李三喜，馬龍，呂京生，張發(fā)祥，劉小會 ，趙慶超 ，李惠 ，王昌

(1．中海石油(中國)有限公司，上海 200030；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟南 250014)

油田勘探開發(fā)過程中，油層溫度和井內(nèi)流體溫度的變化是非常重要的參數(shù)。將傳感器下入井內(nèi)，獲得井下某一深度的溫度參數(shù)或沿井溫度剖面，是油井測溫的常用方法。溫度測井資料可以用于確定油層溫度，了解井內(nèi)流體流動狀態(tài)，劃分注入剖面，確定產(chǎn)氣、產(chǎn)液口位置，檢查管柱泄漏、串槽，評價酸化壓裂等增產(chǎn)措施效果多個方面。

傳統(tǒng)的測量井溫一般使用紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下環(huán)境存在高溫高壓、腐蝕和地磁干擾，對測試儀器產(chǎn)生很大的影響，傳統(tǒng)的電子類傳感器無法在如此惡劣的環(huán)境下正常工作，容易造成測試誤差，且對于溫度場的測量也存在精度不高，長時間使用誤差大等很多不足[1-2]。光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)輕便、體積小、耐高溫高壓、對電磁干擾不敏感、長期穩(wěn)定性好的特點，在油田監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景[2-8]。目前國內(nèi)應(yīng)用的主要有光纖光柵(FBG)式溫度傳感器[2, 4, 6]、光纖F-P腔式溫度傳感器[5, 7]、光纖分布式溫度傳感器(DTS)[9-10]等。DTS可以分布式測量，獲得井下溫度剖面，但測量精度不高；光纖F-P腔式和光纖光柵式溫度傳感器只能實現(xiàn)單點測試，且存在溫度壓力交叉敏感，一般需要兩種傳感器同時測量溫度壓力進行補償，影響測量精度，在工程應(yīng)用中需要通過多芯光纜或少量串聯(lián)實現(xiàn)復(fù)用，一般用于少數(shù)測點的長期監(jiān)測。

為獲得高精度的井下溫度剖面，本文設(shè)計了一種游走式光纖光柵溫度傳感器，采用高精度耐高壓封裝的光纖光柵溫度傳感器，隔離了井下壓力對傳感器的影響，并實現(xiàn)了較高的溫度響應(yīng)速度。同時，傳感器直徑只有1.2 mm，可以減小傳感器對溫度場的影響，降低測量誤差。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及理論分析

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的游走式高精度光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，考慮井下液體的腐蝕性，采用316不銹鋼毛細管作為保護外殼，對耐高溫光纖光柵進行封裝保護，提高傳感器的抗壓能力，保護光纖光柵不受腐蝕傷害。傳感器可連接井下光纜，在下放過程中測量油井的溫度數(shù)據(jù)，從而獲得油井溫度剖面。由于游走式傳感器測量過程中需要有較快的溫度響應(yīng)速度，以保證測量精度，所以采用1.2 mm外徑的超細不銹鋼管，內(nèi)部填充介質(zhì)為空氣，以避免井下高壓傳遞到光纖光柵，產(chǎn)生交叉影響。

圖1 游走式高精度FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram and the picture of the FBG temperature sensor

不銹鋼管的兩端用玻璃焊料進行密封，光纖光柵在不銹鋼管內(nèi)采用懸空的方式，保證抗壓和密封的需要。這種方法簡單易行，能夠有效地保護光纖光柵，隔絕壓力對光纖光柵的影響。外界溫度的升高影響到不銹鋼管壁，引起不銹鋼管內(nèi)的溫度變化，從而引起光柵的波長發(fā)生變化。通過檢測波長變化，可以測量外界介質(zhì)的溫度。當外界存在高壓時，不銹鋼管產(chǎn)生形變較小，并且不會傳遞給光纖光柵，從而避免了壓力的交叉敏感。

1.2 溫度靈敏度分析

光纖光柵傳感器利用光纖光柵對溫度的敏感原理，通過測試波長的變化來推導(dǎo)出溫度的變化。FBG的波長變化Δλ對溫度ΔT和應(yīng)變εT同時響應(yīng)的公式為[11]

(1)

其中，λB為布拉格波長, 取1 550 nm；α=5.5×10-7℃為FBG的線膨脹系數(shù)；ζ為FBG的熱光系數(shù)，一般不同廠家的光纖有所差別，對于純石英光纖，ζ=6.67×10-6℃；pe=0.22為有效彈光系數(shù)。

對于本文設(shè)計的傳感器，當溫度變化時，光纖光柵不產(chǎn)生應(yīng)變，εT=0，當溫度場達到平衡時，有

Δλ=(α+ζ)λBΔT，

(2)

其中，(α+ζ)λB為傳感器的溫度靈敏度系數(shù)，根據(jù)上述參數(shù)，理論值約為11.2 pm/℃。

1.3 響應(yīng)時間分析

采用有限元模型進行瞬態(tài)分析，理論方程為[12]

(3)

式中，ρ為密度；Cp為恒壓比熱容；k為導(dǎo)熱系數(shù)。

在不銹鋼管外表面，T=Tw，Tw為被測液體的溫度，傳感器初始溫度T=T0，定義溫度傳遞函數(shù)M=(T-T0)/(Tw-T0)。仿真所采用的不銹鋼管的相關(guān)參數(shù)：常壓熱容Cp=475 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)k=44.5 J/(kg·K)，密度ρ= 7.98 g/cm3。

