CN104234701B - 一种井下光纤压力计及井下压力测量方法 - Google Patents

Abstract

一种井下光纤压力计及井下压力测量方法，涉及光纤压力计及井下压力测量方法。本发明是要解决现有压力监测仪表存在结构复杂、施工难度大、精度低、稳定性差、带电操作、受光源波动大、在高温高压高腐蚀环境下常规压力计无法使用的问题。一种井下光纤压力计，包括：外壳、中心管、密封圈I、密封圈II、上接头、下接头、光栅I、光纤线圈、光栅II、铠装光缆和解调设备；井下压力测量方法：流体通过中心管时会对中心管横切面方向产生压力的作用，在中心管环向就会产生应力，应力导致中心管在环向产生应变，光纤光栅Fabry‑Perot腔的反射光强也会随之产生改变，最后通过地面上的解调设备进行测量。本发明应用于石油测井领域。

Description

一种井下光纤压力计及井下压力测量方法

技术领域

本发明涉及石油测井领域，具体涉及光纤压力计及井下压力测量方法。

背景技术

在油气井的勘探和开发过程中，生产人员需要不断地进行各种油气藏的动态测试，实时监控、测取油气藏的地层压力参数，并依据这些参数准确评价油田产能，优化油田产能的评价方法，确定合理的开发方案、以及安全生产等。从2008年开始以来，我国石油工业的进程得到了飞速的发展，为了提高石油产量，各大小油田都开始了老油田的再次开采方面的研究工作，这其中的一些工艺措施例如压裂、酸化、井下注水等对生产井改善的具体情况，是需要在石油开发的过程中准确测量油气层压力数据来进行判断的。同时，在日常的相关采油工作中，井下地层压力的数据也为油田确定开发指标提供了数据的支持。

对于早期以注水方式开发的大型陆相非均质、多油层砂岩油田来说，油层在纵向和横向上均存在着严重的非均质性，由于经过长期的高压注水，形成了井下的多压力层系，导致一口油井在纵向上存在着高压层与低压层交错分布的复杂地下环境，在井上施工作业过程中，例如完井施工中，既要保证压稳高压层，又要设法预防压漏地层，并且固井的质量很难保证，给完井施工等造成很大难度。所以在注水井开发过程中，做好井下分层压力监测对于油田油水井开发效果的提高具有非常重要的意义，井下油层压力的监测与控制在油田开发的整个过程中占有极其重要的地位，他是反映原油蕴藏储能大小以及分布的重要指标，在实施有效的油藏管理过程中发挥着重要的作用。

为了探测和反馈油田的井下压力，目前，较常用的井下压力监测仪表主要分为机械式压力计、毛细钢管压力计、电子式压力计和光纤压力传感器四大类。但是由于井下环境恶劣诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰，前三种方法存在结构复杂、施工难度大、精度不高、稳定性差、带电操作等缺点。光纤传感器以其电磁干扰不敏感、能承受极端恶劣条件、传感端不含电子元器件、高精度测量井筒和井场环境参数、器件体积小、安装相对容易、易于网络化等优点而广泛引起人们的注意。

目前，常用的光纤传感器主要包括有微弯光纤传感器、干涉型光纤传感器、布拉格光栅光纤传感器、分布式光纤传感器等。其中微弯光纤传感器易受光源波动、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器噪声等而影响了测量精度；干涉型传感器对光路一致性要求较高，限制了系统的灵活性；光纤光栅传感器存在测量精度和分辨率相对较低、系统结构复杂、解调难度大等问题。

因此，本发明提出一种井下光纤压力计，用于解决现有压力监测仪表存在结构复杂、施工难度大、精度不高、稳定性差、带电操作、受光源波动大、在高温高压高腐蚀环境下常规压力计无法使用的问题。

发明内容

本发明是要解决现有压力监测仪表存在结构复杂、施工难度大、精度低、稳定性差、带电操作、受光源波动大、在高温高压高腐蚀环境下常规压力计无法使用的问题，而提供了一种井下光纤压力计及井下压力测量方法。

