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(lái)，光纖傳感器的發(fā)展有取代傳統(tǒng)傳感器的趨勢(shì)。光纖傳感器是集成光學(xué)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(xué)的形式將被測(cè)信號(hào)的狀態(tài)讀出。利用半導(dǎo)體二極管等簡(jiǎn)單元件可以進(jìn)行光信號(hào)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(yuǎn)距離測(cè)量。

光纖傳感器出現(xiàn)以來(lái)，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(zhǎng)、性價(jià)比高、復(fù)用性好、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾、頻帶范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、易與光纖傳輸系統(tǒng)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。

隨著石油開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展，用于輔助石油開(kāi)采的重要技術(shù)油井探測(cè)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(guó)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(duì)其進(jìn)行自動(dòng)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(yàn)試用階段。其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的Well monitor系列井下參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用達(dá)到31口井。國(guó)外方面已經(jīng)在高溫井監(jiān)測(cè)方面取得了進(jìn)展，如美國(guó)Fiberguide公司研發(fā)生產(chǎn)的覆鋁光纖，英國(guó)Oxford Electronics公司研發(fā)生產(chǎn)的覆銅光纖工作溫度均可達(dá)到400℃以上。目前國(guó)外的研究熱點(diǎn)集中在耐溫超過(guò)600℃高溫的特種光纖方面。

2 光纖溫壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

2.1 光柵壓力計(jì)原理

地面寬帶光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)過(guò)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(lái)，反射光順著光纜反向傳輸?shù)竭_(dá)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(lái)，發(fā)送到地面顯示裝置，即可實(shí)現(xiàn)井下壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

光柵壓力計(jì)的作用就是傳導(dǎo)壓力和保護(hù)光柵。光纖光柵壓力計(jì)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(shí)使光纖光柵工作波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)漂移量來(lái)感知外界壓力。

溫度補(bǔ)償部分由另一光纖光柵制成，用于補(bǔ)償壓力測(cè)量部分光纖光柵波長(zhǎng)隨溫度的移動(dòng)。從而使整個(gè)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(guò)分布式傳感光纖時(shí)會(huì)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(cè)量終端接收到的反斯托克斯光在時(shí)間上的先后可確定其在光纖上的對(duì)應(yīng)位置，而兩者的光強(qiáng)比受散射區(qū)溫度影響，通過(guò)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)比即可得到待測(cè)溫場(chǎng)的溫度分布。

3 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)室內(nèi)精度試驗(yàn)

3.1 壓力精度檢測(cè)

將光纖壓力計(jì)通過(guò)密封接頭連接至加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，從0MPa開(kāi)始加載，加載步長(zhǎng)2MPa，根據(jù)標(biāo)定曲線驗(yàn)證測(cè)量精度。分別設(shè)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)加載壓力為4MPa、8MPa、12MPa，通過(guò)光柵解調(diào)儀得到壓力實(shí)測(cè)值，并計(jì)算誤差，如表1所示，壓力計(jì)精度在設(shè)計(jì)范圍（0.5%F.S）內(nèi)。

表1 壓力測(cè)量精度

3.2 溫度精度測(cè)試

將長(zhǎng)度為5m左右的光纖溫度傳感器放置于加載實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)，控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度逐漸上升至150℃。通過(guò)拉曼解調(diào)儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)光纖傳感器的溫度變化，如圖所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)外的光纖溫度傳感器測(cè)量值接近室溫，在14℃左右，實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(tái)階。

記錄實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度設(shè)定值與拉曼解調(diào)儀測(cè)量值，計(jì)算測(cè)量誤差，如表2所示溫度誤差在設(shè)計(jì)范圍（±0.5℃）內(nèi)。

表2 拉曼解調(diào)儀測(cè)量誤差

4 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過(guò)程

在一口試油井中下入光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管柱152根，利用管柱攜帶光纖壓力計(jì)下井，隨后進(jìn)行抽汲降低井下液面，對(duì)動(dòng)液面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 精度檢驗(yàn)

經(jīng)與電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比光纖壓力監(jiān)測(cè)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(jì)要求（如表3、表4）。

表3 光纖壓力計(jì)與電子壓力計(jì)壓力數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 光纖溫度傳感器與電子壓力計(jì)溫度數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2.2 溫度剖面監(jiān)測(cè)動(dòng)液面（如圖1）

圖1 利用溫度剖面測(cè)動(dòng)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(dòng)液面。應(yīng)用該原理，利用全分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)井內(nèi)液面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。如表5所示第一次抽汲后電子壓力計(jì)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(guò)下表試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析溫度剖面法測(cè)得的動(dòng)液面誤差在每千米20m。

表5 溫度剖面法測(cè)得動(dòng)液面與電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 存在問(wèn)題及改進(jìn)措施

5.1 存在問(wèn)題

下入光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管柱時(shí)，下入140根管柱后兩只光纖壓力計(jì)信號(hào)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)在光纖壓力計(jì)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(dòng)，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(hù)器進(jìn)行固定，外徑進(jìn)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(jìn)措施

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

6 結(jié)語(yǔ)

光纖溫壓監(jiān)測(cè)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(diǎn)，在一條光纜中布設(shè)了傳光和傳感光纖，實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)精確測(cè)量和分布式全面測(cè)量的結(jié)合。即既可以采用光柵壓力計(jì)測(cè)量定點(diǎn)壓力又可以利用分布式光纖傳感器測(cè)量溫度分布。實(shí)現(xiàn)了井下壓力、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)光纖壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度進(jìn)行了檢測(cè)，系統(tǒng)精度符合設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用溫度剖面測(cè)得的動(dòng)液面數(shù)據(jù)誤差在允許范圍之內(nèi)。