侯倩,龐偉,吳梓楠,代志勇

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京100101;2.電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都610054)

0 引 言

在石油資源勘探與開發(fā)過程中,常常利用磁定位測量井下工具的相對位置,檢驗井下工具下入的深度與設(shè)計位置誤差,及時調(diào)整下井管柱,保證作業(yè)質(zhì)量。當測井裝置沿井筒移動時,由于井筒內(nèi)套管接箍、封隔器、配產(chǎn)器、配水器、導(dǎo)錐等內(nèi)徑和管壁厚度的變化,導(dǎo)致測井裝置周圍介質(zhì)中的磁力線重新分布,測井裝置利用磁場傳感器感應(yīng)這種磁場變化,即可實現(xiàn)工具位置的測定。

傳統(tǒng)磁定位測井裝置采用電子原器件實現(xiàn),其核心部分是1個線圈和2塊永磁鐵,永磁鐵放置于線圈2側(cè),均以N極靠近線圈。當通過線圈的磁通量發(fā)生變化時,在線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢[1],通過信號處理分析工具的位置。傳統(tǒng)的磁定位測井裝置抗電磁干擾能力差、靈敏度不夠高[2],并且信號受套管尺寸影響較大,接箍不明顯甚至丟失,其根本原因是這種測量磁場變化的方法所致。

光纖傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾、響應(yīng)速度快的顯著優(yōu)勢,能在高溫、高壓、強電磁干擾等惡劣環(huán)境下長期有效工作[3-4]。已有文獻報道將光纖與磁致伸縮材料粘合,當磁場作用于磁致伸縮材料時,其長度發(fā)生改變,帶動其上的光纖發(fā)生改變,使得光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ匦宰兓?通過對光波特性變化的分析,可實現(xiàn)磁場大小的測量,其理論磁場感應(yīng)強度探測靈敏度可達到1.6×10-12Gs[5]。

本文研制了一種基于寬帶啁啾光柵(LCFBG)F-P腔,結(jié)合超磁致伸縮材料的光纖傳感磁定位測井裝置。利用2個光柵長度為8 mm的寬帶啁啾光柵串,間隔3 mm構(gòu)成全光纖F-P腔,并將其封裝固定在超磁致伸縮材料管內(nèi)。在磁場作用下,光纖F-P腔的腔長發(fā)生改變,導(dǎo)致其輸出的反射光譜特性變化,由其輸出光譜特性曲線可解調(diào)得到有效腔長,進而實現(xiàn)微弱的磁場變化測量。一方面因采用寬帶啁啾光柵構(gòu)成光纖F-P腔,可以像平行平面鏡構(gòu)成的F-P腔一樣,利用其反射光譜特性解調(diào),不僅解調(diào)方法簡單,測量精度高,而且可實現(xiàn)單端測量,適合油井井下磁定位測量;另一方面井下測井裝置為全光纖結(jié)構(gòu),傳感器穩(wěn)定性好,滿足井下高溫、高壓的工作環(huán)境要求。實驗測試表明該測井裝置的磁場測量相位靈敏度為1.57 rad/μT,磁場平均測量誤差為0.43 μT。經(jīng)過多種尺寸的套管接箍定位測試實驗驗證了其用于油氣井井下磁定位測量的可行性。

1 啁啾光柵F-P磁敏感結(jié)構(gòu)

啁啾光柵是一種特殊結(jié)構(gòu)的光纖光柵,其光柵周期隨軸向發(fā)生變化,即光纖光柵不同位置的布拉格波長不同,相比于普通的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG),可以響應(yīng)更多的光波長,從而構(gòu)成寬帶反射[6-11]。因此,啁啾光柵的布拉格波長λB不是一個常數(shù),可表示為

λB(z)=2neff(z)Λ(z)

(1)

式中,Λ為光柵周期;neff為光柵有效折射率。

全光纖啁啾光柵F-P腔通過在同一段光纖中連續(xù)寫入2個相同的啁啾光纖光柵構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 啁啾光纖光柵F-P腔示意圖

啁啾光柵F-P腔的磁場傳感的原理分析可采用分段傳輸矩陣法,即將非均勻的光纖光柵看作是由m小段光纖光柵級聯(lián)構(gòu)成的,并且把每一小段光柵看作是近似均勻的,將每段準均勻光柵的傳輸矩陣相乘,得到整段非均勻光柵的傳輸矩陣。再利用傳輸矩陣法,將構(gòu)成F-P腔的2個LCFBG單元的傳輸矩陣相乘,即可得到F-P腔的傳輸特性。其第i段光纖光柵的傳輸矩陣Fi可以表示為

(2)

(3)

