CN101187307A

CN101187307A - 用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法及其装置

Info

Publication number: CN101187307A
Application number: CNA2007101795932A
Authority: CN
Inventors: 黄正宇
Original assignee: BEIJING WEILANSHI TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Beijing Weilanshi Technology Co., Ltd.; State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: CN101187307B

Abstract

本发明涉及用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法及其装置，属于智能井技术领域，该方法包括：在光缆上分布有多个光纤温度传感器与光纤压力传感器，该传感器分别反射的逆向光转化为光谱数据，再传输到处理器，分别得到所有传感器的反射光谱，将最大反射率对应的波长值，作为相应温度传感器的特征参量；计算出各个压力传感器的空腔腔长，作为对应的传感器的特征参量；再与特征参量标定曲线对比，得到光纤传感器的温度或压力读数。该装置包括宽带光源、模块化光谱仪、数据传输线、数据处理器、第一、第二段光纤、光纤耦合器、光缆及光纤温度与压力二参量传感器组。本发明解决了光纤光栅技术用于压力传感器时存在的压力漂移和温度串扰问题。

Description

用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法及其装置

技术领域

本发明属于智能井技术领域，特别涉及通过光缆与地面的解调器，可以实时读取油井内不同位置或不同油层的温度与压力的全光纤传感器的设计。

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，应用智能井技术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。

光纤光栅技术开始于20世纪70年代末期，在20世纪90年代开始在光纤通讯中得到大规模的应用。光纤光栅技术是指利用单模光纤经紫外光空间周期性作用下沿着光纤轴向方向感生周期性折射率变化而形成的全新光纤型光栅。成栅后的光纤纤芯呈现周期性分布，产生光栅效应。光纤光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波。光纤光栅的峰值反射波长受到温度与应力的影响，因此被广泛应用于温度、压力、应力、加速度、位移、电流等等传感领域。已有的基于光纤光栅原理的智能井光纤传感器开发公司有美国Weatherford公司，巴西Gavea公司。其主要产品为单点压力温度传感器。光纤光栅技术用于智能井光纤传感器的优点在于：生产方便；插入损耗小，易于实现分布式测量。光纤光栅技术用于智能井光纤传感器的缺点在于：光纤光栅制作的压力传感器，其温度敏感性远远超过其压力敏感性，因此会造成较大的温度串扰，从而大大影响其测压精度；光纤光栅制作的压力传感器存在很大的漂移。

光纤法布里-帕罗技术起源于20世纪70年代初期，其原理是由两个平行端面形成两个反射面从而形成干涉。光纤法布里-帕罗腔的光谱特性受到平行端面反射率、角度、间距、折射率的影响，因此可以被广泛用于温度、压力、应力、加速度、位移、电流等等传感领域。国外基于光纤法布里-帕罗技术的智能井光纤传感器开发公司有美国Baker-Hughs公司，美国Luna Technologies公司，加拿大FISO公司等。其主要产品为单点压力温度传感器。光纤法布里-帕罗技术用于智能井光纤传感器的优点在于：漂移小；相比光纤光栅技术可以长期工作在更高的温度；温度串扰很小。光纤法布里-帕罗技术用于智能井光纤传感器的缺点在于：插入损耗偏大；每一个传感器的光谱响应都是宽谱的，如果多个传感器级联，则相互之间会形成干扰，因此不易于实现分布式传感。