分別采用Tw=313 K，T0=293 K；Tw=333 K，T0=293 K；Tw=333 K，T0=273 K三組數(shù)據(jù)進行仿真，不銹鋼管封裝FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為外徑1.22 mm，內(nèi)徑0.8 mm，仿真所得傳遞函數(shù)M相同，根據(jù)溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)校準方法，響應(yīng)時間即為達到穩(wěn)定溫度所需時間的63.2%。本文采用63.2%的時間常數(shù)作為傳感器的熱響應(yīng)時間，由仿真結(jié)果可知，本傳感器的響應(yīng)時間約為0.11 s，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳感器溫度傳遞函數(shù)的仿真結(jié)果 Fig.2 Simulation results of temperature transfer function of the sensor

2 傳感器測試

2.1 傳感器溫度靈敏度

傳感器的溫度靈敏度測試系統(tǒng)如圖3所示，采用商用的SmartScan光纖光柵解調(diào)儀對光纖光柵溫度傳感器進行波長解調(diào)，將光纖光柵溫度傳感器和一個標準高精度電子溫度傳感器一同放入水中并置于烘箱同一位置，從室溫開始，逐漸升高溫度，每個溫度點穩(wěn)定30 min后讀取數(shù)據(jù)，所測光纖光柵傳感器溫度曲線如圖4所示。

圖3 溫度靈敏度測試系統(tǒng)Fig.3 Temperature sensitivity test setup for the sensor

由圖4的數(shù)據(jù)經(jīng)過線性擬合，傳感器的波長與溫度關(guān)系為y=0.010 1x+1 542.3，傳感器溫度系數(shù)為10.1 pm/℃，線性度可達0.999 7。數(shù)據(jù)與1.2中提及傳感器的溫度系數(shù)理論值約為11.2 pm/℃有差別，分析該誤差值主要是由以下原因造成的：(1)光纖的實際熱光系數(shù)小于純石英材料的熱光系數(shù)；(2)烘箱溫度控制精度不高和解調(diào)儀器的解調(diào)誤差。根據(jù)SmartScan光纖光柵解調(diào)儀的技術(shù)指標[13]，在25 Hz采樣率的條件下，波長分辨率可以達到0.06 pm，結(jié)合傳感器的溫度系數(shù)計算，傳感器的溫度分辨率可達0.007 5 ℃。

將傳感器貼在精度為±0.01 ℃的TEC溫控片表面，所測溫度輸出如圖5所示?？梢姡敵鰷囟戎档姆直媛蔬_到±0.01 ℃。與理論分析值0.007 5 ℃相比，實際測試受溫控片的溫控精度限制，測試精度未能達到理論值。

圖4 傳感器的溫度系數(shù)Fig.4 The curve of wavelength versus temperature of the sensor

圖5 傳感器溫度輸出曲線圖Fig.5 Temperature output of the sensor

2.2 壓力對傳感器測溫的影響測試

把傳感器放入高壓測試桶內(nèi)，密封完成后傳感器連接光柵解調(diào)儀器，進行高壓測試。使用壓力機對傳感器進行分段加壓，加壓的壓力為20、40、60、80、100 MPa，每一個壓力點的壓力值保持5 min。測試系統(tǒng)如圖6所示，測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，0～100 MPa變化范圍，波長變化小于2 pm，結(jié)合溫度系數(shù)10.1 pm/℃，在100 MPa壓強變化范圍，對溫度精度的影響小于0.2 ℃。

圖6 傳感器的壓力測試系統(tǒng)Fig.6 Pressure test setup for the sensor

圖7 傳感器的波長-壓力曲線Fig.7 The curve of wavelength versus pressure of the sensor

2.3 傳感器的熱響應(yīng)時間測試

圖8 傳感器對溫度響應(yīng)測試示意圖Fig.8 Schematic diagram of the sensor’s temperature response test

把光纖傳感器和光纖光柵接入光纖光柵解調(diào)儀，配置到2.5 kHz高速采樣模式。將封裝好的光纖光柵溫度傳感器和裸光纖光柵固定在一支玻璃棒上，使二者的柵區(qū)在同一位置，如圖8所示。將傳感器從室溫環(huán)境迅速移至熱水中，同時用解調(diào)儀記錄其溫度變化。

測試結(jié)果如圖8所示。根據(jù)溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)的校準方法，響應(yīng)時間為達到穩(wěn)定溫度所需時間的63.2%。根據(jù)圖9，光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時間約為108 ms，與理論仿真基本吻合。裸光纖光柵的響應(yīng)時間約為30 ms，可見，本文設(shè)計的光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時間已經(jīng)接近裸光纖光柵的響應(yīng)時間。

圖9 傳感器的溫度響應(yīng)曲線 Fig.9 Temperature response curve of the sensor

3 結(jié)論

本文設(shè)計的耐高壓封裝的高速響應(yīng)光纖光柵溫度傳感器，傳感器直徑1.2 mm。通過理論分析、仿真及實驗測試，得到其理論分辨率為0.007 5 ℃，實測分辨率小于±0.01 ℃，測溫線性范圍到達175 ℃，響應(yīng)速度小于108 ms，耐壓100 MPa。該設(shè)計驗證了用不銹鋼鋼管封裝的光纖溫度傳感器用于油井快速響應(yīng)測溫的可行性，為油井溫度剖面快速測量提供了一種新方法。本傳感器也存在一些不足，比如在高溫高壓環(huán)境下長期使用會使測量誤差增大，將會在下一步設(shè)計測試中通過改變光柵材料，對傳感器結(jié)構(gòu)進行改進。

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