光纖溫壓監(jiān)測系統(tǒng)原理及其在油田的應(yīng)用

付威

（大慶油田信息技術(shù)公司軟件分公司，黑龍江 大慶 163000）

1 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展

近20多年來，光纖傳感器的發(fā)展有取代傳統(tǒng)傳感器的趨勢。光纖傳感器是集成光學技術(shù)發(fā)展的成果，與傳統(tǒng)意義上的的傳感器不同，它以光學的形式將被測信號的狀態(tài)讀出。利用半導(dǎo)體二極管等簡單元件可以進行光信號轉(zhuǎn)換，與一些電子裝備配合。此外，光纖不僅是一種敏感元件，還是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線，因此，光纖傳感器還可以用于傳統(tǒng)的傳感器所不適用的遠距離測量。

光纖傳感器出現(xiàn)以來，由于其具有的防火、防爆、精度高、損耗低、體積小、重量輕、壽命長、性價比高、復(fù)用性好、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、頻帶范圍寬、動態(tài)范圍大、易與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點而被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。

隨著石油開采技術(shù)的不斷發(fā)展，用于輔助石油開采的重要技術(shù)油井探測傳感光纜技術(shù)日益受到關(guān)注。在油井中最常用的是分布式傳感系統(tǒng)和光纖光柵傳感系統(tǒng)這兩類，在已經(jīng)商用這兩類系統(tǒng)中分布式傳感技術(shù)主要采用的是多模光纖，光纖光柵傳感技術(shù)主要采用的是單模光纖。國內(nèi)在低溫（300℃以內(nèi)）區(qū)間，光纖傳感器系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)已經(jīng)加載在采油系統(tǒng)中并對其進行自動控制，在高溫（300℃以上）的油井中，光纖傳感器系統(tǒng)仍然處在單系統(tǒng)試驗試用階段。其中哈爾濱工業(yè)大學研發(fā)的Well monitor系列井下參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)已實現(xiàn)了商業(yè)化，現(xiàn)場應(yīng)用達到31口井。國外方面已經(jīng)在高溫井監(jiān)測方面取得了進展，如美國Fiberguide公司研發(fā)生產(chǎn)的覆鋁光纖，英國Oxford Electronics公司研發(fā)生產(chǎn)的覆銅光纖工作溫度均可達到400℃以上。目前國外的研究熱點集中在耐溫超過600℃高溫的特種光纖方面。

2 光纖溫壓監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

2.1 光柵壓力計原理

地面寬帶光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過光纜傳輸?shù)絺鞲衅鞯墓鈻派希聣毫νP(guān)光柵作用在入射光上，改變其頻率，在將其反射回來，反射光順著光纜反向傳輸?shù)竭_光纖解調(diào)器，解調(diào)器將反射光中攜帶的信息解調(diào)出來，發(fā)送到地面顯示裝置，即可實現(xiàn)井下壓力的實時監(jiān)測。

光柵壓力計的作用就是傳導(dǎo)壓力和保護光柵。光纖光柵壓力計由光纖光柵與應(yīng)變桿組成；壓力膜片受到外界壓力變形致應(yīng)變桿發(fā)生變化，同時使光纖光柵工作波長發(fā)生漂移，通過測量波長漂移量來感知外界壓力。

溫度補償部分由另一光纖光柵制成，用于補償壓力測量部分光纖光柵波長隨溫度的移動。從而使整個傳感器性能不受溫度影響。

2.2 全分布式光纖溫度傳感器原理

光經(jīng)過分布式傳感光纖時會發(fā)生散射，產(chǎn)生斯托克斯光和反斯托克斯光，依據(jù)在測量終端接收到的反斯托克斯光在時間上的先后可確定其在光纖上的對應(yīng)位置，而兩者的光強比受散射區(qū)溫度影響，通過監(jiān)測光強比即可得到待測溫場的溫度分布。

3 壓力監(jiān)測系統(tǒng)室內(nèi)精度試驗

3.1 壓力精度檢測

將光纖壓力計通過密封接頭連接至加載實驗臺上，從0MPa開始加載，加載步長2MPa，根據(jù)標定曲線驗證測量精度。分別設(shè)定實驗臺加載壓力為4MPa、8MPa、12MPa，通過光柵解調(diào)儀得到壓力實測值，并計算誤差，如表1所示，壓力計精度在設(shè)計范圍（0.5%F.S）內(nèi)。

