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        油井下用光纖溫度壓力傳感器

        2014-12-03 08:07:44趙慶超郭士生李舜水劉嘉
        山東科學(xué) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:光柵波長(zhǎng)光纖

        趙慶超,郭士生,李舜水,劉嘉

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

        在油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,必須進(jìn)行井下溫度、壓力和聲波等參數(shù)的測(cè)試[1],了解油氣井在生產(chǎn)過(guò)程中井內(nèi)流體的特性與狀態(tài)的詳細(xì)資料,從而優(yōu)化生產(chǎn)、提高油氣采收率和產(chǎn)量,同時(shí)降低成本。在油田測(cè)試中,井下壓力、溫度參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的,但油氣井下的環(huán)境極其復(fù)雜,大多高溫、高壓且具有腐蝕性。目前國(guó)內(nèi)的油井,例如中海油,大多使用電子傳感器測(cè)量井下的溫度、壓力等參數(shù),傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境中工作,容易被腐蝕而失準(zhǔn)。光纖傳感器具有精度高、體積小、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[2-3],集傳感與信號(hào)傳輸于一體,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與監(jiān)控。目前,國(guó)外油氣井下多采用光纖溫度壓力傳感器,但是對(duì)我國(guó)存在技術(shù)壁壘。國(guó)內(nèi)光纖溫度壓力傳感器也初步應(yīng)用于油井測(cè)試中,但井下壓力和溫度的測(cè)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(cè)試中容易產(chǎn)生蠕變,從而使測(cè)試失準(zhǔn)。

        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(jiān)測(cè)油氣井下的壓力和溫度。由于該傳感器壓力測(cè)量是基于F-P腔,可以很好地解決膠粘在壓力測(cè)試中的蠕變問(wèn)題。該傳感器已應(yīng)用于工程實(shí)踐中,實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)井下壓力和溫度狀況,至今正常運(yùn)行。

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

        1 傳感器設(shè)計(jì)

        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(gè)平行的光學(xué)平面構(gòu)成的光學(xué)諧振腔,其原理見(jiàn)圖1,d為兩個(gè)反射面之間的間距(即腔長(zhǎng)),n為腔內(nèi)介質(zhì)的折射率,i為光線(xiàn)在入射界面的折射角。當(dāng)一束平面光波以一定角度從一側(cè)入射后,在入射界面產(chǎn)生反射和透射,而入射到腔內(nèi)的光線(xiàn)也不斷地在兩個(gè)界面上產(chǎn)生反射和透射,振幅和強(qiáng)度被一次一次地分割,最終形成圖中入射光學(xué)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(diào)儀解調(diào)出F-P腔腔長(zhǎng)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(nèi)介質(zhì)[7]。

        1.1.2 光纖Bragg光柵基本原理

        用強(qiáng)度在空間上周期變化的強(qiáng)紫外線(xiàn)激光照射摻鍺光纖就可在纖芯內(nèi)、沿軸向形成一個(gè)折射率周期變化的光柵,當(dāng)一束寬光譜光通過(guò)FBG時(shí),F(xiàn)BG反射回一束單色光,波長(zhǎng)λ滿(mǎn)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(yīng)變狀態(tài)有關(guān),所以波長(zhǎng)λ隨溫度和應(yīng)變變化而變化。

        研究表明,溫度和應(yīng)變引起的光纖光柵波長(zhǎng)變化可表示為[10-11]

        1.2 光纖溫度壓力傳感器設(shè)計(jì)

        本文所設(shè)計(jì)的光纖溫度壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)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(nèi)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(jié)玻璃管外端,玻璃管熔化便形成熔接點(diǎn)1、5,第一裸光纖2和第二裸光纖4兩端面構(gòu)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(tài),用高溫膠將光柵8粘于基座6上面,7、9為膠粘合點(diǎn)。傳感器外觀(guān)圖見(jiàn)圖3。

        圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure diagram of the sensor

        圖3 傳感器外觀(guān)圖Fig.3 Outline of the sensor

        封裝基座6和金屬套管11通過(guò)金屬變形密封連接,壓力通過(guò)金屬套管11的開(kāi)口進(jìn)入管內(nèi),當(dāng)玻璃管受到壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形,致使F-P腔大小產(chǎn)生變化,假設(shè)玻璃管外徑為r0、內(nèi)徑為r1,F(xiàn)-P腔腔長(zhǎng)的變化ΔG與壓強(qiáng)P之間的關(guān)系可表示為[12]

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

        由于光柵封裝時(shí)為完全松弛且稍有彎曲狀態(tài),所以光纖光柵的軸向應(yīng)變對(duì)光柵波長(zhǎng)變化無(wú)影響,式(2)可表示為