式中,λD=2nneffΛ為第i段光柵的布拉格波長,nm;Δneff為折射率的調(diào)制深度;C為啁啾系數(shù),nm/cm;γ為光纖非線性系數(shù)。

F-P腔的輸出傳輸矩陣為

(4)

式中,P=exp(-iβh),β=2nπ/λ為傳播常數(shù);n、λ分別為纖芯的折射率和真空波長;h為F-P腔的腔長,mm;ρ1、ρ2分別為LCFBG1和LCFBG2的反射系數(shù);τ1、τ2分別為LCFBG1和LCFBG2的透射系數(shù);R、S分別為前向傳輸模式和后向傳輸模式。

由于設(shè)計中采用的啁啾光纖光柵具有很低的反射率(R?1),論文中采用的啁啾光纖光柵的反射率為8%,因此,反射的干涉光的輸出光強表達式可表示為

(5)

設(shè)干涉輸出條紋的第m級和第m+n級極大值處對應(yīng)的波長分別為λm和λm+n,有如下關(guān)系

(6)

根據(jù)式(6)可以得到腔長h的表達式

(7)

依據(jù)式(7),通過對反射的干涉光譜解調(diào),就可以得到腔長h。將啁啾光柵F-P腔封裝在超磁致材料管內(nèi),即構(gòu)成磁敏感結(jié)構(gòu)。當啁啾光柵F-P磁敏感結(jié)構(gòu)通過井下套管接箍時,磁通量發(fā)生改變,導(dǎo)致啁啾光柵F-P腔長變化,則可測量出該處的磁場變化量。

從上面分析可看出,啁啾光柵F-P腔的反射光譜特性與其腔長相關(guān),通過光譜檢測啁啾光柵F-P腔的腔長變化,就可實現(xiàn)光纖FBG的F-P傳感。但直接光譜檢測法的靈敏度低,無法體現(xiàn)其高靈敏度的磁場傳感性能。因此需要采用高精確度光波相位解調(diào)來實現(xiàn)微弱磁場信號的解調(diào),即用更精細的光波相位檢測磁場作用下啁啾光柵F-P腔長的微小變化,實現(xiàn)高靈敏度的磁場傳感[12-13]。啁啾光柵F-P腔傳輸?shù)墓獠ㄏ辔坏淖兓杀硎緸?/p>

(8)

2 光纖傳感磁定位測井裝置

2.1 光纖磁場傳感結(jié)構(gòu)

圖2 光纖磁敏感頭結(jié)構(gòu)

光纖磁定位測井裝置的磁場傳感結(jié)構(gòu)由永磁鐵和光纖磁敏感頭組成,其中光纖磁敏感頭結(jié)構(gòu)見圖2。光纖磁敏感頭結(jié)構(gòu)是在一根光纖上間隔不同的長度刻寫2個啁啾光柵,從而構(gòu)成一個啁啾光纖光柵F-P腔。啁啾光纖光柵F-P腔通過粘貼封裝在一根超磁致伸縮材料管中[14-15]。在實際應(yīng)用中,推薦使用激光焊接的方式,可以進一步提升其測量穩(wěn)定性。2個啁啾光柵長度8 mm,邊緣間隔3 mm,反射率8%。2塊永磁鐵分別放置于光纖磁敏感頭的兩側(cè),均以N極靠近光纖磁敏感頭,構(gòu)成光纖磁場傳感結(jié)構(gòu)。當磁定位測井裝置通過井下套管接箍時,磁致伸縮管周圍磁通量發(fā)生變化,磁致伸縮管的伸縮作用會使啁啾光柵F-P腔的腔長發(fā)生改變,導(dǎo)致啁啾光柵F-P腔輸出的干涉光信號相位發(fā)生改變,通過相位解調(diào)技術(shù),精確計算出磁場的大小,并實現(xiàn)井下接箍的精確定位。

2.2 光纖傳感磁定位測井系統(tǒng)

光纖傳感磁定位測井系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖3。為了提高磁場信號的探測靈敏度,系統(tǒng)中使用了光譜分析模塊獲取其反射干涉光譜,并采用條紋計數(shù)法進行干涉光譜信號處理,解調(diào)腔長,實現(xiàn)磁定位測量[16]。

圖3 磁定位測井光纖磁場傳感系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 磁場探測靈敏度測試實驗

為了對上述光纖磁場傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度進行測試,設(shè)計了相應(yīng)磁場測試實驗系統(tǒng)(見圖4)。

圖4 光纖磁場傳感器磁場測試系統(tǒng)