一种井下光纤压力计，包括：

外壳、中心管、密封圈I、密封圈II、上接头、下接头、光栅I、光纤线圈、光栅II、铠装光缆和解调设备；

所述外壳与中心管同轴并通过螺纹连接包裹中心管下部，所述中心管下端固定有四个轴向密封圈I和密封圈II，所述中心管上端固定有四个轴向密封圈I和密封圈II，所述中心管顶端与带有管锥螺纹的上接头通过螺纹连接，所述中心管底端与带有管锥螺纹的下接头通过螺纹连接，所述铠装光缆穿过中心管上端左侧的边孔，并在中心管上端左侧的边孔处焊接固定，所述光栅I、光纤线圈、光栅II通过铠装光缆与外部解调设备相连接，所述光栅II的一端与铠装光缆里的光纤相连，光栅II的另一端与光纤线圈的一端相连，所述光纤线圈的另一端与光栅I相连，所述光纤线圈缠绕在中心管中央位置。

井下压力测量方法按以下步骤实现：

一、井下光纤压力计通过如下公式得到压力，其中环向应变与压力的关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})$ 公式1

其中，ε_θ为中心管(2)管道外壁沿管线环向应变，ν为泊松比，E为管材的弹性模量，K为外径跟内径的比值，p为管道承受的内压；

中心管横截面对应的周长为：

l＝2·π·r 公式2

其中，r为中心管(2)管道外径，l为中心管(2)管道圆周周长；

二、假定变形前后横截面保持不变，一匝光纤受到的应变为：

L₁＝l·ε_θ 公式3

N匝光纤受到的应变为：

L_N＝N·L₁ 公式4

其中，L₁为光纤线圈中单匝光纤所受的应变，N为光纤线圈缠绕的匝数，L_N为N匝光纤所受的总应变，亦即Fabry-Perot腔腔长L_F-P的变化量；

整理以上各式得到Fabry-Perot腔腔长L_F-P与压力p之间的关系：

$L_{F-P}=2\mathrm{\πrN}\·[\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})]$ 公式5

三、解调设备(10)探测到的反射光光强为：

I_r＝2R_g(1-cosδ)I₀ 公式6

$\mathrm{\δ}=\frac{{4\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}{L}_{F-P}$ 公式7

其中，R_g为光纤光栅的反射率，δ为相位差，I₀为入射光光强，I_r为反射光光强，n_eff为光纤有效折射率，λ为入射光波长，L_F-P为Fabry-Perot腔腔长即L_N；

由公式6、公式7得到反射光强Ir与Fabry-Perot腔腔长L_F-P之间的关系：

$I_r={2R}_g[1-\cos \left(\frac{{4\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}{L}_{F-P}\right)]I_0$ 公式8

四、将公式5 $L_{F-P}=2\mathrm{\πrN}\·[\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})]$ 代入到公式8中即得到反射光强I_r与中心管(2)所受压力p的关系：

$I_r={2R}_g{I}_0\{1-\cos [\frac{{8\mathrm{Nr\π}}^2{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}\·(\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\left]\right\}$

最后由解调设备(10)探测光强度I_r的变化即可知道中心管所受压力p的大小。

有益效果

本发明是基于光纤光栅-法布里珀罗腔原理的井下光纤压力计，它结合了光纤光栅和法布里-珀罗腔的特点，实现高精度传感，它具有更高的灵敏度、更大的分辨率和更灵活的解调方法，且结构简单，井下无需供电，便于复用，更适用于高温高压高腐蚀环境。

工作原理：

当井下流体通过中心管2时会对中心管2横切面方向产生压力的作用，在中心管2环向就会产生应力，这个应力导致中心管2在环向产生应变，带动粘贴于中心管2上的光纤线圈7产生协同形变，光纤光栅Fabry-Perot腔的反射光强也会随之产生改变，最后通过地面上的解调设备10进行测量，计算出管中压力大小，通过地面上的解调设备10进行测量，计算出管中压力大小。

附图说明

图1是本发明井下光纤压力计主视图；

图2是本发明的传感元件光纤光栅Fabry-Perot腔的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种井下光纤压力计包括：

外壳1、中心管2、密封圈I3-1、密封圈II3-2、上接头4、下接头5、光栅I6、光纤线圈7、光栅II8、铠装光缆9和解调设备10；

所述外壳1与中心管2同轴并通过螺纹连接包裹中心管2下部，所述中心管2下端固定有四个轴向密封圈I3-1和密封圈II3-2，所述中心管2上端固定有四个轴向密封圈I3-1和密封圈II3-2，所述中心管2顶端与带有管锥螺纹的上接头4通过螺纹连接，所述中心管2底端与带有管锥螺纹的下接头5通过螺纹连接，所述铠装光缆9穿过中心管2上端左侧的边孔，并在中心管2上端左侧的边孔处焊接固定，所述光栅I6、光纤线圈7、光栅II8通过铠装光缆9与外部解调设备10相连接，所述光栅II8的一端与铠装光缆9里的光纤相连，光栅II8的另一端与光纤线圈7的一端相连，所述光纤线圈7的另一端与光栅I6相连，所述光纤线圈7缠绕在中心管2中央位置。

