基於光纖光柵的油井壓力/溫度監測方案

一、      概述

在油田的開發過程中，人們需要知道在產液或注水過程中有關井內流體的持性與狀態的詳細資料，這就要用到石油測井，其可靠性和準確性是至關重要的，而傳統的電子基傳感器無法在井下惡劣的環境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電乾擾下工作。光纖光柵感器可以克服這些困難，其對電磁乾擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓（幾十兆帕以上）以及強烈的衝擊與振動，可以高精度地測量井筒和井場環境參數，同時，光纖光柵傳感器具有準分布式測量能力，可以在不乾擾油井參數場的情況下同時測出井下的溫度、壓力，並可以測出井下的溫度、壓力剖麵，可以獲得傳統測試方式無法獲取的數據，為油井動態監測提供了一種更理想的手段，是其它測井不可替代的一種測試方式，是測試技術的一個突破。該技術非常適合油井生產動態監測，為測試技術提供了一套全新的思路，該監測係統如果與控製技術相結合，對提高油氣采收率、油藏的戰略管理具有極大的潛在經濟價值。

光纖光柵傳感係統主要包括傳感部分、傳輸光纖和光纖光柵解調儀三大部分，如圖3。解調儀寬帶光源發射寬帶光λ，經耦合器到光纖光柵傳感器後，反射回一窄帶的光λ_B，λ_B經耦合器到波長檢測裝置測出其波長，然後在轉換成壓力或溫度值。λ_B的波長值與光柵本身有關，圖中四個光纖光柵，反射回四個不同的波長，就可檢測出四個波長。

圖3光纖光柵傳感係統示意圖

二、      技術指標要求

1.        六級壓力/溫度傳感器串接，每級包括一個溫度和一個壓力測試點；

2.        溫度測試指標：範圍-10℃～175℃，精度±0.5℃；

3.        壓力測試指標：範圍0～40MPa，精度±0.5%F.S.；

4.        光纜直徑：＜Φ15mm；

5.        傳感器直徑：≤Φ35mm；

6.        傳感器置於井下長期監測，工作3～5年。

三、      係統組成

係統組成如圖1所示，每個傳感器內有兩根光纖光柵，一根用於測量溫度，一根測量壓力，傳感器兩端引出1m左右的光纜。傳感器的引出光纜通過連接器與下井光纜連接，按這樣將六個傳感器通過下井光纜串接起來，傳感器之間的間距可根據需要確定。在傳感器的下麵加30kg左右的配重，以保證傳感器及光纜豎直下井。傳感器的上麵通過光纜連接到地麵監測室中的解調儀上。解調儀采集信號計算壓力和溫度，然後保存數據並在顯示器上顯示。

圖1 係統組成結構

四、      壓力/溫度傳感器特性

壓力/溫度傳感器的作用是將壓力和溫度轉化為光纖光柵的波長信號，是係統的關鍵部分。我們設計的傳感器（外形如圖2）有如下特性：

⑴傳感器技術指標為：壓力：範圍0～40MPa，精度±0.5%F.S.，分辯率0.1%F.S.。溫度：範圍-10℃～175℃，精度±0.5℃，分辨力0.1℃。（當地麵解調儀的分辨率為1pm，精度為±5pm時）

⑵采用全不鏽鋼結構，耐壓耐腐蝕

⑶井下傳感器*高工作溫度：175℃

⑷傳感器的外徑：Φ30mm

⑸傳感器為雙端光纖，可以串聯，*多可達6級（每級包括一個壓力和一個溫度測試組件）

⑹使用壽命長：3~5年

圖2 傳感器外形圖

五、      解調儀特性

解調儀是用來采集分析光纖光柵信號、計算和顯示溫度壓力的儀器。它包括大功率寬帶光源、高精度光譜分析儀、耦合器、用於數據分析與計算的計算機等其它配件。它的解調精度直接影響係統的測試精度。

我們公司的解調儀技術指標：

通道數：    1、2、4、8等

波長範圍：  1525～1565nm

分辨率：   1pm

重複性：    ±5pm

動態範圍：  >30dB

*小分辨間隔：  0.6nm

掃描頻率：  1Hz

工作溫度：  -10～60℃

環境濕度：  90%

六、      光纜及連接器

圖1中的光纜是為油井下使用而定製的專用雙芯光纜（隻用一根，另一根備用），采用直徑為3.5mm，厚0.4mm的不鏽鋼管保護，有抗壓，抗拉，耐腐蝕及耐高溫的特點，能夠滿足的井下長期使用。

圖3 井下專用光纜

       由於傳感器與光纜需連接，傳感器中的光纖與光纜中的光纖可以熔接，但是外界油水會順著光纜的熔接處進入傳感器，時間一長就會對傳感器造成傷害，這就需要專門的連接器來保護連接點。我們為井下使用特彆設計了連接器，如下圖。

圖4 光纜連接器