張亞旭

摘 要：石油測(cè)井屬于石油開發(fā)中最基本最重要的環(huán)節(jié)，其測(cè)井效果直接決定著油田開發(fā)的后續(xù)工作，所以有必要重視石油測(cè)井。傳統(tǒng)的石油測(cè)井方式得到的結(jié)果準(zhǔn)確度較低，而且不穩(wěn)定、成本大、效率低。為了解決這些問題，研發(fā)了一種光纖傳感器，這種傳感器具有體積小、穩(wěn)定性強(qiáng)、準(zhǔn)確率高、效率快、重量輕等優(yōu)勢(shì)，于是能夠提高石油測(cè)井的效果。文章主要分析了光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用，首先對(duì)光纖傳感器的工作原理進(jìn)行分析，然后分析光纖傳感器在石油測(cè)井中的原理，最后分析光纖傳感器在石油測(cè)井中的幾種基本應(yīng)用。希望有助于提高光纖傳感器在石油測(cè)井中的使用范圍。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;石油測(cè)井;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP212;TE151? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(yè)中石油測(cè)井屬于非常重要的步驟，工作完成的好壞直接會(huì)影響到石油工業(yè)的后續(xù)進(jìn)程，所以有必要重視石油測(cè)井工作。在石油測(cè)井過(guò)程中，需要利用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)控，比如流量、溫度和壓力等[1]。由于技術(shù)手段的不斷發(fā)展和更新，普通電子基傳感器已經(jīng)不能適用于高要求的物理量測(cè)量，隨之產(chǎn)生了光纖傳感器，這種傳感器具有更加穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果，對(duì)電磁的干擾非常小，所以該技術(shù)應(yīng)用于石油測(cè)井中能夠獲得更加準(zhǔn)確的物理量。文章為了提高石油測(cè)井的效率和質(zhì)量，探討了光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用。

1 光纖傳感器工作原理

光纖就是光導(dǎo)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(hù)層，其中纖芯是一個(gè)細(xì)玻璃絲，具有比較高的折射，將光封閉到纖芯中，光將會(huì)以軸向進(jìn)行傳播。由于在傳播過(guò)程中，光纖傳感器容易受到外界環(huán)境的影響，所以就會(huì)導(dǎo)致光在光纖中傳播時(shí)，其光波特征參數(shù)量就會(huì)發(fā)生變化，對(duì)這些變化的量進(jìn)行檢測(cè)，于是就可以獲得相關(guān)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(guān)物理量的測(cè)量準(zhǔn)確度。光纖光柵的結(jié)構(gòu)和傳輸特性如圖1所示，主要利用Bragg光纖光柵的波長(zhǎng)對(duì)相關(guān)參數(shù)具有非常敏感的特點(diǎn)，當(dāng)光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，會(huì)存在不同的波長(zhǎng)，其中滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生反射，即稱為反射譜，其他的波長(zhǎng)就會(huì)繼續(xù)往前傳輸，該波長(zhǎng)稱為透射譜[2]。其中光纖光柵的透射譜或者反射譜會(huì)應(yīng)為溫度、壓力和應(yīng)變發(fā)生變化，通過(guò)對(duì)透射譜和反射譜的變化進(jìn)行檢測(cè)，即可得到相關(guān)的壓力、溫度等物理量。

2 光纖傳感器在油田測(cè)井中的原理

在油田測(cè)井中會(huì)涉及到流量、溫度、壓力、密度等物理量的測(cè)量，對(duì)不同物理量使用光纖傳感器測(cè)量的原理也會(huì)存在差別。通過(guò)對(duì)這些原理的了解，能夠更加明白光纖維傳感器在油田測(cè)井中的應(yīng)用。于是接下來(lái)將分別對(duì)不同的物理量測(cè)量原理進(jìn)行分析。