所述的轴向密封圈用来防止井下流体进入压力计；

所述解调设备10位于地面上，通过铠装光缆9与井下光纤压力计相连；

所述的铠装光缆9焊接固定于中心管2上端左侧边孔处，并实现内部光纤的密封保护。

有益效果

本实施方式是基于光纤光栅-法布里珀罗腔原理的井下光纤压力计，它结合了光纤光栅和法布里-珀罗腔的特点，实现高精度传感，精度可达0.02％FS(FS：满量程)它具有更大的分辨率(0.01％FS)和更灵活的解调方法，且结构简单，井下无需供电，便于复用，更适用于高温高压高腐蚀环境，此外它属于非插入式测量，不影响油井生产，适用于永久监测。

工作原理：

当井下流体通过中心管2时会对中心管2横切面方向产生压力的作用，在中心管2环向就会产生应力，这个应力导致中心管2在环向产生应变，带动粘贴于中心管2上的光纤线圈7产生协同形变，光纤光栅Fabry-Perot腔的反射光强也会随之产生改变，最后通过地面上的解调设备10进行测量，计算出管中压力大小，通过地面上的解调设备10进行测量，计算出管中压力大小。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述光栅I6和光栅II8是参数完全相同的光栅，所述参数包括：中心波长、反射率和光栅周期。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述光纤线圈7共缠绕中心管2N匝，光栅I6、光纤线圈7、光栅II8一起组成光纤光栅Fabry-Perot腔，光栅I6和光栅II8相当于Fabry-Perot腔的反射镜，光纤线圈7的长度作为Fabry-Perot腔腔长。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的光纤光栅Fabry-Perot腔作为井下光纤压力计的传感元件。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述上接头4与下接头5的管锥螺纹分别用来连接上和下级生产管柱。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式：井下压力测量方法按以下步骤实现：

一、井下光纤压力计通过如下公式得到压力，其中环向应变与压力的关系为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})$ 公式1

其中，ε_θ为中心管(2)管道外壁沿管线环向应变，ν为泊松比，E为管材的弹性模量，K为外径跟内径的比值，p为管道承受的内压；

中心管横截面对应的周长为：

l＝2·π·r 公式2

其中，r为中心管(2)管道外径，l为中心管(2)管道圆周周长；

二、假定变形前后横截面保持不变，一匝光纤受到的应变为：

L₁＝l·ε_θ 公式3

N匝光纤受到的应变为：

L_N＝N·L₁ 公式4

其中，L₁为光纤线圈中单匝光纤所受的应变，N为光纤线圈缠绕的匝数，L_N为N匝光纤所受的总应变，亦即Fabry-Perot腔腔长L_F-P的变化量；

整理以上各式得到Fabry-Perot腔腔长L_F-P与压力p之间的关系：

$L_{F-P}=2\mathrm{\πrN}\·[\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})]$ 公式5

三、解调设备(10)探测到的反射光光强为：

I_r＝2R_g(1-cosδ)I₀ 公式6

$\mathrm{\δ}=\frac{{4\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}{L}_{F-P}$ 公式7

其中，R_g为光纤光栅的反射率，δ为相位差，I₀为入射光光强，I_r为反射光光强，n_eff为光纤有效折射率，λ为入射光波长，L_F-P为Fabry-Perot腔腔长即L_N；

由公式6、公式7得到反射光强I_r与Fabry-Perot腔腔长L_F-P之间的关系：

$I_r={2R}_g[1-\cos \left(\frac{{4\mathrm{\πn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}{L}_{F-P}\right)]I_0$ 公式8

四、将公式5 $L_{F-P}=2\mathrm{\πrN}\·[\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+(\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})]$ 代入到公式8中即得到反射光强I_r与中心管(2)所受压力p的关系：

$I_r={2R}_g{I}_0\{1-\cos [\frac{{8\mathrm{Nr\π}}^2{n}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{\λ}}\·(\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\left]\right\}$

