CN101178006A - 光纤温度与压力二参量永久式油井传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤温度与压力二参量永久式油井传感器，属于智能井技术领域，该传感器包括：宽带光源、模块化光谱仪、数据传输线、数据处理器、第一段光纤、第二段光纤、光纤耦合器、光缆及光纤温度传感器头和压力传感器头；所述宽带光源通过第一段光纤与光纤耦合器的输入端相连，该光纤耦合器的一个输出端与光缆相连，另一输出端通过第二段光纤与模块化光谱仪的输入端相连，该模块化光谱仪通过数据传输线与数据处理器相连；所述一个或一个以上的光纤温度传感器头和压力二参量传感器头分布在光缆的另一端。本发明具有体积小，可在高温环境下长期使用，可同时监测油井中压力和温度的特点。适用于油田、化工等领域的压力与温度测量。

Description

光纤温度与压力二参量永久式油井传感器

技术领域

本发明属于智能井技术领域，特别涉及可以通过光缆与地面的解调器，实时读取油井内的压力与温度的全光纤传感器。

背景技术

智能井技术始于20世纪90年代，在当时全球石油工业提高油藏产能的大趋势下，智能井技术得以发展并商业化。这一技术的研发使许多原来不能开采的边际油田得到开发，为深水、海上、边远地区及老油田的开发带来了希望。所谓智能井就是在井中安装了可获得井下油气生产信息的传感器、数据传输系统和控制设备，并可在地面进行数据收集和决策分析的井。通过智能井可以进行远程控制，达到优化产能的目的。应用智能井技术可以通过一口井对多个油藏流体的流入和流出进行远程控制，避免不同的油藏压力带来的交叉流动。对于多油层合采，智能完井的应用允许交替开采上部和下部产层，加快了整个井的生产速度，也提高了油井的净现值。油藏的远程管理使得作业人员无需对井进行物理干预，减少了潜在的修井作业的成本。在钻机时间(尤其是在深水或海底)成本昂贵的条件下，修井成本的降低会带来显著的效益，同时也弥补了由于修井而损失的产量。另外，应用智能完井的注入井可以更好地进行注水控制，提高油井的最终采收率。同时，应用智能井系统也可以减少地面基建设施成本。智能井技术的目的是提高油井开采率，提高油田自动化控制水平，降低油田操作成本与设备成本，从而实现长远的经济效益。

智能井技术中的核心部件是永久式油井传感器，它负责向地面提供压力温度数据。随着油田的不断开采，油气井的深度不断增加，传感器的工作环境温度也越来越高。传统电子传感器已经难以满足需要。根据国外统计，井下温度每升高18℃，电子传感器的故障率就提高1倍。壳牌石油在1987-1998年间对952个电子永久性油井传感器的分析表明，在低于100℃的连续工作环境下，12％的传感器在1年内失效，31％在5年内失效。美国Quartzdyne公司对其超过450个高温电子传感器在180℃环境下进行测试，3个月内超过60％的传感器失效，在6个月内，全部传感器失效。因此，电子传感器一般用于低于100℃的油井中。一些深海油井的温度已经达到200-250℃，而稠油注气井的温度高达300℃。在这些应用环境中，电子传感器完全无法满足要求。

与电子传感器相比，光纤传感器的优点是耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰、使用安全不打火、体积小。这些优点使得它在20世纪90年代末逐渐在油田中展开应用。2002年8月，Norsk Hydro ASA公司完成了业内第一口多光纤传感器智能井。光纤测量系统安装在北海挪威海域Oseberg东部的E-11C井，包括在井内安装多个光纤压力和温度传感器及地面操纵智能完井流量控制装置。所有光纤传感器都由Weatherford公司生产。目前国外进行智能井光纤压力温度传感器传感器开发的公司有还有美国Sabeus公司，美国Baker-Hughs公司，加拿大FISO公司，巴西Gavea公司等等。这些公司目前的产品都是面向智能井单点测温测压应用的。

