國內智能井井下傳感系統應用進展及展望

摘 要：在石油工業這樣一個資本高度密集型的行業里，比起制造業和金融業，信息技術對產業的影響將會是更大幅度的進步。尤其是在生產方面，隨著智能完井的廣泛應用，對于提高油井的采出率，緩解我國的能源危機具有重要的戰略意義。本文主要介紹了國內企業應用井下傳感系統的發展歷程及現狀，及國內主要石油公司對傳感器在石油和天然氣的應用方面所取得技術成果。

關鍵詞：井下傳感系統；光纖傳感器

中圖分類號：TE646 文獻標志碼：B 文章編號：1671-7953(2009)02-0095-03

在科學技術日新月異的今天．計算機、智能檢測和網絡技術取得了飛速發展，依靠計算機技術發展起來的現代信息技術已經日益成為當今社會各個領域中最重要、發展最迅速、最有影響力的技術。智能完井技術就是一種較受關注的在石油化工企業應用的信息技術［1］。它可以實時采集、傳輸和分析井下生產狀態、油藏狀態和全井生產鏈數據資料，并根據油井生產情況對油層進行遙控配產和盡量提高油井產量，明顯減少修井作業，從而提高整個油田在生產年限內的投資回收率。伴隨著智能完井在油田中的廣泛應用，作為智能完井最重要的組成部分之一的永久性井下傳感系統也越來越受到人們的廣泛關注。井下信息收集傳感系統主要由多種傳感器構成，其中多相流流量測量采用普通傳感器；井下溫度和壓力的測量目前多采用光纖傳感器；井筒和油藏中流體的粘度、組分、相對密度的評估采用微電子傳感器。

1 智能井井下傳感系統應用發展歷程

進入21世紀以來，電子傳感器已被用于井下測量壓力、溫度和流量等，傳感器被用來最大限度地提高產量，同時盡量減少對人類、環境和生產設備的風險。早期的井下壓力和溫度裝置多是電子式的，傳感器主要有應變壓力計和石英晶體壓力計，以石英電子晶體或應力傳感器為代表的井下電子部件裝置PDM(井下永久性監測系統)，該裝置的代表產品是CRC的ESP- 1800型壓力溫度監測裝置和PPS公司的PDMS井下永久監測系統，均以應變式傳感器為技術核心(包括高分子壓力溫度傳感器)。［2］但應變式壓力計受溫度影響和滯后影響，而石英壓力計會受到溫度和壓力急劇變化的影響。

光纖傳感技術是伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的新型傳感技術，目前主流的光纖傳感器主要有法布利-比羅特(簡稱FP)、布拉格光柵(簡稱FBG)和熒光式光纖傳感器三種，因為它們都是基于光纖，所以有很多共同的特點，比如抗電磁干擾可應用于惡劣環境(沒有加入電磁過程)，傳輸距離長（光纖中光衰減慢），使用壽命長， 結構小巧等等［3］。不少光纖傳感系統已實用化，成為替代傳統傳感器的商品。最初的光學傳感系統價格昂貴，安裝復雜，而且功能十分有限。如今，光纖傳感器已能夠進行多種井下參數（壓力、溫度、多相流）的監測、聲波監測、激光光纖核測井等，在石油測井中得到了廣泛的應用（如下圖所示）。

該類型的傳感器主要是以光纖及ERD(薄膜諧振)技術為主的非電子部件裝置，以美國Micron Optics Int公司的OS600- 200型深井光纖，壓力溫度傳感器和PORM ORE公司的PROFLOWDP型壓力溫度流量計為代表產品，采用了美國瑞達(Reda)和Centrilift公司生產的電位計式測壓(壓力盒鉑絲電位器測壓)，熱敏電阻測溫的傳感器技術。

光纖溫度、壓力、流量等傳感器是現代智能油井系統的關鍵。西方的光纖傳感器產品成本高，不適合在我國大多數低產油井推廣應用。但是該系統可以實時狀態監測油井內的溫度和壓力變化，進而對油井內的漏水點進行定位，因此對于優化采油條件，提高采油率具有重大意義。因此人們又把目光轉向電子類傳感器在井下應用的研究。早在1999年霍尼韋爾固態電子學中心（Honeywell Solid State Electronics Center）就已經研制出能在溫度高達225℃的環境下正常工作5年以上的集成電路。同年，巴西石油公司在海上深井和超深井方面的技術革新，啟動了全電子智能完井系統的研究。到2003年8月3日，由巴西石油公司和貝克石油工具公司聯合安裝完成的世界上第一口全電子海底深水井智能完井系統，標志著全電子智能完井系統技術開始逐步走向成熟。今天，在電力電子的所有應用領域，如家電、傳動領域、電信等，電力電子產業正面臨著巨大的增長，許多國際知名的大公司已經在著手研發能在175℃時可靠工作的電子元器件，隨著電路集成程度的提高及新型電路技術的發展，再加上電子傳感器有現成的接口，且其成本要低于光學系統等固有優勢。可以預測，在未來5-10年內永久型井下電子傳感器在高溫高壓井中的應用將有很大的發展空間。

2 國內智能井井下傳感系統應用進展

我國在70年代末就開始了光纖傳感器的研究，其起步時間與國際相差不遠。與發達國家相比，我國的研究水平還有不小的差距，主要表現在商品化和產業化方面，大多數品種仍處于實驗室研制階段，不能投入批量生產和工程化應用，遠遠滿足不了市場需求。近幾年，國內有許多油田和科研單位進行了光纖傳感器方面的試驗研究，也取得了一些成果，

