探討光纖傳感器在石油測井中的應用

張亞旭

摘 要：石油測井屬于石油開發中最基本最重要的環節，其測井效果直接決定著油田開發的后續工作，所以有必要重視石油測井。傳統的石油測井方式得到的結果準確度較低，而且不穩定、成本大、效率低。為了解決這些問題，研發了一種光纖傳感器，這種傳感器具有體積小、穩定性強、準確率高、效率快、重量輕等優勢，于是能夠提高石油測井的效果。文章主要分析了光纖傳感器在石油測井中的應用，首先對光纖傳感器的工作原理進行分析，然后分析光纖傳感器在石油測井中的原理，最后分析光纖傳感器在石油測井中的幾種基本應用。希望有助于提高光纖傳感器在石油測井中的使用范圍。

關鍵詞：光纖傳感器;石油測井;應用

中圖分類號：TP212;TE151? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0127-05

Discussion on the Application of Optical Fiber Sensor in Oil Well Logging

Zhang Yaxu

（Yan an Vocational and Technical College， Yan an 716000， China ）

Abstract：Oil well logging is the most basic and important link in oil development， and its logging effect directly determines the follow-up work of oilfield development， so it is necessary to pay attention to oil well logging. The results obtained by traditional oil logging methods are not only less accurate， but also unstable， costly and inefficient. In order to solve these problems， an optical fiber sensor is developed， which has the advantages of small volume， strong stability， high accuracy， fast efficiency， light weight and so on， so it can improve the effect of oil logging. This paper mainly analyzes the application of optical fiber sensor in oil well logging， first analyzes the working principle of optical fiber sensor， then analyzes the principle of optical fiber sensor in oil well logging， and finally analyzes several basic applications of optical fiber sensor in oil well logging. Hope to help improve the application range of optical fiber sensor in oil logging.

Key words：optical fiber sensor; oil well logging; application

在石油工業中石油測井屬于非常重要的步驟，工作完成的好壞直接會影響到石油工業的后續進程，所以有必要重視石油測井工作。在石油測井過程中，需要利用先進的技術手段對相關參數進行測量和監控，比如流量、溫度和壓力等[1]。由于技術手段的不斷發展和更新，普通電子基傳感器已經不能適用于高要求的物理量測量，隨之產生了光纖傳感器，這種傳感器具有更加穩定的測量結果，對電磁的干擾非常小，所以該技術應用于石油測井中能夠獲得更加準確的物理量。文章為了提高石油測井的效率和質量，探討了光纖傳感器在石油測井中的應用。

1 光纖傳感器工作原理

光纖就是光導纖維，屬于光纖傳感器的核心部分，其主要組成部分有纖芯、包層和保護層，其中纖芯是一個細玻璃絲，具有比較高的折射，將光封閉到纖芯中，光將會以軸向進行傳播。由于在傳播過程中，光纖傳感器容易受到外界環境的影響，所以就會導致光在光纖中傳播時，其光波特征參數量就會發生變化，對這些變化的量進行檢測，于是就可以獲得相關的量。

有一種新型的光纖傳感器為光纖光柵傳感器，這種傳感器更加靈敏，能夠提高相關物理量的測量準確度。光纖光柵的結構和傳輸特性如圖1所示，主要利用Bragg光纖光柵的波長對相關參數具有非常敏感的特點，當光經過光纖光柵時，會存在不同的波長，其中滿足光纖光柵布拉格條件的波長就會產生反射，即稱為反射譜，其他的波長就會繼續往前傳輸，該波長稱為透射譜[2]。其中光纖光柵的透射譜或者反射譜會應為溫度、壓力和應變發生變化，通過對透射譜和反射譜的變化進行檢測，即可得到相關的壓力、溫度等物理量。

2 光纖傳感器在油田測井中的原理

在油田測井中會涉及到流量、溫度、壓力、密度等物理量的測量，對不同物理量使用光纖傳感器測量的原理也會存在差別。通過對這些原理的了解，能夠更加明白光纖維傳感器在油田測井中的應用。于是接下來將分別對不同的物理量測量原理進行分析。