目前，智能井单点压力和温度光纤传感器的结构主要是基于一种以光纤光栅和光纤法布里-帕罗干涉腔相隔一定距离依次串联在同一根光纤上的级联结构。其中，光纤光栅用于测量环境温度，光纤法布里-帕罗干涉腔用于测量环境压力。由于光纤法布里-帕罗干涉腔具有较大的温度串扰，因此需要用光纤光栅测量出的环境温度来补偿光纤法布里-帕罗干涉腔的压力测量结果，从而得到正确的环境压力值。

这种结构存在以下两个主要问题：1.由于智能井光纤传感器采用的都是高相干性、长相干距离的激光光源，因此如果光线光栅与光纤法布里-帕罗干涉腔的间距过小，则光纤光栅的反射光与光纤法布里-帕罗干涉腔的反射光在同一根光纤中将发生干涉，极大的影响温度测量精度，进而影响压力环温补偿的精度，从而影响压力值的精度。为了避免两个传感器之间的干涉，必须使得两个传感器之间的间距大于激光光源的相干距离，其典型值为600mm。但是当两个传感器相隔一定距离，则无法保证两个传感器感受到的环境温度为同一值。因此，对光纤压力传感器的环温补偿会出现偏差，从而影响压力值的精度；2.光纤法布里-帕罗干涉腔是基于石英玻璃以及金属材料的，因此可以长期工作在较高温度，如300℃。光纤光栅的工作原理是基于用紫外线固化在光纤中的一种折射率周期性调制的结构。而这种折射率的结构在长期的高温运行中会弱化以至于消失，大大的降低了传感器的信噪比，从而影响测温测压精度。因此光纤光栅可以长期工作的最高温度一般不超过150℃。

以上两个问题使得这类光纤传感器的尺寸偏大、精度不高以及最高工作温度偏低。从目前油田的发展趋势来看，有限的井下空间内要容纳越来越多的控制管道和仪器线缆，因此对传感器的尺寸要求会逐渐苛刻。另外，随着油井的深度逐渐加深，作业温度将越来越高，高于150℃的油井数量在逐步增加。综上所述，基于光纤光栅的光纤智能井传感器因为性能的影响，直接限制了它在智能井系统中的应用。

发明内容

本发明的目的旨在解决在高温环境下、有限的井下作业空间内，光纤传感器长期测量井下压力与温度的问题，提出一种光纤温度与压力二参量永久式油井传感器，具有体积小，可在高温环境下长期使用，可同时监测油井中压力和温度的特点。适用于油田、化工等领域的压力与温度测量。

本发明提出的光纤温度与压力二参量永久式油井传感器，其特征在于，该传感器包括：宽带光源、模块化光谱仪、数据传输线、数据处理器、第一段光纤、第二段光纤、光纤耦合器、光缆及光纤温度传感器头和压力传感器头；所述宽带光源通过第一段光纤与光纤耦合器的输入端相连，该光纤耦合器的一个输出端与光缆相连，另一输出端通过第二段光纤与模块化光谱仪的输入端相连，该模块化光谱仪通过数据传输线与数据处理器相连；所述一个或一个以上的光纤温度传感器头和压力二参量传感器头分布在光缆的另一端。

所述光纤温度传感器头主要由一段光纤构成，在该段光纤的芯中构造相隔一段距离的两个1-2微米的微小气泡；或在该段光纤的芯中构造一个1-2微米的微小气泡与该光纤的反射端面相隔一段距离。

所述光纤压力传感器头可包括一段毛细管，两段光纤分别从该毛细管两端插入并与毛细管密封封装成一体，该两段光纤的端面在该毛细管内相隔形成长度一定的空腔。

在所述光纤压力传感器头的基础上，可在所述的一段光纤的芯中构造有相隔一段距离的一个或两个1-2微米的微小气泡，集成为温度和压力二参量传感器头

所述光纤压力传感器头还可包括由金属外套和金属保护套管构成封装结构，该集成的温度和压力二参量传感器头放置于该金属外套内，通过密封与固定点封装为一体；该光纤传感头的尾部光纤置于金属保护套管内。金属保护套管与封装金属外套筒通过密封连接。

