CN105044628A - 一种光纤f-p腔磁敏感器及磁定位测井装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤F-P腔磁敏感器及应用于磁定位测井的装置，该磁定位测井装置包括光源模块、光纤链路模块、光纤F-P腔磁敏感器、两块磁铁及测井信号处理模块；其中光纤F-P腔磁敏感器包括封装壳体、信号传输光纤、设置在封装壳体内的光纤准直器和磁致伸缩棒，信号传输光纤、光纤准直器和磁致伸缩棒组成磁场敏感与信号传输光路，磁致伸缩棒与光纤准直器处于同一轴线上，且磁致伸缩棒的一端面垂直固定于封装壳体上，另一端面与光纤准直器端面平行形成F-P腔。本发明结构简单，测量稳定性好、灵敏度高而且精度高，适合于高温、高压、强电磁干扰等恶劣环境下进行磁定位的测量。

Description

一种光纤F-P腔磁敏感器及磁定位测井装置

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光纤F-P腔磁敏感器及应用于磁定位测井的装置。

背景技术

磁场测量技术的应用已经深入到工业、农业、国防以及生物、医学、宇航等各个部门，尤其石油工业普遍采用磁定位测井来获得磁定位曲线，作为测井项目中校准深度的基础资料，能对套管柱结构及工具的位置提供准确定位,为调整井下工具位置、射孔位置、初步判断套管腐蚀情况等提供指导性建议，同时还可进行验证套管标准短节位置、验封隔器位置、判断井下管柱结构、准确确定井下工具(油管、套管、封隔器、配水器等)的长度等。但在这种应用下对磁敏感传感器提出非常高的要求，需要在高探测灵敏度下，适应耐高温高压、强电磁干扰的工作环境等。

实现微弱磁场测量的技术与方法很多，如磁通门法、磁光泵发、超导量子器件干涉法。目前测井行业主要使用电法磁定位测井方法，其装置由永磁铁、感应线圈以及信号处理电路等组成，主要通过电子器件来实现，在很多特殊环境的下磁场测量中(如高温高压油井磁定位测试)，电子式测量仪器受温度、电磁干扰以及信号传输等限制，很难实现高精度、高可靠性的测量，有时甚至无法完成测量，极大地限制磁定位测井仪的应用范围。光纤传感器具有高灵敏度、高精度、大动态范围、抗电磁干扰、以及耐高温高压等显著技术优势，受到了世界范围内的关注，虽然国内外都开展了相关的研究，但直接应用石油井下的磁定位测量装置还未见报道。

用于测量磁场的光纤传感器有基于磁致伸缩效应的Mach-Zehnder干涉型光纤磁场传感器和Michelson干涉型光纤磁场传感器、Fabry-Perot干涉型光纤磁场传感器和基于双布拉格光栅光纤磁场传感器等。

基于磁致伸缩效应的Mach-Zehnder干涉型光纤磁场传感器和Michelson干涉型光纤传感器的基本原理一致。把一定的光纤缠绕在磁致伸缩材料上，磁致伸缩材料在外界磁场的作用下形成微小变化，这种变化造成了缠绕在其上光纤的参数(长度、折射率)改变，使得在干涉臂中传输光波的光程差发生变化，即实现磁场信号到光波相位信息的调制，这种结构的光纤磁场传感器结构简单，但在进行交流或直流磁场的测量时需要外加直流或交流磁场偏置线圈，信号解调复杂，并且受环境如温度、震动、光纤弯曲等影响较大，同时因光在光纤中传输时偏振态的随机变化使测量结果极其不稳定。

Fabry-Perot干涉型光纤磁场传感器利用了低精度的F-P干涉仪，将单模光纤和金属玻璃丝放在空心管中构成了EFFP弱磁传感器，光纤端面和金属玻璃丝端面构成了F-P腔，光在光纤端面反射部分和在金属玻璃丝端面反射后再进入光纤的光干涉，这种结构因光纤中直接输出光波的发散性，使得F-P的腔长只能做到微米量级，导致其磁场测量灵敏度和精度较低。