当前油田开采的趋势为：油气井的深度不断增加，井温越来越高；水平井技术迅速推广，一口油井穿越多个油层，同时进行开采。这一发展趋势对于智能井光纤传感器提出了新的要求--在更高温度下稳定工作的多点分布式压力温度传感。光纤光栅技术从插入损耗小的特点虽然适合分布式传感，但是用它制作的压力传感器存在压力漂移和温度串扰的问题是难以在短期内解决的。因此，光纤光栅技术适用于单点以及分布式温度测量，但是对于单点以及分布式压力测量，还有很多问题需要解决。光纤法布里-帕罗技术虽然可以工作在更高的温度，而且压力漂移和温度串扰比光纤光栅要明显减小，但是它存在插入损耗偏大、多个传感器级联则相互之间会形成光谱干扰，因此不易于实现分布式传感。另外，当前基于光纤法布里-帕罗技术的光纤传感器都是为单点测量设计的，其第二个反射面一般为金属、介质薄膜，或者是抛光的金属或者玻璃反射端面。这类结构不需要因此也没有考虑光在通过传感器后继续向前传播的问题，因此这类传感器的结构无法支持分布式的压力测量。综上所述，目前适于测量多点温度与压力的智能井用光纤传感器在国内外尚缺乏产品。

发明内容

本发明的目的旨在解决在高温环境下用光纤传感器同时监测多个油层的压力和温度的问题，提供一种用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法及其装置，本发明有效的解决了光纤法布里-帕罗技术插入损耗偏大、多个传感器级联则相互之间会形成光谱干扰的问题，使之适合于实现分布式压力传感，从而解决了光纤光栅技术用于压力传感器时存在的压力漂移和温度串扰问题。本发明可同时监测油井中多点压力与温度，从而推广光纤传感器在石油领域的运用。同时适用于油田、化工等领域的压力与温度测量。

本发明提出的用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)从宽带光源发出的光经光纤耦合器注入构成光缆的光纤中；该光缆上分布有多个光纤温度传感器与光纤压力传感器，并使该多个光纤温度传感器与光纤压力传感器处于智能井的不同深度，所述光纤温度传感器采用光纤光栅传感器，所述光纤压力传感器由分别插入毛细管内部的相隔一定距离的两根光纤，及两根光纤的两个端面形成的空腔组成；

2)所述光纤温度传感器与光纤压力传感器分别反射的逆向光通过光缆由光纤耦合器注入光谱仪；该光谱仪将输入光谱转化为光谱数据，并传输至数据处理器；

3)所述数据处理器对接收的光谱数据进行分离处理，分别得到包含所有光纤温度传感器的反射光谱的叠加光谱、各个光纤压力传感器的反射光谱；

4)从该包含所有光纤温度传感器的反射光谱的叠加光谱中，找出每一个光纤温度传感器相应的最大反射率对应的波长值，作为对应的光纤温度传感器的特征参量；

5)从各个光纤压力传感器的反射光谱，计算出各个光纤压力传感器的去除温度串挠的空腔腔长值，作为对应的光纤压力传感器的特征参量；

6)该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。

本发明提出折采用上述方法的装置，其特征在于，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、光缆及光纤温度与压力二参量传感器组；所述宽带光源通过第二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；所述光纤温度传感器与光纤压力传感器组分布在光缆的另一端；所述光纤温度传感器采用光纤光栅传感器，所述光纤压力传感器由分别插入套管内部的相隔一定距离的两根光纤，及两根光纤的两个端面形成的空腔组成。

本发明的特点及效果：本发明提出的用于智能井的光纤多点温度与压力传感器解决了光纤光栅技术用于压力传感器时存在的压力漂移和温度串扰问题，也从结构和算法上解决了光纤干涉技术用于分布式压力测量的问题。该传感器的温度分辨率达到0.1℃，压力分辨率达到0.7kPa。该传感器的最大工作温度可以达到300℃，长期稳定工作温度可以达到150℃。该传感器适合于水平井与分支井的多油层实时温度与压力测量。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为本发明的总体结构框图。

图2为本发明的光纤压力传感器的结构示意图。

图3为本发明的光纤压力传感器的腔长与插入损耗的关系曲线图。

图4为本发明的光纤压力传感器的封装结构示意图。

图5为本发明的光纤温度传感器的封装结构示意图。

图6A为本发明的光纤传感器沿光缆的一种分布示意图。

图6B为本发明的光纤传感器沿光缆的一种分布示意图。

图7A为本发明的光纤压力传感器的抗混叠分布示意图。

图7B为本发明的光纤温度传感器的抗混叠分布示意图。

图8A为本发明的光纤传感器的叠加光谱图。

图8B为本发明的光纤传感器的叠加光谱的频谱变换。

图8C为本发明的数字滤波后还原的单个光纤压力传感器的反射光谱。

具体实施方式

本发明提出的用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法及其装置，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的测量方法结合图1说明如下：