所述的光纤可采用石英玻璃制造的光纤。

所述的光纤温度传感器头和压力传感器头可分布在所述光缆中的同一根光纤上。

本发明的特点及效果：本发明提出的压力与温度二参量智能井传感器突破了基于光纤光栅原理的光纤传感器的长期工作温度为150℃、最高瞬时工作温度为300℃的工作温度限制。经过实际测量，本发明提出的传感器可以长期稳定工作在400℃，而最高瞬时工作温度达到了600℃。因此，本发明的光纤传感器适用于石油勘探和开采中的高温高压环境。另外，该传感器相比基于光纤光栅的传感器更加小型化。其轴向尺寸从基于光纤光栅的传感器的600mm左右下降到20mm左右，因此适合安装于油井的套筒和油管之间的狭小空间内。另外，本发明的传感器的尺寸的减小将有效的克服因为温度不均匀性对压力传感器的温度补偿带来的影响，因此将进一步提高压力传感器的精度与分辨率。基于布拉格光栅的光纤传感器对模块化光谱仪的光谱分辨率有很高的要求，达到10pm的量级，从而带来成本的提高。而本发明的测量精度对模块化光谱仪的分辨率依赖性大大降低，只需要100pm的分辨率即可达到同样的精度，从而使得成本下降，适于商业上的推广。另外，该传感器的核心部件采用非金属非有机材料，具有高温高压稳定性好、耐腐蚀、使用寿命长、测量准确、不打火及使用安全等优点。该传感器在石油化工领域存在广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构框图。

图2A为本发明的光纤温度传感器实施例1结构示意图。

图2B为图2A的光纤温度传感器的反射谱。

图2C为本发明的光纤温度传感器实施例2结构示意图。

图3A为为本发明的光纤压力传感器实施例1结构示意图。

图3B为图3A的光纤压力传感器的反射谱。

图4A为本发明的光纤温度与压力二参量传感器集成实施例1结构示意图。

图4B为本发明的光纤温度与压力二参量传感器集成实施例2结构示意图。

图5为图4B的传感头封装的一种实施例结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的光纤智能井压力与温度二参量传感器，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的总体结构如图1所示，包括：宽带光源1、模块化光谱仪2、数据传输线3、数据处理器4、光纤5、光纤6、光纤耦合器7、光缆8及光纤温度与压力二参量传感器头14；所述宽带光源1通过光纤6与光纤耦合器7的输入端相连，该光纤耦合器7的一个输出端与光缆8相连，另一输出端通过光纤5与模块化光谱仪2的输入端相连，该模块化光谱仪2通过数据传输线3与数据处理器4相连；所述光纤温度与压力二参量传感器头14分布在光缆8的另一端。上述光纤温度传感器与光纤压力传感器可分布在光缆中同一根光纤上。

在实际应用中光缆8分为地面部分10与井下部分，这两部分的分界线为井头9；井头内置有井头光缆密封器，用于防止井内的压力泄漏；光纤温度与压力二参量传感器头14分布在井下光缆8上插入油层12，油井护管13用于防止土壤11落入井内。

本发明的工作原理为：从宽带光源1发出的光经耦合注入光纤，经由光纤耦合器7注入由光纤构成的光缆8；光缆8上分布有光纤温度传感器与光纤压力传感器；光纤压力传感器与光纤温度传感器在外界的压力与温度作用下，分别调制其反射光谱；由光纤温度传感器与光纤压力传感器分别反射的光谱逆向再次经过光缆8，经由光纤耦合器7注入模块化光谱仪2；模块化光谱仪2将输入光谱转化为光谱数据，传输至数据处理器4；数据处理器得到以下光谱数据：光纤压力传感器的反射光谱数据，光纤温度传感器的反射光谱数据；数据处理器对这两类光谱数据分别分析处理，得到每一个光纤传感器的特征参量；数据处理器将得到的每一个光纤传感器的特征参量与存储在数据处理器中的每一个光纤传感器的特征参量标定曲线对比，从而得到每一个光纤传感器的温度或压力读数。