該系統(tǒng)工作方式:寬帶光源發(fā)出的信號光經(jīng)過耦合器傳輸?shù)竭惫饫w光柵F-P腔中,當通電螺線管通電時產(chǎn)生可調(diào)節(jié)磁場。由于超磁致伸縮材料的伸縮使光柵F-P腔產(chǎn)生縱向應(yīng)變,進而引起光柵F-P腔長變化,導(dǎo)致其反射干涉光譜變化,利用光譜分析儀對反射干涉光譜進行采集,通過嵌入式計算機對該光譜信號處理,解調(diào)腔長,最終實現(xiàn)對磁場的測量。

實驗中的磁場信號是由通電螺線管產(chǎn)生的,磁場強度的大小可以通過控制通電螺線管中的電流進行調(diào)節(jié),磁場從0 μT開始,每隔10 μT記錄1次光譜數(shù)據(jù),直到80 μT為止。在磁場從0 μT增大至80 μT的過程中,F-P傳感器腔長從18.365 0 mm伸長至18.375 9 mm。磁場每增大10 μT,腔長的平均伸長量為1.35 μm。在整個實驗中,為減少系統(tǒng)誤差,磁場的產(chǎn)生與測量都是在恒溫、恒壓的環(huán)境中進行的。磁場探測實驗中測量的結(jié)果與標定值的關(guān)系見圖5。通過微弱磁場探測實驗,可以計算得到該光纖光柵F-P腔傳感器系統(tǒng)的相位靈敏度為1.57 rad/μT。經(jīng)過計算,得到平均測量誤差為0.43 μT。

圖5 測量結(jié)果與標定值對比

3.2 套管接箍定位測試實驗

將3根長度均為3 m的3.5 in(1)非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管對接形成擁有4個接箍的組合套管。對該組合套管用光纖傳感磁定位測試系統(tǒng)進行測試,接箍定位測試結(jié)果見圖6。測試結(jié)果圖從上到下共有4個明顯的突變信號,其中第1個和第4個分別為磁定位傳感探頭進、出套管兩端接箍時產(chǎn)生,中間2個突變信號為探頭經(jīng)過中間2個接箍時產(chǎn)生,多次重復(fù)均能得出上述實驗結(jié)果。由于測試的套管并非新套管,存在腐蝕生銹的情況,在測試結(jié)果中出現(xiàn)微弱的干擾信號,但接箍信號能明顯區(qū)別于其他干擾信號,實現(xiàn)了對小尺寸套管接箍位置的有效定位測量。

圖6 3.5 in套管4個接箍測試結(jié)果

為驗證大尺寸套管接箍位置的定位能力,將2根長度均為9 m的7 in套管對接形成擁有3個接箍的組合套管。對該組合套管用光纖傳感磁定位測試系統(tǒng)進行測試,接箍定位測試結(jié)果見圖7。盡管7 in套管內(nèi)徑較大,但測試結(jié)果表明,光纖傳感磁定位測試系統(tǒng)在組合套管入口、接箍、出口位置時得到了明顯的突變信號,實現(xiàn)了對大尺寸套管接箍位置的有效定位測量。

圖7 7 in套管三接箍測試實驗結(jié)果

從圖6和圖7中可以看出,測試得到的接箍突變信號曲線并不是完全對稱分布,分析原因可能是光纖傳感磁定位探頭在套管中并不是完全居中導(dǎo)致的。

需要說明的是,上述實驗結(jié)果是在常溫下測量得到的。進一步采用耐高溫光纖光柵(長期工作溫度350 ℃)結(jié)合高強度金屬外殼封裝,該光纖傳感磁定位探頭可滿足高溫高壓井下測量環(huán)境使用。由于該光纖傳感磁定位探頭是利用F-P腔的腔長變化量來測量,而外界溫度只會使兩光柵的反射波長發(fā)生偏移,并導(dǎo)致解調(diào)時F-P腔反射光譜整體發(fā)生移動,但對于其腔長的變化沒有影響。因此,即使在高溫環(huán)境下,也不會影響測量的精準度。

4 結(jié) 論

(1)因傳統(tǒng)磁定位測井測量儀存在受電磁干擾大、靈敏度不夠高等問題,本文研制了一種寬帶啁啾光柵F-P腔,結(jié)合超磁致伸縮材料的光纖傳感磁定位測井裝置。該測井裝置的磁場測量相位靈敏度為1.57 rad/μT,磁場平均測量誤差為0.43 μT。

(2)對3.5 in組合套管和7 in組合套管接箍位置的測量結(jié)果表明,該測井裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對套管接箍位置的有效定位測試。

(3)利用其磁場探測靈敏度高、抗外界干擾能力強,傳感光路為全光纖結(jié)構(gòu),適合井下測量的惡劣環(huán)境(高溫、高壓)等技術(shù)特點,可進一步研制實用化的磁定位測井裝置。