光纖壓力、溫度傳感器

姜少軍 于清旭

【摘要】本文介紹了光纖傳感器在油井開采中國內外的國內外的發展狀況。重點介紹了大連理工大學研制的基于光纖F-P腔的光纖壓力/溫度傳感器的原理、技術及各項技術指標，該傳感器目前已達到了國際先進和國內領先水平。尤其是該傳感器經過國內多家油井的使用已經達到可以產業化的階段。

【關鍵詞】傳感器；油田測量

一、國內外發展狀況

傳感器技術是信息時代最為重要的標志性技術之一，是信息社會的重要技術基礎，它與信息通信技術、計算機技術共同構成了當今信息產業的三大技術支柱，已經成為一個國家科學技術發展水平的重要標志。光纖傳感器技術是伴隨著低損耗光纖的誕生和光纖通信技術的迅猛發展而逐步發展起來的，光纖傳感器技術的研究和發展迄今已有近三十年的歷史，目前它已經成為傳感器技術中的一個重要分支。光纖傳感器以光波作為信息載體，以光纖作為信息的傳輸介質，對被測參量進行傳感測量。由于光纖傳感器與傳統的電子學傳感器在信息載體、傳輸介質上的差別，決定了光纖傳感器具有傳統電子學傳感器無法比擬的特點：

1.光纖傳感器是無源器件，電絕緣性好，抗電磁干擾同時又不產生電磁干擾，耐高壓，耐腐蝕，在易燃易爆等惡劣環境下使用安全可靠；

2.光纖傳感器質量輕，光纖極細，適合于在對傳感器質量要求較高的場合使用；

3.光纖傳感器可以串/并聯復用，更重要的是還可以進行分布式傳感測量，容易形成傳感器網絡或者陣列；

4.光纖傳感器可以埋入復合材料或結構中來實現材料、結構內部應變分布的實時監測，即制成光纖智能材料和結構；

5.光纖傳輸光波損耗小，可以不受任何電磁干擾地實現遠距離測量和控制。

光纖傳感器由于具有傳統電子學傳感器所不具有的優點，自上個世紀七十年代美國海軍研究所（NRL）開始執行光纖傳感器系統（FOSS）計劃以來，得到了世界上很多國家的特別重視，已經在全世界范圍內取得重大發展。

我國大部分油氣田開發生產目前正面臨諸多方面的挑戰，例如，如何降低復雜地質結構油氣田的開發成本；如何提高油田邊緣油井開采的經濟性；如何提高再開采效率（在地下遺留更少的油）和降低開發運營成本；如何減小產量下降的速度，以及避免油氣生產中斷的危險和損失和減小環境和安全方面的事故等。解決這些問題的關鍵在于全面了解井下物理參數，獲得豐富的實時的測量數據并與整個生產過程的結合。豐富的測量數據是完整掌握從井下到井口的油氣流狀態，保障油氣生產和油氣流集輸的基礎。

有預測指出，全球石油產量很快就將開始遞減，大多數石油會在幾十年內采完。但實際上已探明的石油儲量還有2/3未被開采，目前各個油田的采收率實際上僅有35%。美國地質勘探局（U.S.Geological Survey， USGS）估計，在全球范圍內，地球上剩余的常規石油儲量約有7萬億到8萬億桶，但是傳統的技術、經驗和成本，只有其中小部分石油能夠劃算的開采出來。

近十年來，石油公司正逐步采用各種先進技術，提高產量和采收率。伴隨新的技術的采用，也給用于提供井下地球物理信息的傳感器提出了更加苛刻的要求。因此，對油藏和石油井下的一些關鍵的物理參數以及他們隨著時間和空間的變化實時、在線的測量和監測就變得非常重要。盡管這些物理量測量的需求十分迫切，但是石油井下極其惡劣的環境以及對這些參數測量的嚴格技術要求，使我們采用傳統傳感器獲得這些數據是不可能的。目前普遍采用的電子式壓力、溫度計只能工作在200℃以下的工作環境，并且不能進行長期的連續實時監測，而普遍開始采用的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術和火燒油層二氧化碳驅油技術，油井的溫度高達300度，要實現對這些注蒸汽井的壓力和溫度變化的實時監測，就必須開發適用于高溫環境的壓力和溫度監測系統。此外對于海上油田，許多超深油井下的壓強高達近百MPa，對傳感器的工作壓力范圍也提出了極高的要求。

光纖傳感技術近年來取得的許多突破性進展使得光纖傳感器應用于高溫、高壓油氣井永久性實時測量成為可能。用于井下測量的光纖法布里-珀羅傳感器和光纖布拉格光柵傳感器是波長調制型光纖傳感器，具有抗電磁干擾能力強，不受傳輸中光強波動的影響，安全可靠，傳感頭結構簡單，尺寸小，易集成、復用和便于構成各種形式的光纖傳感網絡，可以進行各種復雜環境下多點或準分布壓力、溫度、流量等參數的測量。光纖光柵傳感器可長時間放置在井下，實時在線監測地層性質變化，測量井內流體動態，為油氣田開發提供動態、實時的地層信息。為高溫高壓油氣井下壓力和溫度的準確、實時和永久性監測提供了理想的解決方案。