        圖4 測(cè)試裝置示意圖Fig.4 Illustration of the test device

        2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試與分析

        本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置見(jiàn)圖4,包括加壓裝置、加溫裝置和信號(hào)解調(diào)裝置。加壓裝置用上海閔榆實(shí)業(yè)有限公司的標(biāo)準(zhǔn)寬量程活塞式壓力計(jì),導(dǎo)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(chǎng)的遠(yuǎn)紅外鼓風(fēng)干燥箱,信號(hào)解調(diào)儀采用MOI光纖光柵傳感解調(diào)儀。

        MOI解調(diào)儀解調(diào)后的傳感器反射光譜見(jiàn)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(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí),尖角部分尖點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)發(fā)生變化,通過(guò)式(4)即可算出溫度值;當(dāng)壓力發(fā)生變化時(shí)波浪部分波峰和波谷所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)發(fā)生變化,通過(guò)采集波峰或波谷所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng),然后經(jīng)過(guò)一定運(yùn)算,算出F-P腔的腔長(zhǎng)變化,然后通過(guò)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(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試Fig.6 Test for the long-term stability of the F-P cavity

        此類(lèi)傳感器在油田的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)應(yīng)用中,穩(wěn)定性至關(guān)重要,而油井井底溫度大都高于100℃,本文以編號(hào)為2013011501的傳感器為例進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試,由于當(dāng)時(shí)解調(diào)儀軟件的原因只對(duì)F-P腔腔長(zhǎng)進(jìn)行了解調(diào),測(cè)試結(jié)果見(jiàn)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(cè)試3個(gè)月,F(xiàn)-P腔腔長(zhǎng)值只變化了幾個(gè)納米,由此可見(jiàn)該傳感器的壓力測(cè)試滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定性的要求。

        加溫裝置分別設(shè)置150℃、165℃和120℃,不加壓,對(duì)編號(hào)為2013072203的傳感器進(jìn)行測(cè)試,傳感器光柵波長(zhǎng)變化見(jiàn)圖7。

        圖7 光柵波長(zhǎng)變化Fig.7 Wavelength change of the grating

        由圖7可以看出,光柵的波長(zhǎng)隨溫度變化而變化,響應(yīng)明顯;在3個(gè)溫度值恒溫時(shí)基本沒(méi)變化,穩(wěn)定性很好;依據(jù)公式(4)采用相應(yīng)的算法算出的溫度值與實(shí)際溫度值一致,準(zhǔn)確性好。

        傳感器測(cè)試裝置中加溫裝置設(shè)置150℃,加壓裝置設(shè)置0~51 MPa,用信號(hào)解調(diào)裝置解調(diào)出F-P腔腔長(zhǎng)值,以編號(hào)為2013072203的傳感器為例進(jìn)行壓力標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果見(jiàn)圖8。

        圖8 壓力標(biāo)定Fig.8 Pressure calibration

        經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析,溫度對(duì)F-P腔腔長(zhǎng)的變化影響很小,溫度變化1℃腔長(zhǎng)變化1 nm,可以忽略不計(jì),為更加精確,本文對(duì)F-P腔腔長(zhǎng)值進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。對(duì)壓力進(jìn)行標(biāo)定,壓力與腔長(zhǎng)的關(guān)系為y=-253.684 104x+117 026.531 461,其線(xiàn)性擬合度為 0.999 999。

        3 傳感器工程應(yīng)用

        2013年9月底在中國(guó)春曉油田天外天平臺(tái)A9井安裝了一個(gè)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?cè)O(shè)計(jì)了托桶,托桶側(cè)面設(shè)計(jì)有圓開(kāi)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(lián)接,傳感器隨油管下到井下,井下傳感信號(hào)經(jīng)專(zhuān)用鎧裝光纜傳輸?shù)骄?,由于井深很深需要多捆光纜續(xù)接,光纜和光纜連接處用專(zhuān)門(mén)連接器連接,到達(dá)井口位置用地面專(zhuān)用光纜接續(xù)盒轉(zhuǎn)地面光纜傳輸?shù)街锌厥?,之后?duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào),經(jīng)過(guò)計(jì)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(chǎn)生較大變化,最高達(dá)到24.5 MPa,和A9井生產(chǎn)監(jiān)督聯(lián)系后得知,此間井口做過(guò)一次加壓;之后井下壓力值穩(wěn)中有降,這是由于產(chǎn)氣量的變化導(dǎo)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(dá)118℃,這與井下環(huán)境有關(guān);2014-01-11~2014-01-15之間,溫度下降,下降到105℃,這也與井下環(huán)境有關(guān);2014-01-15之后井下溫度基本保持在105℃左右。

        4 結(jié)語(yǔ)

        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(wú)源,安全可靠,可以很好地解決電子傳感器易受井下環(huán)境腐蝕的問(wèn)題。到目前為止,該光纖溫度壓力傳感器已在井下連續(xù)監(jiān)測(cè)4個(gè)月且未出現(xiàn)故障,達(dá)到了使用要求。由于該傳感器串聯(lián)很難實(shí)現(xiàn),目前只能進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試,實(shí)現(xiàn)井下溫度壓力多點(diǎn)測(cè)試是我們以后的重點(diǎn)研究方向。

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