（1）流量測(cè)量。光的特性在光纖傳輸過(guò)程中會(huì)受到流量因素影響使其發(fā)生變化，于是通過(guò)光的檢測(cè)方式將這個(gè)變化轉(zhuǎn)換為一種電信號(hào)，就可以對(duì)流體的流量進(jìn)行測(cè)量，這屬于光纖流量計(jì)測(cè)量流量的工作原理[3-4]。與傳統(tǒng)的流量傳感器相比，使用光纖流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量的準(zhǔn)確度和靈敏度更高，而且還具有安全性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、質(zhì)量輕、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)流量進(jìn)行測(cè)量的光纖傳感器的種類不止一種。多項(xiàng)流光纖流量計(jì)能夠?qū)Σ煌牧窟M(jìn)行測(cè)量，比如溫度、流量和壓力等，然后通過(guò)這些信息數(shù)據(jù)的測(cè)量，能夠得到流體的各項(xiàng)流量。光纖多普勒流速計(jì)可以不需要對(duì)流體進(jìn)行接觸，然后高精度測(cè)量其流量，這種光纖傳感器主要基于多普勒效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量頻差得到流體速度。光纖渦輪流量計(jì)是在傳統(tǒng)能能夠的流量計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)，將其中多模光纖替代內(nèi)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(cè)量流量時(shí)具有不同的特點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)的流量測(cè)量方式獲得的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

（2）流體含水率和密度測(cè)量。油田測(cè)井中對(duì)流體的含水率和密度進(jìn)行了解，能夠有利于產(chǎn)層特性的評(píng)價(jià)、油氣產(chǎn)量的提高等。傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器不能分辨高含水等問題，而光纖持率/密度傳感器應(yīng)用于油田測(cè)井中能解決這些問題，而且測(cè)量精度較高。對(duì)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(huì)隨著油、水、氣的比例不同而發(fā)生不同的變化[7-8]。于是光纖傳感器在油田測(cè)井中測(cè)量密合和含水率時(shí)的原理是U型彎曲光纖的傳輸功率會(huì)隨著混合介質(zhì)折射率不同而發(fā)生一定的變化，正式由于這種變化規(guī)律，于是通過(guò)使用光纖傳感器能夠?qū)α黧w含水率和密度進(jìn)行測(cè)量。

（3）流體溫度和壓力測(cè)量。在石油測(cè)井中對(duì)壓力和溫度進(jìn)行測(cè)量屬于必不可少的環(huán)節(jié)，而且在工程的開挖過(guò)程中，井下的溫度和壓力都會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)深度越深時(shí)，溫度和壓力會(huì)隨之增加。由于傳統(tǒng)的測(cè)量方式可靠性比較弱，容易出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)確等問題。通過(guò)使用光纖傳感器對(duì)溫度和壓力進(jìn)行測(cè)量能夠發(fā)幅度提高測(cè)量精確度。井溫測(cè)井屬于生產(chǎn)測(cè)井方法中非常重要的測(cè)量方法之一，能夠在油田開發(fā)中發(fā)揮不同的作用，比如產(chǎn)出層的劃分、漏失情況判斷、壓后評(píng)估等。如今常用的井下溫度測(cè)量?jī)x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(cè)量也非常必要，屬于油田測(cè)井中的基礎(chǔ)測(cè)量參數(shù)，常用的壓力計(jì)有石英晶體壓力計(jì)和應(yīng)變壓力計(jì)等。這些溫度測(cè)量?jī)x器和壓力計(jì)都存在自身的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)油田測(cè)井的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，并且都存在測(cè)量精度不夠、安裝較為復(fù)雜等問題。由于光纖傳感器不需要設(shè)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(qiáng)，對(duì)井下溫度和壓力的測(cè)量更加精準(zhǔn)，于是相比于其他的傳感器，將光纖傳感器應(yīng)用于井下溫度和壓力的測(cè)量更為合適。