本发明的一种实施例为：宽带光源1采用美国Honeywell公司的HFE4854高功率LED；模块化光谱仪采用美国Ocean Optics公司的USB4000微型光谱仪；数据传输线3使用USB传输线；数据处理器4使用带有USB接口的微型计算机；光纤5和光纤6采用石英玻璃制造的单模光纤，如美国Corning公司的SMF28单模光纤；光纤耦合器7使用上海瀚宇公司的A级三端口光环行器；光缆8可以采用特制的油井专用光缆。

本发明的光纤温度传感器包括双气泡式结构或单气泡式结构两种实施例构造如图2所示。第一种为双气泡式结构如图2A所示：光纤传感器的输入光纤15与光纤传感器的光纤18为石英玻璃单模光纤或者是石英玻璃多模光纤。光纤15与光纤18可以为同种或者不同种光纤。以光纤15与光纤18均为美国Corning公司的SMF28普通石英玻璃单模光纤为例，光纤的外径为125微米，光纤传感器输入光纤的芯径16的径向直径为8微米左右。由在光纤内制作有轴向厚度为1-2微米、径向直径为8微米左右的微小气泡17与19。两个气泡之间为光纤18，其长度可选择从600微米至10mm的任意值。其工作原理为：由宽带光源1发出的光通过光缆8，经由光纤15入射到光纤温度传感器。光能量聚集在光纤的芯径16内前向传播。在芯径16中传输的光能量将被第一个微小气泡17反射，并且在芯径16内反向传输。剩余的光能量将进入光纤18，继续向前传播。前向传播的光能量将继而被微小气泡19反射。这部分反射能量将进入光纤芯径16。两次反射的光将发生双光束干涉，其干涉光谱即为光纤温度传感器的信号光谱，并且被模块化光谱仪接收。其典型光谱如图2B所示。图中可见，由于光纤温度传感器的两束反射光始终在光纤芯径16中传播，第二束反射光的能量与第一束反射光的能量相当，因此光纤温度传感器的干涉光谱的条纹对比度也较高。其中，干涉条纹对比度的定义由公式1描述：

$\mathrm{\γ}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}---\left(1\right)$

其中γ为干涉条纹的对比度，I_max为干涉条纹的最大光强，I_min为干涉条纹的最小光强。γ的取值范围为0-1。γ越靠近1，干涉条纹的信噪比越高，测量值的精度也就越高。对应图2B显示的干涉条纹，γ＝0.98。图2C所示的结构与图2A的结构类似，只是微小气泡19被替换为光纤端面20，其工作原理与参数也与图2A的结构一致。光纤端面20可以用光纤切割刀切割得到，也可以通过研磨得到。光纤端面20的反射率一般在3-4％左右。

光纤温度传感器基于双光束干涉原理。光纤15将宽带光源的光能量导向光纤温度传感器，并且收集其反射光谱。微小气泡17的石英玻璃与空气的界面用于形成第一个面的反射，微小气泡19或者光纤端面20产生第二个面的反射。则光纤18的光学长度M即为双光束干涉的腔长。光纤温度传感器的光纤长度h与光纤18的折射率n都会在外界温度的变化下变化，因此传感器的腔长M在外界温度的作用下会发生长度变化，其变化关系由公式2表述

M＝nh＝n₀[1+α_n(T-T₀)]h₀[1+α_h(T-T₀)]    (2)

其中n、n₀、h、h₀、T、T₀为当前折射率、初始折射率、当前光纤长度、初始光纤长度、当前温度、初始温度，α_n＝n/nT是光纤材料折射率热膨胀系数，α_h＝h/hT是光纤材料热膨胀系数。光纤温度传感器的反射光谱如图2B所示，其与等效腔长M的变化关系由公式3表述