2007年8月天津大學李恩邦教授研發出了高靈敏度多模光纖應變傳感器，并已申請4項國家發明專利。據了解，高靈敏度多模光纖應變傳感器比目前世界上使用最廣泛的光纖布拉格光柵（FBG）傳感器更靈敏，其結構也更為簡單。光纖應變傳感器廣泛應用于建筑、石油、化工、交通、能源、冶金、核工業等領域。另外，遼河油田進行了光纖F-P腔壓力傳感器方面的研究，遼河油田稠油油藏較多，而開采稠油大多采用蒸汽吞吐和蒸汽驅的方法，針對高溫、高壓油井的測量環境，設計研制了基于光纖非本征型Fabry-Perot(F-P)腔的波長解調型光纖壓力傳感器系統，光纖傳感頭采用光纖-厚壁石英管激光熔接的無膠封裝方式，解決了高溫環境下的傳感器高壓密封和光纖保護問題。目前，該傳感器已成功的應用于遼河油田曙光采油場油井下的壓力實時監測。其他還有中國科學院西安分院組織專家鑒定委員會通過的“晶體吸收式光纖溫度傳感器”項目、西安維納儀器有限公司生產的高溫井下壓力傳感器WYG2等。

2008年3月電子科技大學通信學院光纖技術研究中心饒云江教授團隊首次在國際上應用157nm 和飛秒激光微加工技術制作出新一代微納光纖琺珀傳感器。該技術有助于研制出目前世界上體積最小、光學性能最好、工作溫度最高（800℃）的微光纖在線琺珀應變傳感器，可望在航空航天、能源工業等環境十分惡劣的極端條件下使用，從而解決長期以來存在的高溫下應變精確測量的世界性難題。于此同時，西安石油大學喬學光教授從事的“高溫高壓分布式光纖光柵傳感技術”榮獲國家技術發明二等獎。為石油、石化生產第一線解決了難題，為石油工業的增產、增效做出了貢獻；“高溫高壓分布式光纖光柵傳感技術”達到世界領先水平。目前，這項技術正在長慶油田、中國石油測井公司、遼河油田推廣應用，其經濟效益和社會效益將不斷顯示出來。

2009年4月，勝利采油院在孤東6-28-495井順利完成智能分測分采工藝試驗，這也是該技術在國內的首次現場應用。 智能分測分采工藝技術，主要是利用不同的分層封隔器，對油層分別進行卡封后，用毛細管控制液壓開關，對目的層進行分采，再由光纜傳感器對目的層進行智能分層傳感測壓。采集到的數據經過人工優化后，再利用地面系統調整井下流量控制系統，對油層進行生產狀態的控制。該工藝能充分發揮各油層的產能，對油層進行選擇性開采。這也是該院首次把光纖傳感與分層采油兩者結合在一起，開創了國內作業井分測分采的先河。

3 智能井井下傳感系統應用發展展望

隨著石油工業的發展，特別是深井和超深井的發展，對高溫高壓隨鉆測井工具的需求也呈逐漸上升的趨勢，我國的東北部和西部等地是其主要市場。

目前，光纖傳感器在鉆探領域取得了長足的進步，全世界各大石油生產公司、測井服務公司以及各種光纖傳感器研發機構和企業都參加了研究、開發過程。國外一些知名石油儀器公司已經開發出了自己獨有的永久性井下傳感系統［4］。國內雖然也在不斷的研發創新，但總體水平目前還是不足以適應國內的使用情況。

最近幾年，由于作業者對可靠的永久井下傳感系統的需求增加，促進了各種先進技術（如光纖測量系統）的研究和開發。目前在許多高溫高壓井中，永久性井下傳感系統中光纖傳感器都占有主導地位。

對于電子傳感器，苛刻的井下溫度和壓力指標使得在生產電子溫度/壓力傳感器時只能選擇專用的高溫電子器件，并盡量減少硬件數量，充分利用先進的軟件技術。目前，電子溫度/壓力計的電子技術研究主要集中在兩個方面：傳感器和通訊線路板。今天，在電力電子的所有應用領域，如家電、傳動領域、電信等，電力電子產業正面臨著巨大的增長，許多國際知名的大公司已經在著手研發能在175℃時可靠工作的電子元器件，隨著電路集成程度的提高及新型電路技術的發展，再加上電子傳感器有現成的接口，且其成本要低于光學系統等固有優勢，可以預測，在未來5-10年內永久型井下電子傳感器在高溫高壓井中的應用將有很大的發展空間。

參考文獻

［1］ Permanent downhole temperature sensing succeeds for low cost wells［J］.World Oil，2007（5）：37-44.

［2］ Eddie Pruett，Phil Abshire，Barbara M. Holt，J. Allen Sherritt. Permanent Fiber Optic Monitoring at Northstar: System Installation［J］. 2002（9）：32-35.

［4］ 康學峰，楊厚榮，孫永興. 永置式井下智能多參數監測裝置［J］.石油儀器. 2007.

［5］ 張振奇，童茂松，曹慶芳，昌慶珍. 光纖傳感器及其在石油鉆探中的應用［J］.石油儀器，2007.