光纖傳感器在油田測(cè)井中進(jìn)行溫度和壓力測(cè)量的種類有分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)、半導(dǎo)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(huì)存在差別。其中分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)主要是使用光纖向后拉曼散射的溫度效應(yīng)，于是能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)中存在不同型號(hào)的傳感器，其中FBG型、EFPI型光纖傳感器屬于一種波長(zhǎng)編碼型傳感器，這種傳感器能夠?qū)Χ鄠€(gè)參量進(jìn)行測(cè)量，比如壓力、應(yīng)力和溫度等，而且其測(cè)量準(zhǔn)確度較高、靈敏度高。半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的工作原理就在于其半導(dǎo)體材料的吸收波邊長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的變化而變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，吸收邊波長(zhǎng)會(huì)向較長(zhǎng)波長(zhǎng)位移，在選擇半導(dǎo)體發(fā)光二極管時(shí)，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(qū)域，于是當(dāng)溫度升高時(shí)，光強(qiáng)會(huì)隨之降低，于是可以根據(jù)這種變化測(cè)量出溫度[9-10]。光纖熱色溫度傳感器屬于一種發(fā)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(yōu)異的傳感器，其中主要使用黑體輻射能量對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，不需要接觸就可以測(cè)量，并且具有響應(yīng)速度快、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)Ω邷剡M(jìn)行測(cè)量。

（4）聲波測(cè)量。由于鉆井環(huán)境變得更加復(fù)雜，需要對(duì)其進(jìn)行深入測(cè)量才能夠得到準(zhǔn)確的地層構(gòu)造圖，當(dāng)前使用的地質(zhì)測(cè)量方式雖然能夠得到相關(guān)的測(cè)量，但是這種方式容易受到環(huán)境的約束、作業(yè)成本較高，而且難以實(shí)現(xiàn)油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。但是通過(guò)使用光纖地震檢波器系統(tǒng)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(zhǔn)確的結(jié)果。光纖傳感器進(jìn)行聲波測(cè)量時(shí)，其主要原理在于地震波在傳播過(guò)程中，由于介質(zhì)的不同，地震波的波形就會(huì)發(fā)生變化，于是通過(guò)這種變化，就可以判斷地層積序列和沉積構(gòu)造。對(duì)聲波測(cè)量的方式有垂直地震剖面測(cè)井技術(shù)、永久井下光纖三分量地震測(cè)量等，其中垂直地震剖面測(cè)井技術(shù)簡(jiǎn)稱VSP地震測(cè)井，這種方式就是將檢波器放到井中，然后在地面上發(fā)出地震波，或者使用井中流體流動(dòng)產(chǎn)生的微振動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)波之后，井下的接收器將會(huì)接收到信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分析，即可獲得聲波測(cè)量。永久井下光纖三分量地震測(cè)量相對(duì)于很多聲波檢測(cè)方式具有更好的靈敏度和方向性，最后獲得結(jié)果精度很高，而且還具有測(cè)量范圍非常廣泛、穩(wěn)定性較強(qiáng)，安裝靈活等優(yōu)勢(shì)[11]。

（5）伽馬射線測(cè)量。在油田測(cè)井中使用自然伽馬測(cè)井屬于非?；镜姆绞剑ㄟ^(guò)使用伽馬射線探測(cè)器沿著井眼進(jìn)行測(cè)量，由于地層具有放射性，并且地層在不斷的開挖過(guò)程中放射性物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)異常，于是通過(guò)自然伽馬測(cè)井能夠獲得伽馬射線測(cè)量，即伽馬測(cè)井曲線，該曲線的主要作用能夠?qū)r性進(jìn)行劃分，對(duì)地層進(jìn)行對(duì)比、對(duì)泥質(zhì)含量進(jìn)行獲取、對(duì)射孔進(jìn)行跟蹤定位等，其作用非常多，所以能夠在油田測(cè)井中發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)的核傳感器在油田測(cè)井中的應(yīng)用效果比較差，而且價(jià)格昂貴、使用時(shí)間短、穩(wěn)定性較差。但是通過(guò)使用激光光纖傳感器能夠解決上述問題，這種傳感器通過(guò)使用光致?lián)p耗和光致發(fā)光等物理效應(yīng)，所以相比于上述的探測(cè)器具有更多的優(yōu)勢(shì)。激光光纖核傳感器的主要優(yōu)勢(shì)有：①有利于提高傳感器的使用壽命;②穩(wěn)定性更強(qiáng)，不會(huì)受到磁場(chǎng)的干擾;③傳感頭的體積非常小，使用更加方便;④通過(guò)光纖傳輸，具有更快的傳輸速度和更大的容量;⑤能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)探測(cè)，測(cè)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(cè)井中的優(yōu)勢(shì)非常明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)伽馬射線測(cè)量，有利于油田測(cè)井的開展。

