CN104458105A - 一种检测油井压力的方法及所用的光栅压力传感器 - Google Patents

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贾昌磊
林涛
高华
曾勇
赵宗琦
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Abstract

本发明公开了一种检测油井压力的方法及所用的光栅压力传感器。该方法是将传感器放入油井内，通过传感器将油井内的压力转换成应变元件上薄壁圆筒上薄壁几何尺寸的应变，再通过压力测量光栅将应变元件上圆筒薄壁几何尺寸的应变转换为光栅布拉格中心波长的变化；根据光栅布拉格中心波长的变化量可得油井内当前压力。本发明在结构上采用了具有应力放大功能的薄壁圆筒结构，压力光栅安装在薄壁圆筒圆周外壁上，沿着薄壁圆筒外壁的径向贴装，温度光栅安装在薄壁圆筒底部的厚壁上，以使其能够不敏感应力，避免了现有技术中压力和温度交叉敏感的安装方式，在进行压力采集时可进行温度补偿。提高了传感器结构的可靠性和压力温度测量的精确性。

Description

一种检测油井压力的方法及所用的光栅压力传感器
技术领域
本发明涉及一种检测油井压力的方法及所用的光栅压力传感器，属于油田井下压力测量技术领域。
背景技术
油井井下的压力、温度是衡量油井状况的重要参数，目前，油井井下的压力、温度参数的监测通常是采用电子压力测试技术来实现，但是在高温、高压、强腐蚀的井下环境中，电子产品长期工作的稳定性和可靠性极其有限，甚至不能使用。光纤光栅压力温度测试具有耐高温、高压、腐蚀、可分布式测量、可永久性放置等优点，相对传统电子式压力计，极大的提高了压力温度测量环境适应性和应用范围。但是目前光纤压力温度测试技术存在传感器测试稳定性差、温度压力交叉感染等问题。这些缺点限制了光纤光栅压力温度传感器的大范围推广。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种检测油井压力的方法及所用的光栅压力传感器，以解决现有传感器测试稳定性差、温度压力交叉感染等问题，从而克服现有技术的不足。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明的一种检测油井压力的方法为，该方法是将传感器放入油井内，通过传感器将油井内的压力转换成应变元件上薄壁圆筒上薄壁几何尺寸的应变，再通过压力测量光栅将应变元件上圆筒薄壁几何尺寸的应变转换为光栅布拉格中心波长的变化；布拉格中心波长与压力和温度存在的函数关系为Δλ=K P ×ΔP+K T ×ΔT，其中，Δλ布拉格中心波长变化量，K P 为压力敏感系数，K T 为温度敏感系数；通过标定消除温度敏感系数对布拉格中心波长的影响后，当前光栅布拉格中心波长的变化量即对应油井内当前压力。
前述方法中，所述压力转换是通过贴在应变元件薄壁上的压力测量光栅实现，在传感器受到油井内压力的作用时，应变元件发生形变，致使应变元件薄壁的几何尺寸产生应变，再通过压力测量光栅将几何尺寸应变转换为光纤光栅布拉格中心波长的变化。
前述方法中，所述应变元件的薄壁上贴有温度补偿光栅，通过温度补偿光栅可以在测量压力的同时测出实时温度，在通过光栅布拉格中心波长变化量计算油井压力时，可引入温度补偿系数，以获得更精确的压力值。
本发明的一种用于上述方法的光栅压力传感器为，该光栅压力传感器包括应变元件；应变元件中部为圆筒状，圆筒的侧壁为薄壁，圆筒的一端为厚壁，薄壁上粘贴有压力测量光栅，厚壁上粘贴有温度补偿光栅；压力测量光栅与温度补偿光栅之间经普通光纤连接；压力测量光栅和温度补偿光栅分别经普通光纤与传输光纤连接。
前述光栅压力传感器中，所述应变元件采用Inconel 718材料制成，材料的弹性模量为1.99×10 5 MPa～2.01×10 5 MPa，泊松比为0.29～0.30。
前述光栅压力传感器中，所述应变元件上薄壁圆筒的内径为10.01～12.48mm，壁厚为1.2～1.5mm。
前述光栅压力传感器中，所述应变元件贴有温度补偿光栅的一侧设有保护壳。
前述光栅压力传感器中，所述应变元件上设有光纤孔，传输光纤穿过光纤孔与外界连接。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，本发明在结构上采用了具有应力放大功能的薄壁圆筒结构，压力光栅安装在薄壁圆筒两端的薄壁上，温度光栅安装在薄壁圆筒的侧壁上，避免了现有技术中压力和温度交叉敏感的安装方式，在进行压力采集时可进行温度补偿。实现了传感器结构的可靠性和压力温度测量的精确性。因此能够实现可靠的高温高压井下压力温度测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是应变元件的结构示意图。
图中的标记为：1-应变元件，2-薄壁，3-厚壁，4-压力测量光栅，5-温度补偿光栅，6-普通光纤，7-传输光纤，8-保护壳，9-光纤孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。
本发明的一种检测油井压力的方法为，如图1和图2所示，该方法是将传感器放入油井内，通过传感器将油井内的压力转换成应变元件上薄壁圆筒上薄壁几何尺寸的应变，再通过压力测量光栅将应变元件上圆筒薄壁几何尺寸的应变转换为光栅布拉格中心波长的变化；布拉格中心波长与压力和温度存在的函数关系为Δλ=K P ×ΔP+K T ×ΔT，其中，Δλ布拉格中心波长变化量，K P 为压力敏感系数，K T 为温度敏感系数；通过标定消除温度敏感系数对布拉格中心波长的影响后，当前光栅布拉格中心波长的变化量即对应油井内当前压力。压力转换是通过贴在应变元件薄壁上的压力测量光栅实现，在传感器受到油井内压力的作用时，应变元件发生形变，致使应变元件薄壁的几何尺寸产生应变，再通过压力测量光栅将几何尺寸应变转换为光纤光栅布拉格中心波长的变化。应变元件的薄壁上贴有温度补偿光栅，通过温度补偿光栅可以在测量压力的同时测出实时温度，在通过光栅布拉格中心波长变化量计算油井压力时，可引入温度补偿系数，以获得更精确的压力值。
本发明的一种用于上述方法的光栅压力传感器的结构示意图如图1和图2所示，该光栅压力传感器包括应变元件1；应变元件1中部为圆筒状，圆筒的侧壁为薄壁2，圆筒的一端为厚壁3，薄壁2上粘贴有压力测量光栅4，厚壁3上粘贴有温度补偿光栅5；压力测量光栅4与温度补偿光栅5之间经普通光纤6连接；压力测量光栅4和温度补偿光栅5分别经普通光纤6与传输光纤7连接。所述应变元件采用Inconel 718材料制成，材料的弹性模量为1.99×10 5 MPa～2.01×10 5 MPa，泊松比为0.29～0.30。应变元件1上薄壁圆筒的内径为10.01～12.48mm，壁厚为1.2～1.5mm。应变元件1贴有温度补偿光栅5的一侧设有保护壳8。应变元件1上设有光纤孔9，传输光纤7穿过光纤孔9与外界连接。
具体实施时，首先应根据油井下高温，高压强腐蚀的特点，选择制作传感器的材料，本例选用的材料为Inconel 718。
然后根据油井下的压力范围(70MPa)、超压范围(150%)以及所选择材料的弹性模量、泊松比等参数，计算出传感器结构中薄壁圆筒的最大允许直径厚度比，本例的最大允许直径厚度比为8.96：1。并根据传感器的压力精度要求(0.2%F.S)和所使用的波长解调仪的精度（3pm）计算出传感器结构中薄壁圆筒的最小允许直径厚度比，本例的最大允许直径厚度比为8.34：1。实际选取的直径厚度比要不小于8.34、不大于8.96，本文中选取了8.34作为直径厚度比。然后根据传感器材料的耐腐蚀特性、机械加工的表面平整度等特性合理选择传感器结构中的薄壁圆筒的厚度，根据机加水平、合格率等因素，本文设计的壁厚为1.2mm～1.5mm；然后根据最大允许直径厚度比和最小允许直径厚度比计算传感器中薄壁圆筒的内径。最后按图1和图2所示结构加工传感器，为了保护压力光栅和温度光栅的安全，在传感器外设有保护壳。