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_s\left(\mathrm{\λ}\right)[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πM}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(3\right)$

其中λ为波长，I(λ)为反射光谱，I_s(λ)为宽带光源光谱，M传感器的等效腔长，γ为干涉条纹对比度。因此，可以通过对光纤温度传感器的反射光谱I(λ)的处理，得到当前等效腔长M。由于光纤温度传感器的光能量始终被限制在光纤芯径16中传播与反射，因此该光纤温度传感器的能量利用率很高，插入损耗可降低到0.2dB左右，条纹对比度γ可以达到0.95以上，从而得到高信噪比的光谱信号，便于后续的信号处理。等效腔长M与外界温度存在单一的函数关系，这个函数关系通常是非线性的。由等效腔长M与预先的腔长-温度标定曲线，可以得到光纤温度传感器的温度读数。

光纤压力传感器的结构如图3A所示，由光纤15与光纤压力传感器的反射光纤24相隔一定距离G插入光纤压力传感器的毛细管22中构成。其中，光纤15与光纤24为石英玻璃单模光纤或者是石英玻璃多模光纤。光纤15与光纤24可以为同种或者不同种光纤。以光纤15与光纤24均为美国Corning公司的SMF28普通石英玻璃单模光纤为例，光纤的外径为125微米，光纤芯区16的径向直径8微米左右。毛细管可以是金属毛细管，也可以是石英玻璃毛细管，也可以是单晶晶体毛细管。光纤15与毛细管22通过密封处21密封。光纤24与毛细管22通过密封处29密封。密封处21与密封处29可以选用耐高温环氧树脂进行密封，如美国Epotek公司的353ND高温环氧树脂。光纤15伸入毛细管22内部有端面20。光纤端面20可以用光纤切割刀切割得到，也可以通过研磨得到。光纤端面20的反射率一般在3-4％左右。光纤24伸入毛细管22内部有端面23。光纤端面23可以用光纤切割刀切割得到，也可以通过研磨得到。光纤端面23的反射率一般在3-4％左右。光纤端面20与光纤端面23相隔距离G。G一般为10微米至300微米之间的任意值。光纤端面20与光纤端面23将分别反射从光纤15入射的光能量。两束反射光将在光纤15中反向传播并且形成双光束干涉。通过处理反射的双光束干涉光谱，可以得到两个反射端面的间距G。而这个间距在毛细管的带动下随环境压力变化而变化。间距G与外界压力P存在单一的函数关系，由公式4表述。

$G-G_0=\frac{{\mathrm{Lr}}_o^2}{E(r_o^2-r_i^2)}(1-2v)(P-P_0)---\left(4\right)$

其中G为腔长，G₀为初始腔长，P为环境压力，P₀为初始压力，L为两个固定点的间距，E为毛细管的杨式模量，v为毛细管的泊松比，r_o为毛细管的外径，r_i为毛细管的内径。光纤压力传感器的空腔腔长的变化将影响其反射光谱的形状。其典型的反射光谱如图4B所示，光纤压力传感器的第二束反射光出射于光纤端面20，经传播到达光纤端面23，再反射回光纤端面20，再次耦合入光纤。由于第二束光在自由空间中发散传播，因此它耦合入光纤时的能量相比第一束由光纤端面20直接反射的光的能量有较大的下降。光纤压力传感器的反射光谱与腔长的关系由公式5表述：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_s\left(\mathrm{\λ}\right)[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πG}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(5\right)$

其中λ为波长，I(λ)为反射光谱，I_s(λ)为宽带光源光谱，G为压力传感器的腔长，γ为压力传感器的干涉条纹对比度。因此，可以通过对光纤压力传感器的反射光谱I(λ)的处理，得到当前腔长G。但是，造成腔长G改变的不只是外界压力P一个变量。由于毛细管22、光纤15与24存在不可忽略的热膨胀系数，因此外界温度的变化会引起腔长G的变化。腔长G与外界温度T的关系由公式6描述

G＝G₀+[(α_T-α_h)L₀+α_hG₀](T-T₀)