3 光纖傳感器在油田測(cè)井中的應(yīng)用

中國(guó)對(duì)光纖傳感器的研發(fā)相對(duì)于國(guó)外較晚，發(fā)展至今，已經(jīng)能夠在油田測(cè)井使用光纖傳感器發(fā)揮測(cè)井作用，尤其在國(guó)外，很多油田井中已經(jīng)安裝了永久性光纖傳感器，能夠?qū)α髁?、壓力和溫度等指?biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，所以相對(duì)于國(guó)外，中國(guó)對(duì)光纖傳感器的研究還需要進(jìn)行深入，爭(zhēng)取能夠在更多的油田中發(fā)揮實(shí)際應(yīng)用效果。通過(guò)綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖傳感器在油田測(cè)井中應(yīng)用，主要應(yīng)用有對(duì)油田測(cè)井中的溫度、流量、持氣率、壓力、含水率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，上文中主要對(duì)光纖傳感器在油田測(cè)井中的工作原理進(jìn)行了分析，該應(yīng)用原理在一定程度上能夠反映出光纖傳感器在油田測(cè)井中的應(yīng)用。本文為了更加清楚明了的分析油田測(cè)井中光纖傳感器的應(yīng)用，于是接下來(lái)將對(duì)光纖傳感器的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

（1）應(yīng)用于含水率測(cè)量。光纖傳感器能夠?qū)τ吞餃y(cè)井中含水率進(jìn)行測(cè)量，并且相比于傳統(tǒng)的電容測(cè)量法具有更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，另外，光纖傳感器的功能更加多，不僅能夠?qū)蔬M(jìn)行測(cè)量，還能夠?qū)τ秃蜌獾某致蔬M(jìn)行測(cè)量。油田測(cè)井中對(duì)含水率的準(zhǔn)確測(cè)量有利于油田的開發(fā)，降低油田開發(fā)的危險(xiǎn)性。所以通過(guò)在油田測(cè)井中使用光纖傳感器之后將更有助測(cè)量結(jié)果。光纖傳感器屬于一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其基本組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，光纖傳感系統(tǒng)對(duì)含水率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其光源使用半導(dǎo)體激光器通過(guò)聚焦纖維透鏡將光注入到光纖中，然后系統(tǒng)會(huì)依據(jù)光纖的彎曲損耗原理，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)油田測(cè)井的含水率進(jìn)行計(jì)算。