从宽带光源1发出的光经耦合注入光纤6，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组14，光纤温度传感器与光纤压力传感器组14的在外界的温度与压力作用下，其反射的光谱分别被调制，并且逆向再次经过光缆8，经由光纤耦合器5注入模块化光谱仪2；模块化光谱仪将输入光谱转化为光谱数据，经数据传输线3传输至数据处理器4；数据处理器对光谱数据进行分离处理，分别得到以下光谱数据：包含了所有的光纤温度传感器的反射光谱的叠加光谱数据，每一个光纤压力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，得到每一个光纤温度传感器的中心反射波长值和每一个光纤压力传感器的空腔腔长值；数据处理器将得到的每一个光纤温度传感器的中心反射波长值与存储在数据处理器中的每一个光纤温度传感器的中心反射波长值与温度的标定曲线对比，从而得到每一个光纤温度传感器的温度读数；数据处理器将得到的每一个光纤压力传感器的空腔腔长值与存储在数据处理器中的每一个光纤压力传感器的空腔腔长值与压力的标定曲线对比，从而得到每一个光纤压力传感器的压力读数。

用于本发明方法的装置总体结构如图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组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；所述光纤温度传感器与光纤压力传感器组14分布在光缆8的另一端；所述光纤温度传感器采用光纤光栅传感器，所述光纤压力传感器由分别插入套管内部的相隔一定距离的两根光纤，及两根光纤的两个端面形成的空腔组成。

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，油井护管13用于防止土壤11落入井内。

本发明装置的一种实施例为：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。

本发明装置的光纤压力传感器结构如图2所示，其主要结构是将两根光纤17、22分别插入毛细管19中并分别与毛细管固定封装18，两根光纤的端面20、21相隔一定距离，形成长度一定的空腔，形成的空腔位于毛细管的内部。其中光纤压力传感器的光输入光纤17连接在光缆8上。光纤压力传感器的光输出光纤22将光能量继续向下一个传感器传输，同时光纤17与22的端面20与21构成干涉腔。光纤17与22的端面20与21是切割或者研磨处理过的，具有1-4％的反射率。光纤17与22插入毛细管19，并且分别通过密封结构18与19相连、固定与密封。光纤端面20与21将分别反射宽带光源的入射光。这两束光将一起在光纤17中传导，并且产生光学干涉。本发明的光纤压力传感器的空腔腔长G随环境压力P的变化关系如公式(1)所示：

G - G_{0} - (G_{T} - G_{T 0}) = \frac{{Lr}_{o}^{2}}{E (r_{o}^{2} - r_{i}^{2})} (1 - 2 v) (P - P_{0}) - - - (1)

式中：G₀为光纤压力传感器无外界压力时的初始腔长，G_T为外界温度为T时的腔长、G_T0为室温下的腔长、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。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19、光纤17与22存在不可忽略的热膨胀系数，因此外界温度会引起腔长G的变化。外界温度为T时的腔长G_T与外界温度T的关系由公式(2)所示：

G_T-G_T0＝[(α_T-α_h)L₀+α_hG₀](T-T₀) (2)

其中α_T、α_h、L₀、T、T₀分别是毛细管热膨胀系数、光纤热膨胀系数、两个固定点的间距的初始值、当前外界温度、初始外界温度；这样，由光谱处理得到当前单个压力传感器的空腔腔长值G。用温度传感器得到的当前温度值T代入公式(2)，得到外界温度为T时的腔长G_T。将G与G_T值代入公式(3)，得到排除温度串扰的空腔腔长值G_P：

G_P＝G-G₀-(G_T-G_T0) (3)