Claims (8)

1.一种检测油井压力的方法，其特征在于：该方法是将传感器放入油井内，通过传感器将油井内的压力转换成应变元件上薄壁圆筒上薄壁几何尺寸的应变，再通过压力测量光栅将应变元件上圆筒薄壁几何尺寸的应变转换为光栅布拉格中心波长的变化；布拉格中心波长与压力和温度存在的函数关系为Δλ=KP×ΔP+KT×ΔT，其中，Δλ布拉格中心波长变化量，KP为压力敏感系数，KT为温度敏感系数；通过标定消除温度敏感系数对布拉格中心波长的影响后，当前光栅布拉格中心波长的变化量即对应油井内当前压力。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述压力转换是通过贴在应变元件薄壁上的压力测量光栅实现，在传感器受到油井内压力的作用时，应变元件发生形变，致使应变元件薄壁的几何尺寸产生应变，再通过压力测量光栅将几何尺寸应变转换为光纤光栅布拉格中心波长的变化。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述应变元件的薄壁上贴有温度补偿光栅，通过温度补偿光栅可以在测量压力的同时测出实时温度，在通过光栅布拉格中心波长变化量计算油井压力时，可引入温度补偿系数，以获得更精确的压力值。
4.一种用于权利要求1至3任一权利要求所述方法的光栅压力传感器，其特征在于：包括应变元件（1）；应变元件（1）中部为圆筒状，圆筒的侧壁为薄壁（2），圆筒的一端为厚壁（3），薄壁（2）上粘贴有压力测量光栅（4），厚壁（3）上粘贴有温度补偿光栅（5）；压力测量光栅（4）与温度补偿光栅（5）之间经普通光纤（6）连接；压力测量光栅（4）和温度补偿光栅（5）分别经普通光纤（6）与传输光纤（7）连接。
5.根据权利要求4所述光栅压力传感器，其特征在于：所述应变元件（1）采用Inconel 718材料制成，材料的弹性模量为1.99×105MPa～2.01×105MPa，泊松比为0.29～0.30。
6.根据权利要求4所述光栅压力传感器，其特征在于：所述应变元件（1）上薄壁圆筒的内径为10.01～12.48mm，壁厚为1.2～1.5mm。
7.根据权利要求6所述光栅压力传感器，其特征在于：所述应变元件（1）贴有温度补偿光栅（5）的一侧设有保护壳（8）。
8.根据权利要求7所述光栅压力传感器，其特征在于：所述应变元件（1）上设有光纤孔（9），传输光纤（7）穿过光纤孔（9）与外界连接。
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