最后由解调设备(10)探测光强度I_r的变化即可知道中心管所受压力p的大小。

Claims (5)

1.一种井下压力测量方法，其特征在于井下压力测量方法按以下步骤实现：

一、井下光纤压力计通过如下公式得到压力，其中环向应变与压力的关系为：

其中，ε_θ为中心管(2)管道外壁沿管线环向应变，ν为泊松比，E为管材的弹性模量，K为外径跟内径的比值，p为管道承受的压力；

所述井下光纤压力计包括：

外壳(1)、中心管(2)、密封圈I(3-1)、密封圈II(3-2)、上接头(4)、下接头(5)、光栅I(6)、光纤线圈(7)、光栅II(8)、铠装光缆(9)和解调设备(10)；

所述外壳(1)与中心管(2)同轴并通过螺纹连接包裹中心管(2)下部，所述中心管(2)下端固定有四个轴向密封圈I(3-1)和密封圈II(3-2)，所述中心管(2)上端固定有四个轴向密封圈I(3-1)和密封圈II(3-2)，所述中心管(2)顶端与带有管锥螺纹的上接头(4)通过螺纹连接，所述中心管(2)底端与带有管锥螺纹的下接头(5)通过螺纹连接，所述铠装光缆(9)穿过中心管(2)上端左侧的边孔，并在中心管(2)上端左侧的边孔处焊接固定，所述光栅I(6)、光纤线圈(7)、光栅II(8)通过铠装光缆(9)与外部解调设备(10)相连接，所述光栅II(8)的一端与铠装光缆(9)里的光纤相连，光栅II(8)的另一端与光纤线圈(7)的一端相连，所述光纤线圈(7)的另一端与光栅I(6)相连，所述光纤线圈(7)缠绕在中心管(2)中央位置；

中心管横截面对应的周长为：

l＝2·π·r 公式2

其中，r为中心管(2)管道外径，l为中心管(2)管道圆周周长；

二、假定变形前后横截面保持不变，一匝光纤受到的应变为：

L₁＝l·ε_θ 公式3

N匝光纤受到的应变为：

L_N＝N·L₁ 公式4

其中，L₁为光纤线圈中单匝光纤所受的应变，N为光纤线圈缠绕的匝数，L_N为N匝光纤所受的总应变，亦即Fabry-Perot腔腔长L_F-P的变化量；

整理以上各式得到Fabry-Perot腔腔长L_F-P与压力p之间的关系：

三、解调设备(10)探测到的反射光光强为：

I_r＝2R_g(1-cosδ)I₀ 公式6

其中，R_g为光纤光栅的反射率，δ为相位差，I₀为入射光光强，I_r为反射光光强，n_eff为光纤有效折射率，λ为入射光波长，L_F-P为Fabry-Perot腔腔长；

由公式6、公式7得到反射光光强I_r与Fabry-Perot腔腔长L_F-P之间的关系：

四、将公式5代入到公式8中即得到反射光光强I_r与中心管(2)所受压力p的关系：

$I_r=2R_g{I}_0\{1-cos\[\frac{8{\mathrm{Nr\π}}^2{n}_{eff}}{\mathrm{\λ}}\·(\frac{2-v}{E}\frac{p}{K^2-1}+\frac{1}{\ln K}-\frac{2}{K^2-1})\]\}$

最后由解调设备(10)反射光光强I_r的变化即可知道中心管所受压力p的大小。

2.根据权利要求1所述一种井下压力测量方法，其特征在于所述光栅I(6)和光栅II(8)是参数完全相同的光栅，所述参数包括：中心波长、反射率和光栅周期。

3.根据权利要求2所述一种井下压力测量方法，其特征在于所述光纤线圈(7)共缠绕中心管(2)N匝，光栅I(6)、光纤线圈(7)、光栅II(8)一起组成光纤光栅Fabry-Perot腔，光栅I(6)和光栅II(8)相当于Fabry-Perot腔的反射镜，光纤线圈(7)的长度作为Fabry-Perot腔腔长。

4.根据权利要求3所述一种井下压力测量方法，其特征在于所述的光纤光栅Fabry-Perot腔作为井下光纤压力计的传感元件。

5.根据权利要求4所述一种井下压力测量方法，其特征在于所述上接头(4)与下接头(5)的管锥螺纹分别用来连接上和下级生产管柱。