根据排除温度串扰的空腔腔长值G_P，代入公式(1)，可以得到外界压力值P。排除串扰后的空腔腔长值G_P与外界压力存在单一的函数关系，这个函数关系通常是线性的。由腔长G_P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。图2所示的光纤压力传感器实施例为：光纤17与光纤22采用美国Corning公司的SMF28单模光纤，毛细管18采用内径为250微米、外径为1毫米的316L低碳不锈钢管，封装与密封结构18采用美国Epotek公司的353ND高温环氧树脂，光纤压力传感器的初始空腔腔长G₀为82微米。

本发明的光纤压力传感器将从光纤17中出射的光能量耦合入光纤22，并且在光纤22中继续向前传播，从而为在同一光缆上级联于该传感器之后的其它光纤传感器提供了光能量输入。光纤压力传感器的空腔腔长G直接影响其插入损耗。光纤压力传感器的空腔腔长G越大，该传感器的插入损耗就越大。光纤压力传感器的插入损耗与空腔腔长的关系由公式4表述

α = - 10 \lg \frac{4 (4 Z^{2} + \frac{w_{1}^{2}}{w_{2}^{2}})}{{(4 Z^{2} + \frac{w_{1}^{2} + w_{2}^{2}}{w_{2}^{2}})}^{2} + 4 Z^{2} \frac{w_{2}^{2}}{w_{1}^{2}}} - - - (4)

其中

Z = \frac{G}{n_{2} k_{0} w_{1} w_{2}},

w_{1} = a_{1} \sqrt{β_{1}^{2} - n_{2}^{2} k_{0}^{2}},

w_{2} = a_{2} \sqrt{β_{2}^{2} - n_{2}^{2} k_{0}^{2}} .

G、n₂、k₀、β₁、β₂分别为空腔腔长、光纤芯区折射率、宽带光源的平均波长值在真空中的传播常数、宽带光源的平均波长值在光纤17中的传播常数、宽带光源的平均波长值在光纤22中的传播常数。光纤压力传感器的插入损耗与空腔腔长的关系如图3所示。如果光纤压力传感器的插入损耗过大，则会大大降低光缆8上级联在该光纤压力传感器之后的所有光纤传感器的信噪比，从而影响测量结果。因此在不提高解调算法难度的前提下，要尽可能的减小每一个光纤压力传感器的空腔腔长。光纤压力传感器的最大允许空腔腔长取决于宽带光源1的入纤功率和模块化光谱仪2的动态范围。宽带光源的入纤功率越高、模块化光谱仪的动态范围越大，光纤压力传感器允许的空腔腔长就越长。光纤压力传感器的空腔腔长与光源和光谱仪的关系的一个实施例为：当光源的入纤功率为15mW，光谱仪的动态范围为60dB时，光纤压力传感器的空腔腔长的上限建议为300微米，其插入损耗达到15dB。光纤压力传感器组在光纤传感器组14上的分布原则为：设光纤传感器组14上分布有空腔腔长不等的多个光纤压力传感器，为了减小光纤压力传感器的插入损耗对级联在它之后的其它光纤传感器的信噪比的影响，短空腔腔长的光纤压力传感器相比长空腔腔长的光纤压力传感器，在光缆8上的分布应该更加靠近光源1。

采用图A所示的光纤压力传感器的封装结构的实施例如图4所示。图中，光纤压力传感器插入封装金属套筒30，通过密封件27与金属套筒30相连接、固定与密封。密封件27用于隔绝外界压力对分布在同一根光纤上的其它光纤压力传感器与光纤温度传感器的影响，同时起到固定光纤压力传感器的作用。金属套筒30中部有螺纹外界压力入口29。金属套筒30通过螺纹外界压力入口29与产油管上的压力输出口对接，或者直接与外界原油接触。光纤压力传感器的封装金属套筒与光缆金属保护筒之间的密封结构28用于将套筒30与光缆的金属保护筒之间密封起来。图4所示的光纤压力传感器封装结构的一个实施例为：金属套筒30的外径为19.05毫米，材料为316L低碳不锈钢，密封结构28为激光焊缝或者氩弧焊缝，密封件27为美国Epotek公司的353ND高温环氧树脂。