（1）流量測量。光的特性在光纖傳輸過程中會受到流量因素影響使其發生變化，于是通過光的檢測方式將這個變化轉換為一種電信號，就可以對流體的流量進行測量，這屬于光纖流量計測量流量的工作原理[3-4]。與傳統的流量傳感器相比，使用光纖流量計對流量進行測量的準確度和靈敏度更高，而且還具有安全性高、穩定性強、質量輕、抗干擾能力強等特點。對流量進行測量的光纖傳感器的種類不止一種。多項流光纖流量計能夠對不同的量進行測量，比如溫度、流量和壓力等，然后通過這些信息數據的測量，能夠得到流體的各項流量。光纖多普勒流速計可以不需要對流體進行接觸，然后高精度測量其流量，這種光纖傳感器主要基于多普勒效應，通過測量頻差得到流體速度。光纖渦輪流量計是在傳統能能夠的流量計上進行改進，將其中多模光纖替代內磁式傳感器，從而具有更好的抗干擾能力[6]。這幾種光纖傳感器在測量流量時具有不同的特點，相比于傳統的流量測量方式獲得的結果更加準確。

（2）流體含水率和密度測量。油田測井中對流體的含水率和密度進行了解，能夠有利于產層特性的評價、油氣產量的提高等。傳統的測量儀器不能分辨高含水等問題，而光纖持率/密度傳感器應用于油田測井中能解決這些問題，而且測量精度較高。對于混合流體，由于其中每種流體折射率存在差別，所以綜合折射率會隨著油、水、氣的比例不同而發生不同的變化[7-8]。于是光纖傳感器在油田測井中測量密合和含水率時的原理是U型彎曲光纖的傳輸功率會隨著混合介質折射率不同而發生一定的變化，正式由于這種變化規律，于是通過使用光纖傳感器能夠對流體含水率和密度進行測量。

（3）流體溫度和壓力測量。在石油測井中對壓力和溫度進行測量屬于必不可少的環節，而且在工程的開挖過程中，井下的溫度和壓力都會發生變化，當深度越深時，溫度和壓力會隨之增加。由于傳統的測量方式可靠性比較弱，容易出現測量不準確等問題。通過使用光纖傳感器對溫度和壓力進行測量能夠發幅度提高測量精確度。井溫測井屬于生產測井方法中非常重要的測量方法之一，能夠在油田開發中發揮不同的作用，比如產出層的劃分、漏失情況判斷、壓后評估等。如今常用的井下溫度測量儀的類型比較多，比如電阻式溫度儀、石英晶體溫度傳感器、熱電偶溫度儀等;同樣壓力測量也非常必要，屬于油田測井中的基礎測量參數，常用的壓力計有石英晶體壓力計和應變壓力計等。這些溫度測量儀器和壓力計都存在自身的優缺點，需要根據油田測井的實際情況進行選擇，并且都存在測量精度不夠、安裝較為復雜等問題。由于光纖傳感器不需要設置井下電子線路，所以在安裝比其他的傳感器更加方面，而且光纖傳感器的體積小、抗干擾能力強，對井下溫度和壓力的測量更加精準，于是相比于其他的傳感器，將光纖傳感器應用于井下溫度和壓力的測量更為合適。

光纖傳感器在油田測井中進行溫度和壓力測量的種類有分布式光纖測量系統、半導體吸收式光纖溫度傳感器、光纖熱色溫度傳感器、光纖輻射式溫度傳感器等，每種傳感器的工作原理不同，使用性能也會存在差別。其中分布式光纖測量系統主要是使用光纖向后拉曼散射的溫度效應，于是能夠對現場的溫度進行實時監測，在分布式光纖測量系統中存在不同型號的傳感器，其中FBG型、EFPI型光纖傳感器屬于一種波長編碼型傳感器，這種傳感器能夠對多個參量進行測量，比如壓力、應力和溫度等，而且其測量準確度較高、靈敏度高。半導體吸收式光纖溫度傳感器的工作原理就在于其半導體材料的吸收波邊長會隨著溫度的變化而變化，當溫度升高時，吸收邊波長會向較長波長位移，在選擇半導體發光二極管時，需要選擇合適的二極管，從而能夠滿足光譜范圍正好在吸收邊的區域，于是當溫度升高時，光強會隨之降低，于是可以根據這種變化測量出溫度[9-10]。光纖熱色溫度傳感器屬于一種發射式溫度傳感器，其中主要由白光源、多模光纖組成。光纖輻射式溫度傳感器屬于一種性能優異的傳感器，其中主要使用黑體輻射能量對溫度進行測量，不需要接觸就可以測量，并且具有響應速度快、測量準確等優勢，能夠對高溫進行測量。