大連理工大學研制的基于光纖F-P腔的光纖壓力/溫度傳感器的各項關鍵性能指標目前已達到了國際先進和國內領先水平。自2005年開始，項目組就與中石油遼河油田鉆采工藝研究院合作，開展光纖傳感測井應用研究。連續3年先后在1口豎直觀測井和3口SAGD水平井中進行了實際應用實驗，2011年至2012年在新疆克拉瑪依油田的高溫注汽井進行了為期一年的長期運行實驗。在傳感器封裝、下井工藝、和長期連續監測可靠性方面獲得了寶貴的成功的經驗。為下一步在油田的大規模實際應用奠定了基礎。

二、研發與生產

光纖傳感器較傳統電-機械類傳感器有著其獨特的優點，例如重量輕，體積小；抗電磁干擾，本質安全；耐高溫，耐腐蝕并具有極高的靈敏度和分辨率等，非常適合于油井下惡劣工業環境的多種參數的測量。將光纖傳感器用于油井測試領域，國外起步較早，相關的研究及應用都已經非常深入和成熟。目前，國際上的大型油田服務公司（如斯倫貝謝、威德福、哈里伯頓等）以及一些科研公司（如Sabeus等），在該領域一直處于領先地位。

以于清旭教授為首的大連理工大學物理與光電工程學院研制的光纖壓力溫度傳感器可工作在300℃、15000psi的極端環境下，壓力測量精度達0.025%F.S.，測量分辨率達0.15psi，年漂移量<±5psi；溫度測量精度達0.5℃，測量分辨率達0.1℃，這些性能指標在國際光纖傳感器測井領域均處于國際先進水平，在國內光纖傳感器測井領域處于領先地位（見表1）。所研制的光纖壓力溫度傳感器在可靠性、技術服務與保證，以及價格方面也具有明顯的競爭優勢。另外，自2006年來，研制小組先后與遼河油田鉆采工藝研究院、中海石油基地集團公司采油技術服務公司，以及新疆油田采油工藝研究院等合作，在國內率先將光纖壓力溫度監測系統應用于井下壓力溫度長期監測，其中在新疆油田安裝的光纖分布式溫度與壓力傳感器已正常運轉多年時間，取得了良好的結果。在傳感器耐高溫高壓封裝結構、現場下井工藝和長期連續監測可靠性方面積累了豐富的經驗，為產品的技術改進以及下一步在油田的大規模實際應用奠定了基礎。

三、原理與技術

1.原理

光纖壓力和溫度傳感器系統的核心器件是由在一根光纖端部相鄰串聯的一個光纖F-P腔壓力傳感元件和一個光纖布拉格光柵（FBG）溫度傳感器元件構成。其中光纖壓力傳感器采用非本征F-P干涉儀作為壓力傳感元。F-P干涉儀（又叫F-P腔）的基本結構是兩個平行的平面反射鏡，光經過反射鏡時會在兩個反射鏡之間發生多次反射，經歷不同反射次數的光束之間會發生干涉效應，而干涉光譜特征與兩個反射鏡之間的距離有確定的對應關系。而FBG溫度傳感器則是采用光纖布拉格光柵（FBG），光纖光柵用于室溫至300℃范圍內的溫度測量，無需采用任何增敏/降敏附加結構，具有結構簡單、高可靠性和高精度特點。光纖光柵是在光纖上采用紫外激光刻制的一段具有折射率周期性變化的特殊結構，當寬譜光經過光纖光柵時光波長將被部分反射回，由于光纖光柵的有效折射率neff及光柵周期是溫度的函數，當環境溫度變化時，布拉格波長將發生變化

2.技術

光纖壓力和溫度傳感器系統是由光纖壓力溫度監測系統、激光微加工光纖F-P傳感器、亞納米分辨的F-P腔微位移測量、耐高溫高壓封裝四項核心技術基礎上有機、有效的組合完成的。

四、市場狀況及發展趨勢

光纖傳感測井技術是近年來國內外石油企業一直非常關注的測井技術，有著非常廣闊的應用前景。從國內外每年鉆井數量來看，中國每年要鉆1萬多口井（包括探井和生產井），全球每年要鉆10-20 萬口井。從目前需求量統計，每年中國海洋石油有大約100口油氣井要安裝壓力和溫度監測系統。國外油氣田每年有2萬-3萬口油氣井要安裝壓力和溫度監測系統。中石油和中石化每年有1500多口井含硫和高產油氣井需要監測井口和井底壓力、溫度。目前普遍開始采用的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術和火燒油層二氧化碳驅油技術，油井的溫度高達300℃，此外對于海上油田，許多超深油井下的壓強高達近百MPa，要實現對這些油井的壓力和溫度變化的實時監測，現在普遍采用的電子式壓力計、溫度計，已滿足不了測試需要，必須采用適用于高溫高壓環境的光纖式壓力和溫度監測系統。因此、其市場空間是巨大的。

隨著油田開采的不斷進行，目前剩余油藏已主要為低滲透油藏、超深層油藏以及稠油藏等復雜油藏。這類油藏的開采過程中常常涉及到高溫、高壓、強電磁干擾以及強化學腐蝕等惡劣的井下環境，由于傳統的電子學傳感器已不能夠滿足測井的需要，光纖傳感器由于其獨特的優勢受到石油工業的普遍關注和高度重視。

光纖傳感器應用于高溫、高壓油氣井永久性實時測量已經在國外已廣泛應用并商品化。但在國內發展還只是剛剛起步。近年來國內像中石油、中海油這樣的石油企業一直非常關注光纖傳感測井技術的應用，并將采用此技術列如研究發展計劃。不期我國的光纖傳感測井技術將產業化，也一定會取得重大的社會效益和經濟效益。