图5所示为光纤温度传感器的封装结构的实施例，其中光纤温度传感器25与光纤24和光纤26相连接，并且位于毛细管23的内部。光纤温度传感器25采用光纤光栅。光纤光栅的最大反射率对应的波长与环境温度符合线性关系，因此通过监测光纤光栅的最大反射率对应的波长，可以得到环境温度。光纤温度传感器只在以最大反射率对应的波长为中心的一个窄带内反射，对于其它波长的光能量基本不产生衰减。因此，其它波长的光能量将通过该光纤温度传感器，继续在光缆8中向前传输。光纤温度传感器的光输入光纤24将由宽带光源1发出的光传导到光纤温度传感器25。其中部分能量由光纤温度传感器25反射回光纤24，最终被模块化光谱仪2接收。而剩余的能量继续通过光纤温度传感器的光输出光纤26向下一个光纤传感器传播。光纤与光纤温度传感器置于光纤温度传感器封装用的毛细管23中，其中毛细管内部的压力为常压。图3所示的光纤温度传感器封装结构的一个实施例为：光纤24和光纤26采用美国Corning公司的SMF28单模光纤，毛细管23采用内径为1毫米的316L低碳不锈钢毛细管。

采用图4所示的光纤压力传感器与图5所示的光纤温度传感器组成的用于智能井的光纤多点温度与压力传感器在光缆上分布的两种实施例如图6所示。图6A中，光缆8上串联了多个光纤温度传感器15，在光缆8的末端串联了一个光纤压力传感器16。其中，多个光纤温度传感器用于测量油井中不同深度的温度，单个光纤压力传感器用于测量油井中的压力。图6A所示的光纤传感器组的分布的一个实施例为：光纤传感器用于单口油井的测量，其中1个光纤压力传感器与一个光纤温度传感器位于1600米深处的油层，另外11个光纤温度传感器在地面与油层之间等间隔的分布，用于实时测量油井纵剖面的温度分布。图6B中，光缆8上串联了多个光纤温度传感器15，在光纤温度传感器组中间隔串联了多个光纤压力传感器16。其中，多个光纤温度传感器用于测量油井中不同深度的温度，多个光纤压力传感器用于测量油井中不同油层的压力。图4B所示的光纤传感器组的分布的一个实施例为：光纤传感器用于水平井的测量，水平井通过3个油层Y1、Y2、Y3。其中Y1油层位于900米深处、Y2油层位于1400米深处、Y3油层位于1600米深处。在井内对应每一个油层的深度放置一个光纤温度传感器与光纤压力传感器。在油层Y1与Y2之间等间隔放置6个光纤温度传感器，在油层Y2与Y3之间等间隔放置3个光纤温度传感器。光纤8上共放置3个光纤压力传感器和12个光纤温度传感器，用于监测每一个油层的温度和压力、以及油井纵剖面的温度分布。