（4）聲波測量。由于鉆井環境變得更加復雜，需要對其進行深入測量才能夠得到準確的地層構造圖，當前使用的地質測量方式雖然能夠得到相關的測量，但是這種方式容易受到環境的約束、作業成本較高，而且難以實現油藏動態監測。但是通過使用光纖地震檢波器系統能夠解決上述問題，使用安裝較為方便，最重要的是能夠獲得更加準確的結果。光纖傳感器進行聲波測量時，其主要原理在于地震波在傳播過程中，由于介質的不同，地震波的波形就會發生變化，于是通過這種變化，就可以判斷地層積序列和沉積構造。對聲波測量的方式有垂直地震剖面測井技術、永久井下光纖三分量地震測量等，其中垂直地震剖面測井技術簡稱VSP地震測井，這種方式就是將檢波器放到井中，然后在地面上發出地震波，或者使用井中流體流動產生的微振動，產生振動波之后，井下的接收器將會接收到信號，通過對這些信號進行分析，即可獲得聲波測量。永久井下光纖三分量地震測量相對于很多聲波檢測方式具有更好的靈敏度和方向性，最后獲得結果精度很高，而且還具有測量范圍非常廣泛、穩定性較強，安裝靈活等優勢[11]。

（5）伽馬射線測量。在油田測井中使用自然伽馬測井屬于非常基本的方式，通過使用伽馬射線探測器沿著井眼進行測量，由于地層具有放射性，并且地層在不斷的開挖過程中放射性物質會出現異常，于是通過自然伽馬測井能夠獲得伽馬射線測量，即伽馬測井曲線，該曲線的主要作用能夠對巖性進行劃分，對地層進行對比、對泥質含量進行獲取、對射孔進行跟蹤定位等，其作用非常多，所以能夠在油田測井中發揮重要作用。傳統的核傳感器在油田測井中的應用效果比較差，而且價格昂貴、使用時間短、穩定性較差。但是通過使用激光光纖傳感器能夠解決上述問題，這種傳感器通過使用光致損耗和光致發光等物理效應，所以相比于上述的探測器具有更多的優勢。激光光纖核傳感器的主要優勢有：①有利于提高傳感器的使用壽命;②穩定性更強，不會受到磁場的干擾;③傳感頭的體積非常小，使用更加方便;④通過光纖傳輸，具有更快的傳輸速度和更大的容量;⑤能夠實現多點探測，測量精度較高。

激光光纖核傳感器作為一種激光傳感器，在油田測井中的優勢非常明顯，能夠實現伽馬射線測量，有利于油田測井的開展。

3 光纖傳感器在油田測井中的應用

中國對光纖傳感器的研發相對于國外較晚，發展至今，已經能夠在油田測井使用光纖傳感器發揮測井作用，尤其在國外，很多油田井中已經安裝了永久性光纖傳感器，能夠對流量、壓力和溫度等指標進行實時在線監測，所以相對于國外，中國對光纖傳感器的研究還需要進行深入，爭取能夠在更多的油田中發揮實際應用效果。通過綜合國內外對光纖傳感器在油田測井中應用，主要應用有對油田測井中的溫度、流量、持氣率、壓力、含水率等參數進行測量，上文中主要對光纖傳感器在油田測井中的工作原理進行了分析，該應用原理在一定程度上能夠反映出光纖傳感器在油田測井中的應用。本文為了更加清楚明了的分析油田測井中光纖傳感器的應用，于是接下來將對光纖傳感器的具體應用進行分析。