（2）應(yīng)用于持氣率測(cè)量。在油田測(cè)井中，持氣率屬于油田生產(chǎn)剖面評(píng)價(jià)的一個(gè)重要流動(dòng)參數(shù)，有助于找準(zhǔn)產(chǎn)水層位，能夠提高油氣產(chǎn)量，所以提高持氣率的測(cè)量結(jié)果至關(guān)重要。持氣率是管內(nèi)單位體積的液體流動(dòng)懸持的氣體體積。使用光纖傳感器對(duì)持氣率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其中需要使用一個(gè)對(duì)液體光學(xué)指數(shù)敏感的光傳感器來(lái)完成。然后將光纖傳感器應(yīng)用石油測(cè)井中測(cè)量持氣率時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖3所示，從圖中可以看出，光源為發(fā)光二極管發(fā)射，然后進(jìn)入一根光纖中，最終傳送到藍(lán)寶石探頭中。在這樣一個(gè)系統(tǒng)中，即可通過(guò)光纖測(cè)量持氣率，并且相比于其他的測(cè)量方式，采用光纖傳感器不僅安裝簡(jiǎn)單、成本較低，而且還可以提高持氣率測(cè)量的準(zhǔn)確度，所以在油田測(cè)井中使用光纖傳感器更為合適。

（3）應(yīng)用于溫度、壓力測(cè)量。由于光纖傳感器中的光纖Bragg光柵只會(huì)反射Bragg波長(zhǎng)光，所以該光柵能夠有Bragg反射濾波片的用途，不會(huì)受到其他波長(zhǎng)光的影響，然后Bragg波長(zhǎng)存在一個(gè)特點(diǎn)，就是與外界溫度、壓力的變化成正比關(guān)系，即當(dāng)外界溫度或者壓力不斷增大時(shí)，Bragg波長(zhǎng)也會(huì)隨著增加，通過(guò)這種特點(diǎn)，就可實(shí)現(xiàn)油田測(cè)井中溫度和壓力的測(cè)量。使用這種傳感器應(yīng)用于油田測(cè)井中最重要的優(yōu)勢(shì)在于Bragg波長(zhǎng)和光纖應(yīng)變之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，于是就可以通過(guò)這種特點(diǎn)精確測(cè)量出應(yīng)變[12]。比如，當(dāng)一個(gè)峰值波長(zhǎng)設(shè)置為1535.05nm時(shí)，溫度從25℃升高到35℃，傳感器的峰值波長(zhǎng)會(huì)增加到1535.15nm，如圖4所示，從而可說(shuō)明波長(zhǎng)和溫度之間的變化關(guān)系[13]。

（4）應(yīng)用于聲波測(cè)量。光纖傳感器中的光纖水聽器主要應(yīng)用于聲波測(cè)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(cè)量靈敏度最好，所以將其應(yīng)用到油田測(cè)井中的效果更好。光纖聲波傳感器還具有其他優(yōu)勢(shì)，比如能夠提高聲波探測(cè)的徑向深度和軸向測(cè)量分辨率，能夠提高聲波測(cè)量的可靠性、實(shí)現(xiàn)多探頭列陣探測(cè)等優(yōu)勢(shì)。但是在使用這種傳感器時(shí)，由于其中的探測(cè)頻率為50Hz～3kHz，所以光纖聲波傳感器還需要進(jìn)一步深入研究和設(shè)計(jì)。光纖聲波傳感器的一般結(jié)構(gòu)如圖5所示，這種設(shè)計(jì)方式主要優(yōu)勢(shì)在于使用光纖bragg光柵F-P結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)作為聲波敏感單元能夠提高測(cè)量分辨率、提高診斷能力、擴(kuò)展聲波測(cè)井的技術(shù)等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而能夠在油田測(cè)井中實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，相比于傳統(tǒng)的傳感器，光纖傳感器能夠?qū)亍毫?、聲波、含水率、持氣率等指?biāo)進(jìn)行測(cè)量，這些指標(biāo)在油田井的開發(fā)中至關(guān)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(guò)文章研究的光纖傳感器能夠提高對(duì)這些測(cè)量指標(biāo)的準(zhǔn)確度，所以最終會(huì)有利于油田的開采效果。由于中國(guó)對(duì)光纖傳感器的研究較晚，導(dǎo)致光纖傳感器還沒能全面的進(jìn)行使用，在一定程度上限制了油田測(cè)井的效果。于是在今后的研究中，為了進(jìn)一步提高中國(guó)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(yīng)用到油田測(cè)井中。

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