如图6所示，光纤传感器组14在光缆8上的分布可以按照应用要求，在不同位置上连接一个或者多个光纤温度传感器15或者一个或者多个压力传感器16。为了保证对每一个光纤压力传感器的正确解调，要求光缆8中的同一根光纤上不同的光纤压力传感器在其工作温度与压力范围内的空腔腔长变化区间是不相互重合的。光缆8的同一根光纤上不同的光纤压力传感器的空腔腔长分布规则如图7A所示，在光缆8上的多个光纤压力传感器16的空腔腔长的工作范围为区间1、2、直至n。不同的区间之间应该有隔离带，以防止腔长相邻的光纤压力传感器的反射谱在傅立叶变换时发生串扰。如图6B所示的光纤压力传感器的空腔腔长分布的一个实施例为：光缆8上分布有3个光纤压力传感器，其温度工作范围为0-150℃、压力工作范围为0.1-130MPa。第一个光纤压力传感器的腔长区间1为20.179-22.031微米，第二个光纤压力传感器的腔长区间2为38.447-40.011微米，第三个光纤压力传感器的腔长区间3为63.722-65.109微米。其中，隔离带1的范围是22.031-38.447微米，隔离带2的范围是40.011-63.722微米。为了保证对每一个光纤温度传感器的正确解调，要求同一根光缆8的同一根光纤上不同的光纤温度传感器15在其工作温度范围内的中心反射波长的变化区间是不相互重合的。同一根光缆8的同一根光纤上不同的光纤温度传感器的中心反射波长分布规则如图7B所示，在光缆8上的多个光纤温度传感器15的中心反射波长的工作范围为区间1、2、直至n。不同的区间之间应该有波长隔离带，以防止腔长相邻的光纤温度传感器的反射谱发生串扰。如图5B所示的光纤温度传感器的中心反射波长分布的一个实施例为：光缆8上分布有3个光纤温度传感器，其温度工作范围为0-150℃。第一个光纤温度传感器的波长区间1为1527.02-1528.60纳米、隔离带1的范围是1528.60-1529.0纳米。第二个光纤温度传感器的波长区间1为1529.3-1530.9纳米、隔离带2的范围是1530.9-1532.0纳米。第三个光纤温度传感器的波长区间1为1532.1-1534.0纳米。

一个典型的光纤压力传感器的反射光谱由公式5描述

I (λ) = I_{s} (λ) [1 + γ \cos (\frac{4 πG}{λ})] - - - (5)

其中λ为波长，I(λ)为反射光谱，I_s(λ)为宽带光源光谱，G为空腔腔长，γ为干涉条纹对比度。光纤压力传感器的反射光谱I(λ)的交流部分是1/λ的余弦函数。对I(1/λ)进行傅立叶变换，得到频域中的一个窄带信号，其频率正比于空腔腔长G。光纤温度传感器的反射光谱I(λ)可以近似于1/λ的脉冲函数。对I(1/λ)进行傅立叶变换，得到频域中的一个宽带信号，其功率谱密度均匀分配在较广的频域范围内。因此在傅立叶变换的频域中，某一个光纤压力传感器对应的窄带内，光纤温度传感器的功率谱密度非常小，可以忽略。而在光谱信号中，某一个光纤温度传感器对应的波长范围内，光纤压力传感器的光功率密度非常小，可以忽略。

在光缆上不同位置分布的光纤压力传感器的空腔腔长G的起始值是不同的，因此这些光纤压力传感器在傅立叶变换的频域中对应的窄带信号是不发生混叠的。因此，可以针对每一个光纤压力传感器构造窄带带通数字滤波器。用每一个窄带带通数字滤波器对模块化光谱仪接收到的光谱I(1/λ)进行数字滤波，从而得到每一个光纤压力传感器的反射光谱。对该反射光谱进行处理，即得到其空腔腔长。再由标定曲线，得到光纤压力传感器的压力读数。其中，所述的数字滤波器可以使用但不限于无限冲击响应滤波器：Butterworth、Chebyshev I、Chebyshev II、Elliptic、Maximally flat、Least Pth-norm；和有限冲击响应滤波器：Equiripple、Least-squares、Window、ComplexEquiripple、Maximally flat、Least Pth-norm、Constrained Equiripple、Generalized Equiripple、Interpolated FIR；以及基于这些数字滤波器原理的变换的数字滤波器。