基于双布拉格光栅光纤磁场传感器则由框架、等腰三脚架悬臂梁、2段电流线管线圈、细的载流直导线、双光栅(FBG)组成。双FBG沿中心线对称地刚性粘贴在等腰三角形悬臂梁的前后两边，载流直导线沿悬臂梁的中心线被刚性的粘贴在悬臂梁的自由端。当电磁力作用在悬臂梁上时，会导致悬臂梁的形变，这种形变作用于双FBG使双FBG的布拉格波长发生漂移，应用差动技术对双FBG的波长漂移进行测量，通过漂移量就可以反映出磁场情况。该光纤磁场传感器稳定性好，但存在温度交叉敏感性、灵敏度低、结构复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光纤F-P腔磁敏感器及磁定位测井装置，该光纤F-P腔磁敏感器及磁定位测井装置可以很好地解决现有测井磁定位装置精度低、可靠性低、响应速度慢等问题。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种光纤F-P腔磁敏感器，包括封装壳体、信号传输光纤、设置在封装壳体内的光纤准直器和磁致伸缩棒，信号传输光纤、光纤准直器和磁致伸缩棒组成磁场敏感与信号传输光路，磁致伸缩棒与光纤准直器处于同一轴线上，且磁致伸缩棒的一端面垂直固定于封装壳体上，另一端面与光纤准直器端面平行形成F-P腔。

进一步地，封装壳体内填充有用于稳固传输光纤和光纤准直器的封装填充材料。

一种磁定位测井装置，包括光源模块、光纤链路模块、光纤F-P腔磁敏感器、两块磁铁及测井信号处理模块；光纤F-P腔磁敏感器包括封装壳体、传输光纤、设置在封装壳体内的光纤准直器和磁致伸缩棒，信号传输光纤、光纤准直器和磁致伸缩棒组成磁场敏感与信号传输光路，磁致伸缩棒与光纤准直器处于同一轴线上，且磁致伸缩棒的一端面垂直固定于封装壳体上，另一端面与光纤准直器端面平行形成F-P腔；光源模块的输出端与光纤链路模块的输入端连接，光纤链路模块的输出端和测井信号处理模块的输入端连接，两块磁铁分布在封装壳体两端，且N极相对；

光源模块用于产生特定功率与一定光谱范围的光波信号；

光纤链路模块用于控制所述光波信号偏振态后，将光波信号耦合进信号传输光纤，并将信号传输光纤输出的干涉光波信号耦合输出到测井信号处理模块；

光纤准直器其端面镀有反射膜，用于将信号传输光纤中的光波信号一部分反射回信号传输光纤，一部分准直输出到磁致伸缩棒的端面；

磁致伸缩棒用于根据井下磁场分布的不同情况改变光纤F-P腔的腔长，进而改变光纤F-P腔反射的干涉光波信号光谱特性；

测井信号处理模块包括光谱采集模块、嵌入式CPU模块以及输入输出接口，经过测井信号处理模块对光纤F-P腔磁敏感器的干涉信号光谱特性进行光谱分析和数据处理，即可确定测井套管接箍位置。

进一步地，光纤链路模块包括光纤环形器和用于控制光源模块输出光波信号偏振态的偏振控制器。

进一步地，光纤环形器包括第一端、第二端和第三端，光纤环形器的第一端与偏振控制器的输出端连接，用于接收经偏振控制器调节后的光波信号；光纤环形器的第二端连接信号传输光纤，用于将光波信号耦合进信号传输光纤以及接收信号传输光纤中输出的干涉光波信号；光纤环形器的第三端用于将所述干涉光波信号耦合输出到测井信号处理模块。

与现有技术相比，该磁定位测井装置具有的优点如下：

(1)采用基于光纤F-P磁敏感器的井下磁场信息采集方法，井下磁场信息采集部分为全光纤结构，具有抗电磁干扰、耐高温、响应时间快等优点，用同一根信号传输光纤对信号进行传输与接收，使磁场信号采集和处理部分与探测部分相分离，结构简单、便于维护；

