壓鋼管及接頭(耐110 MPa)，加溫裝置采用吳江市飛馬烘箱廠的遠(yuǎn)紅外鼓風(fēng)干燥箱，信號解調(diào)儀采用MOI光纖光柵傳感解調(diào)儀。

MOI解調(diào)儀解調(diào)后的傳感器反射光譜見圖5，圖中波浪部分為F-P腔的反射光譜，尖角部分為光柵的反射光譜。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，尖角部分尖點(diǎn)所對應(yīng)的波長發(fā)生變化，通過式(4)即可算出溫度值;當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)波浪部分波峰和波谷所對應(yīng)波長發(fā)生變化，通過采集波峰或波谷所對應(yīng)的波長，然后經(jīng)過一定運(yùn)算，算出F-P腔的腔長變化，然后通過式(3)即可算出壓力值。

圖5 傳感器反射光譜Fig.5 Reflection spectrum of light of the optical fiber sensor

圖6 F-P腔長期穩(wěn)定性測試Fig.6 Test for the long-term stability of the F-P cavity

此類傳感器在油田的長期監(jiān)測應(yīng)用中，穩(wěn)定性至關(guān)重要，而油井井底溫度大都高于100℃，本文以編號為2013011501的傳感器為例進(jìn)行長期穩(wěn)定性測試，由于當(dāng)時(shí)解調(diào)儀軟件的原因只對F-P腔腔長進(jìn)行了解調(diào)，測試結(jié)果見圖6。

由圖6可以看出，傳感器在150℃和165℃，不加壓的情況下分別測試3個(gè)月，F(xiàn)-P腔腔長值只變化了幾個(gè)納米，由此可見該傳感器的壓力測試滿足長期穩(wěn)定性的要求。

加溫裝置分別設(shè)置150℃、165℃和120℃，不加壓，對編號為2013072203的傳感器進(jìn)行測試，傳感器光柵波長變化見圖7。

圖7 光柵波長變化Fig.7 Wavelength change of the grating

由圖7可以看出，光柵的波長隨溫度變化而變化，響應(yīng)明顯;在3個(gè)溫度值恒溫時(shí)基本沒變化，穩(wěn)定性很好;依據(jù)公式(4)采用相應(yīng)的算法算出的溫度值與實(shí)際溫度值一致，準(zhǔn)確性好。

傳感器測試裝置中加溫裝置設(shè)置150℃，加壓裝置設(shè)置0～51 MPa，用信號解調(diào)裝置解調(diào)出F-P腔腔長值，以編號為2013072203的傳感器為例進(jìn)行壓力標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見圖8。

圖8 壓力標(biāo)定Fig.8 Pressure calibration

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試分析，溫度對F-P腔腔長的變化影響很小，溫度變化1℃腔長變化1 nm，可以忽略不計(jì)，為更加精確，本文對F-P腔腔長值進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。對壓力進(jìn)行標(biāo)定，壓力與腔長的關(guān)系為y=－253.684 104x+117 026.531 461，其線性擬合度為 0.999 999。

3 傳感器工程應(yīng)用

2013年9月底在中國春曉油田天外天平臺(tái)A9井安裝了一個(gè)光纖溫度壓力傳感器，此井總深大約3 000 m，井垂深大于1 000 m。

為了將傳感器安裝到井下，我們設(shè)計(jì)了托桶，托桶側(cè)面設(shè)計(jì)有圓開口，用于傳輸壓力，將傳感器安裝于托桶上面，托桶和油管螺紋聯(lián)接，傳感器隨油管下到井下，井下傳感信號經(jīng)專用鎧裝光纜傳輸?shù)骄冢捎诰詈苌钚枰嗬饫|續(xù)接，光纜和光纜連接處用專門連接器連接，到達(dá)井口位置用地面專用光纜接續(xù)盒轉(zhuǎn)地面光纜傳輸?shù)街锌厥?，之后對信號進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)過計(jì)算最終得到井下的壓力和溫度值，圖9顯示了A9井完井之后到2014-02-20的壓力變化。

圖9 井下壓力值變化Fig.9 Pressure change in an oil well

由圖9可以看出傳感器安裝之后到2014-01-11之間壓力基本不變，保持在18.3 MPa左右;2014-01-11～2014-01-15之間壓力產(chǎn)生較大變化，最高達(dá)到24.5 MPa，和A9井生產(chǎn)監(jiān)督聯(lián)系后得知，此間井口做過一次加壓;之后井下壓力值穩(wěn)中有降，這是由于產(chǎn)氣量的變化導(dǎo)致的。

圖10 井下溫度值變化Fig.10 Temperature change in an oil well

圖10顯示了A9井完井之后到2014-02-20的溫度變化，由圖10可以看出，井下溫度在2013-12-12之前基本保持在105℃;2013-12-12～2014-01-11之間溫度有所上升，最高到達(dá)118℃，這與井下環(huán)境有關(guān);2014-01-11～2014-01-15之間，溫度下降，下降到105℃，這也與井下環(huán)境有關(guān);2014-01-15之后井下溫度基本保持在105℃左右。

4 結(jié)語

本文研制的油井下光纖溫度壓力傳感器，耐高溫、抗腐蝕且井下部分為無源，安全可靠，可以很好地解決電子傳感器易受井下環(huán)境腐蝕的問題。到目前為止，該光纖溫度壓力傳感器已在井下連續(xù)監(jiān)測4個(gè)月且未出現(xiàn)故障，達(dá)到了使用要求。由于該傳感器串聯(lián)很難實(shí)現(xiàn)，目前只能進(jìn)行單點(diǎn)測試，實(shí)現(xiàn)井下溫度壓力多點(diǎn)測試是我們以后的重點(diǎn)研究方向。

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