得到每一个光纤温度传感器的温度的过程描述如下：在各光纤温度传感器的反射光叠加光谱中每一个光纤温度传感器的中心波长反射峰值明显可见。在光纤温度传感器的中心波长的带宽内，光纤压力传感器的光功率密度非常小，可以忽略，因此光纤压力传感器的反射光谱在这个窄带内不会对光纤温度传感器造成大的光强扰动。在光纤温度传感器对应的窄带内找到光强最大值，该最大值对应的波长值就是该光纤温度传感器的中心反射波长。通过标定曲线，得到该光纤温度传感器的温度值。图8A所示是12个光纤温度传感器与3个光纤压力传感器的混叠光谱。其中12个光纤温度传感器的中心反射峰值用黑点标出，清晰可见。因此，解调光纤温度传感器的中心反射波长可以通过图8A所示的光谱直接得到。图8B所示是对图8A所示光谱的傅立叶变换频谱分析，其中处于低频端的3个峰值清晰可见。因此，虽然多个光纤压力传感器的光谱在光谱域上是混叠的，但是在频域中是可以明确区分的。图8C是通过数字滤波器将腔长最短的光纤压力传感器的滤出并还原、归一化得到的光谱。对该光谱进行计算，即可得到该光纤压力传感器的空腔腔长。

综上所述，本发明提出了一种用于油井中多点温度与压力测量方法及其装置，其中包括了光纤传感器沿光缆的分布原则及实施例、空腔腔长分布原则及实施例、波长分布原则及实施例，以及基于光谱复用技术的相应算法。本发明可以用于多油层的实时温度压力监测，在石油开采领域具有良好的应用前景。

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

Claims

1.一种用于智能井的光纤多点温度与压力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中计算各个光纤压力传感器的去除温度串挠的空腔腔长值的具体步骤为：

光纤压力传感器的空腔腔长G随环境压力P的变化关系如公式(1)所示：

G - G_{0} - (G_{T} - G_{T 0}) = \frac{{Lr}_{o}^{2}}{E (r_{o}^{2} - r_{i}^{2})} (1 - 2 v) (P - P_{0}) - - - (1)

式中：G₀为初始腔长，G_T为外界温度为T时的腔长，G_T0外界温度为室温T₀时的空腔腔长，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；外界温度为T时的腔长G_T与外界温度T的关系由公式(2)所示：

G_T-G_T0＝[(α_T-α_h)L₀+α_hG₀](T-T₀) (2)

即由光谱处理得到当前单个压力传感器的空腔腔长值G；式中α_T、α_h、L₀、T、T₀分别是毛细管热膨胀系数、光纤热膨胀系数、两个固定点的间距的初始值、当前外界温度、初始外界温度；

用温度传感器得到的当前温度值T代入公式(2)，得到外界温度为T时的腔长G_T；

将G与G_T值代入公式(3)，得到排除温度串扰的空腔腔长值G_P：

G_P＝G-G₀-(G_T-G_T0) (3)

根据排除温度串扰的空腔腔长值G_P，代入公式(1)，可以得到外界压力值P。

3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述光缆的同一根光纤上分布的各个光纤温度传感器的中心反射波长的间隔要使得每个光纤温度传感器的中心反射波长在其整个测量的温度范围内的变化区间都是不相互重合；所述的中心反射波长为光纤温度传感器的最大反射率对应的波长值。

4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，在所述光缆的同一根光纤上分布的各光纤压力传感器的空腔腔长变化区间之间的间隔要使得在其整个测量的温度与压力范围内的每个光纤压力传感器空腔腔长变化区间都是不相互重合。

5.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述分离处理是采用数字滤波器对接收的光谱数据进行滤波处理，分别得到包含所有光纤温度传感器的反射光谱的叠加光谱、各个光纤压力传感器的光谱。

6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述多个光纤压力传感器的空腔腔长由短到长分布在距离宽带光源由近及远的光缆的同一根光纤上。

7.采用如权利要求1所述方法的装置，其特征在于，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、光缆及光纤温度与压力二参量传感器组；所述宽带光源通过第二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；所述光纤温度传感器与光纤压力传感器组分布在光缆的另一端；所述光纤温度传感器采用光纤光栅传感器，所述光纤压力传感器由分别插入套管内部的相隔一定距离的两根光纤，及两根光纤的两个端面形成的空腔组成。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光纤温度传感器与光纤压力传感器组分布在光缆中同一根光纤上。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述光纤是由石英玻璃制造的光纤。