表1 壓力測量精度

3.2 溫度精度測試

將長度為5m左右的光纖溫度傳感器放置于加載實驗臺內(nèi)，控制實驗臺溫度逐漸上升至150℃。通過拉曼解調(diào)儀測量實驗臺內(nèi)光纖傳感器的溫度變化，如圖所示。實驗臺外的光纖溫度傳感器測量值接近室溫，在14℃左右，實驗臺內(nèi)的光纖溫度傳感器被加溫至設(shè)定值，溫度曲線上出現(xiàn)明顯臺階。

記錄實驗臺溫度設(shè)定值與拉曼解調(diào)儀測量值，計算測量誤差，如表2所示溫度誤差在設(shè)計范圍（±0.5℃）內(nèi)。

表2 拉曼解調(diào)儀測量誤差

4 壓力監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用試驗

4.1 試驗過程

在一口試油井中下入光纖監(jiān)測系統(tǒng)管柱152根，利用管柱攜帶光纖壓力計下井，隨后進行抽汲降低井下液面，對動液面進行了監(jiān)測。

4.2 試驗結(jié)果

4.2.1 精度檢驗

經(jīng)與電子壓力計數(shù)據(jù)對比光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)溫度精度在±0.5℃，壓力精度在0.5%F.S內(nèi)，符合設(shè)計要求（如表3、表4）。

表3 光纖壓力計與電子壓力計壓力數(shù)據(jù)對比

表4 光纖溫度傳感器與電子壓力計溫度數(shù)據(jù)對比

4.2.2 溫度剖面監(jiān)測動液面（如圖1）

圖1 利用溫度剖面測動液面

井筒液面降低后捆綁在油管外壁的光纖暴露在空氣中，由于空氣與液體的導(dǎo)熱性不同，導(dǎo)致溫度梯度曲線斜率發(fā)生變化，斜率變化處就是動液面。應(yīng)用該原理，利用全分布式光纖測溫系統(tǒng)對井內(nèi)液面進行了監(jiān)測。如表5所示第一次抽汲后電子壓力計顯示井內(nèi)液面為1271m。溫度剖面顯示液面在1246m處，兩者相差25m。通過下表試驗數(shù)據(jù)分析溫度剖面法測得的動液面誤差在每千米20m。

表5 溫度剖面法測得動液面與電子壓力計數(shù)據(jù)對比

5 存在問題及改進措施

5.1 存在問題

下入光纖監(jiān)測系統(tǒng)管柱時，下入140根管柱后兩只光纖壓力計信號丟失，溫度剖面顯示最底部的300m左右溫度數(shù)據(jù)丟失。起管過程中發(fā)現(xiàn)在光纖壓力計2的一分二分線器上部約3m位置出現(xiàn)了光纜破損，如圖2所示。

圖2 光纜破損

5.2 原因分析

油管底部未安裝扶正器，隨著下入深度的增大，底部油管容易晃動，導(dǎo)致光纜與套管剮蹭；一分二連接器尺寸較大（114m），再加上采用了光纖保護器進行固定，外徑進一步增大，容易與套管內(nèi)壁剮蹭，使得局部光纜彎曲。

5.3 改進措施

在安裝壓力計及一分二連接器部位加裝油管扶正器；改進一分二連接器結(jié)構(gòu)，減小徑向尺寸，避免剮蹭。

6 結(jié)語

光纖溫壓監(jiān)測系統(tǒng)綜合了傳光型(非功能型)傳感器，和傳感型(功能型)傳感器的特點，在一條光纜中布設(shè)了傳光和傳感光纖，實現(xiàn)了定點精確測量和分布式全面測量的結(jié)合。即既可以采用光柵壓力計測量定點壓力又可以利用分布式光纖傳感器測量溫度分布。實現(xiàn)了井下壓力、溫度的實時監(jiān)測。通過試驗對光纖壓力監(jiān)測系統(tǒng)的精度進行了檢測，系統(tǒng)精度符合設(shè)計要求。應(yīng)用溫度剖面測得的動液面數(shù)據(jù)誤差在允許范圍之內(nèi)。