(6)

其中G、G₀、α_T、α_h、L₀、T、T₀分别是腔长当前值、腔长初始值、毛细管热膨胀系数、光纤热膨胀系数、两个固定点的间距、当前外界温度、初始外界温度。这样，由公式5由光谱处理得到当前的空腔腔长值G。用温度传感器得到的当前温度值代入公式6，得到温度串扰。由排除串扰后的空腔腔长值G与外界压力存在单-的函数关系，这个函数关系通常是线性的。由腔长G与腔长-压力标定曲线，可以得到光纤压力传感器的压力读数。

上述的光纤温度传感器头和压力传感器头可分布在光缆中的同一根光纤上；且本发明还提出两种光纤温度传感器与光纤压力传感器集成的实施例结构，如图4所示；其中，图4A为双气泡式结构，图4B为单气泡式结构。对于双气泡式结构，光纤温度传感器的两个反射端面17与19和光纤压力传感器的反射端面20与23分别构成双光束干涉。光纤温度传感器与光纤压力传感器在空间上是分离的。对于单气泡式结构，光纤温度传感器与光纤压力传感器共用一个反射面20，因此两个光纤传感器都处于毛细管22之内，传感器尺寸更小，温度补偿效果更好。

上述单气泡式结构的光纤传感器的一种封装实施例如图5所示，封装金属外套25和金属保护套管27构成。光纤温度、压力传感器放置于传感器的封装金属外套25内，通过密封与固定点28封装为一体。光纤传感器的尾部光纤位于金属保护套管27内。金属保护套管27与封装金属外套筒25通过密封结构26相连接。其中26可以是焊接点，也可以通过螺纹连接的形式。

本领域普通技术人员可以理解，只要不背离本发明构思，可以对上述实例进行各种变化。因此，应该理解，本发明不限于所说公开的特定实施例，对本发明的精神和范畴内的各种修改，均落在由本发明的权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种光纤温度与压力二参量永久式油井传感器，其特征在于，该传感器包括：宽带光源、模块化光谱仪、数据传输线、数据处理器、第一段光纤、第二段光纤、光纤耦合器、光缆及光纤温度传感器头和压力传感器头；所述宽带光源通过第一段光纤与光纤耦合器的输入端相连，该光纤耦合器的一个输出端与光缆相连，另一输出端通过第二段光纤与模块化光谱仪的输入端相连，该模块化光谱仪通过数据传输线与数据处理器相连；所述一个或一个以上的光纤温度传感器头和压力二参量传感器头分布在光缆的另一端。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器头主要由一段光纤构成，在该段光纤的芯中构造相隔一段距离的两个1一2微米的微小气泡。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光纤温度传感器头主要由具有一个反射端面的一段光纤构成，在该段光纤的芯中构造一个1-2微米的微小气泡与该光纤的反射端面相隔一段距离。

4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述光纤压力传感器头包括一段毛细管，两段光纤分别从该毛细管两端插入并与毛细管密封封装成一体，该两段光纤的端面在该毛细管内相隔形成长度一定的空腔。

5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述的一段光纤的芯中构造有相隔一段距离的两个1-2微米的微小气泡，集成为温度和压力二参量传感器头。

6.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述的一段光纤的芯中构造有一个1-2微米的微小气泡，集成为温度和压力二参量传感器头。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，还包括由金属外套和金属保护套管构成封装结构，该集成的温度和压力二参量传感器头放置于该金属外套内，通过密封与固定点封装为一体；该光纤传感头的尾部光纤置于金属保护套管内。金属保护套管与封装金属外套筒通过密封连接。

8.如权利要求2、3、4或5所述的传感器，其特征在于，所述的光纤采用石英玻璃制造的光纤。

9.如权利要求2、3、4或5所述的传感器，其特征在于，所述的光纤温度传感器头和压力传感器头分布在所述光缆中的同一根光纤上。

10.如权利要求2、3、4或5所述的传感器，其特征在于，600微米至10mm

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