油井下用光纖溫度壓力傳感器

趙慶超，郭士生，李舜水，劉嘉

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

在油田的開發過程中，必須進行井下溫度、壓力和聲波等參數的測試［1］，了解油氣井在生產過程中井內流體的特性與狀態的詳細資料，從而優化生產、提高油氣采收率和產量，同時降低成本。在油田測試中，井下壓力、溫度參數的可靠性和準確性是至關重要的，但油氣井下的環境極其復雜，大多高溫、高壓且具有腐蝕性。目前國內的油井，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，傳統的電子傳感器在井下的惡劣環境中工作，容易被腐蝕而失準。光纖傳感器具有精度高、體積小、耐高溫和耐腐蝕等優點［2－3］，集傳感與信號傳輸于一體，可實現遠距離測量與監控。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壁壘。國內光纖溫度壓力傳感器也初步應用于油井測試中，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生蠕變，從而使測試失準。

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。該傳感器已應用于工程實踐中，實時在線監測井下壓力和溫度狀況，至今正常運行。

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

1 傳感器設計

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］是由兩個平行的光學平面構成的光學諧振腔，其原理見圖1，d為兩個反射面之間的間距(即腔長)，n為腔內介質的折射率，i為光線在入射界面的折射角。當一束平面光波以一定角度從一側入射后，在入射界面產生反射和透射，而入射到腔內的光線也不斷地在兩個界面上產生反射和透射，振幅和強度被一次一次地分割，最終形成圖中入射光學面的多束平行的反射光和下反射面的多束平行透射光，然后用解調儀解調出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，以空氣作為腔內介質［7］。

1.1.2 光纖Bragg光柵基本原理

用強度在空間上周期變化的強紫外線激光照射摻鍺光纖就可在纖芯內、沿軸向形成一個折射率周期變化的光柵，當一束寬光譜光通過FBG時，FBG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的溫度和應變狀態有關，所以波長λ隨溫度和應變變化而變化。

研究表明，溫度和應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計

本文所設計的光纖溫度壓力傳感器結構示意圖見圖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，用氫氧焰燒結玻璃管外端，玻璃管熔化便形成熔接點1、5，第一裸光纖2和第二裸光纖4兩端面構成了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，用高溫膠將光柵8粘于基座6上面，7、9為膠粘合點。傳感器外觀圖見圖3。

圖2 傳感器結構示意圖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的開口進入管內，當玻璃管受到壓力作用時會產生變形，致使F-P腔大小產生變化，假設玻璃管外徑為r0、內徑為r1，F-P腔腔長的變化ΔG與壓強P之間的關系可表示為［12］

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

由于光柵封裝時為完全松弛且稍有彎曲狀態，所以光纖光柵的軸向應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 實驗室測試與分析

本文實驗測試裝置見圖4，包括加壓裝置、加溫裝置和信號解調裝置。加壓裝置用上海閔榆實業有限公司的標準寬量程活塞式壓力計，導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紅外鼓風干燥箱，信號解調儀采用MOI光纖光柵傳感解調儀。

MOI解調儀解調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。當溫度發生變化時，尖角部分尖點所對應的波長發生變化，通過式(4)即可算出溫度值;當壓力發生變化時波浪部分波峰和波谷所對應波長發生變化，通過采集波峰或波谷所對應的波長，然后經過一定運算，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測應用中，穩定性至關重要，而油井井底溫度大都高于100℃，本文以編號為2013011501的傳感器為例進行長期穩定性測試，由于當時解調儀軟件的原因只對F-P腔腔長進行了解調，測試結果見圖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個月，F-P腔腔長值只變化了幾個納米，由此可見該傳感器的壓力測試滿足長期穩定性的要求。

加溫裝置分別設置150℃、165℃和120℃，不加壓，對編號為2013072203的傳感器進行測試，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，響應明顯;在3個溫度值恒溫時基本沒變化，穩定性很好;依據公式(4)采用相應的算法算出的溫度值與實際溫度值一致，準確性好。

傳感器測試裝置中加溫裝置設置150℃，加壓裝置設置0～51 MPa，用信號解調裝置解調出F-P腔腔長值，以編號為2013072203的傳感器為例進行壓力標定，標定結果見圖8。

圖8 壓力標定Fig.8 Pressure calibration

經實驗測試分析，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，為更加精確，本文對F-P腔腔長值進行了溫度補償。對壓力進行標定，壓力與腔長的關系為y=－253.684 104x+117 026.531 461，其線性擬合度為 0.999 999。

3 傳感器工程應用

2013年9月底在中國春曉油田天外天平臺A9井安裝了一個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，我們設計了托桶，托桶側面設計有圓開口，用于傳輸壓力，將傳感器安裝于托桶上面，托桶和油管螺紋聯接，傳感器隨油管下到井下，井下傳感信號經專用鎧裝光纜傳輸到井口，由于井深很深需要多捆光纜續接，光纜和光纜連接處用專門連接器連接，到達井口位置用地面專用光纜接續盒轉地面光纜傳輸到中控室，之后對信號進行解調，經過計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之間壓力產生較大變化，最高達到24.5 MPa，和A9井生產監督聯系后得知，此間井口做過一次加壓;之后井下壓力值穩中有降，這是由于產氣量的變化導致的。

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118℃，這與井下環境有關;2014-01-11～2014-01-15之間，溫度下降，下降到105℃，這也與井下環境有關;2014-01-15之后井下溫度基本保持在105℃左右。

4 結語

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監測4個月且未出現故障，達到了使用要求。由于該傳感器串聯很難實現，目前只能進行單點測試，實現井下溫度壓力多點測試是我們以后的重點研究方向。

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