（1）應用于含水率測量。光纖傳感器能夠對油田測井中含水率進行測量，并且相比于傳統的電容測量法具有更加準確的測量結果，另外，光纖傳感器的功能更加多，不僅能夠對含水率進行測量，還能夠對油和氣的持率進行測量。油田測井中對含水率的準確測量有利于油田的開發，降低油田開發的危險性。所以通過在油田測井中使用光纖傳感器之后將更有助測量結果。光纖傳感器屬于一個復雜的系統，其基本組成結構如圖2所示，光纖傳感系統對含水率進行測量時，其光源使用半導體激光器通過聚焦纖維透鏡將光注入到光纖中，然后系統會依據光纖的彎曲損耗原理，最后實現對油田測井的含水率進行計算。

（2）應用于持氣率測量。在油田測井中，持氣率屬于油田生產剖面評價的一個重要流動參數，有助于找準產水層位，能夠提高油氣產量，所以提高持氣率的測量結果至關重要。持氣率是管內單位體積的液體流動懸持的氣體體積。使用光纖傳感器對持氣率進行測量時，其中需要使用一個對液體光學指數敏感的光傳感器來完成。然后將光纖傳感器應用石油測井中測量持氣率時的光學系統示意圖如圖3所示，從圖中可以看出，光源為發光二極管發射，然后進入一根光纖中，最終傳送到藍寶石探頭中。在這樣一個系統中，即可通過光纖測量持氣率，并且相比于其他的測量方式，采用光纖傳感器不僅安裝簡單、成本較低，而且還可以提高持氣率測量的準確度，所以在油田測井中使用光纖傳感器更為合適。

（3）應用于溫度、壓力測量。由于光纖傳感器中的光纖Bragg光柵只會反射Bragg波長光，所以該光柵能夠有Bragg反射濾波片的用途，不會受到其他波長光的影響，然后Bragg波長存在一個特點，就是與外界溫度、壓力的變化成正比關系，即當外界溫度或者壓力不斷增大時，Bragg波長也會隨著增加，通過這種特點，就可實現油田測井中溫度和壓力的測量。使用這種傳感器應用于油田測井中最重要的優勢在于Bragg波長和光纖應變之間存在一一對應的關系，于是就可以通過這種特點精確測量出應變[12]。比如，當一個峰值波長設置為1535.05nm時，溫度從25℃升高到35℃，傳感器的峰值波長會增加到1535.15nm，如圖4所示，從而可說明波長和溫度之間的變化關系[13]。

（4）應用于聲波測量。光纖傳感器中的光纖水聽器主要應用于聲波測量，光纖水聽器的種類不止一種，其中干涉型光纖水聽器的測量靈敏度最好，所以將其應用到油田測井中的效果更好。光纖聲波傳感器還具有其他優勢，比如能夠提高聲波探測的徑向深度和軸向測量分辨率，能夠提高聲波測量的可靠性、實現多探頭列陣探測等優勢。但是在使用這種傳感器時，由于其中的探測頻率為50Hz～3kHz，所以光纖聲波傳感器還需要進一步深入研究和設計。光纖聲波傳感器的一般結構如圖5所示，這種設計方式主要優勢在于使用光纖bragg光柵F-P結構，將該結構作為聲波敏感單元能夠提高測量分辨率、提高診斷能力、擴展聲波測井的技術等優勢，進而能夠在油田測井中實現更好的應用效果。

4 結語

綜上所述，相比于傳統的傳感器，光纖傳感器能夠對溫、壓力、聲波、含水率、持氣率等指標進行測量，這些指標在油田井的開發中至關重要，直接決定著油田井的施工效果和油井開采量，所以通過文章研究的光纖傳感器能夠提高對這些測量指標的準確度，所以最終會有利于油田的開采效果。由于中國對光纖傳感器的研究較晚，導致光纖傳感器還沒能全面的進行使用，在一定程度上限制了油田測井的效果。于是在今后的研究中，為了進一步提高中國油田的開采效率，有必要深入研究光纖傳感器，并將其廣泛應用到油田測井中。

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