(2)使用光纤F-P腔磁敏感器是通过磁致伸缩棒端面与光纤准直器端面形成的F-P腔结构进行磁场测量，光纤准直器为自聚焦透镜，与传统光纤F-P腔结构相比，减小了光在光纤F-P腔中的传输损耗，腔长可增加到厘米量级，形成长腔长弱反射F-P腔磁敏感结构，极大地改善其磁场测量灵敏度，保证能实现高精度磁场测量；

(3)采用干涉光波信号光谱特性检测方法，与传统磁场光波相位检测方法相比，不需要在光纤F-P磁敏感器外部增加直流或交流磁场偏置线圈，结构简单，测量稳定性好、灵敏度高而且精度高；

(4)封装壳体实现磁致伸缩棒和光纤准直器的安装固定和保护，满足高温高压等恶劣测试环境要求；

(5)封装壳体内填充有封装填充材料，既能够稳固传输光纤和光纤准直器，又能起到保护传输光纤和光纤准直器的作用，通过填充不同的填充材料能够满足不同的场合使用，提高本发明的使用范围和实用性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请一个实施例的磁定位测井装置的结构示意图。

图2示出了根据本申请一个实施例的光纤F-P腔磁敏感器的结构示意图。

其中：1、信号传输光纤；2、封装填充材料；3、封装壳体；4、光纤准直器；5、反射膜；6、磁致伸缩棒；7、光源模块；8、光纤链路模块；81、偏振控制器；82、光纤环形器；9、磁铁；10、测井信号处理模块。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

根据本发明的一个实施例，提供一种光纤F-P腔磁敏感器，如图2所示，包括封装壳体3、信号传输光纤1、设置在封装壳体3内的光纤准直器4和磁致伸缩棒6，信号传输光纤1、光纤准直器4和磁致伸缩棒6组成磁场敏感与信号传输光路，磁致伸缩棒6与光纤准直器4处于同一轴线上，且磁致伸缩棒6的一端面垂直固定于封装壳体3上，另一端面与光纤准直器4端面平行形成F-P腔。

根据本发明的一个实施例，封装壳体3内填充有用于稳固信号传输光纤1和光纤准直器4的封装填充材料2。

光纤准直器4为自聚焦透镜，自聚焦透镜端面镀有反射膜5。光纤准直器4将信号传输光纤1中的光波信号一部分反射回信号传输光纤1，一部分准直输出到磁致伸缩棒6的端面，并将磁致伸缩棒6端面反射的光波信号耦合进信号传输光纤1。

磁致伸缩棒6是由对磁场敏感但对压强和温度不敏感的材料制成，磁致伸缩棒6在磁场变化时其状态将发生改变，宏观上表现为尺寸或体积的微小变化。

信号传输光纤1可以采用标准的单模光纤。封装壳体3的结构可以根据其内部的光纤准直器4和磁致伸缩棒6的结构进行设定，也可以在封装壳体3内填充封装填充材料2，封装壳体3结合封装填充材料2一起实现光纤准直器4和磁致伸缩棒6的安装和固定。封装壳体3可以采用不锈钢加工，满足高温、高压等恶劣测试环境要求，也可以根据不同的使用场合而使用不同的材质加工。封装填充材料2可以使用耐高温无机胶，也可以采用其他的材料，使其满足不同的场合使用。

该光纤F-P腔磁敏感器的工作原理是：在周围磁场发生改变时，磁致伸缩棒6的形状发生变化，导致该光纤F-P腔的腔长发生改变，经过磁致伸缩棒6端面反射的光波信号的特性发生变化，光纤准直器4将特性改变了的光波信号耦合到信号传输光纤1中，与经光纤准直器4反射膜5反射回信号传输光纤1中光波信号发生干涉，干涉形成的光波信号即为携带有磁场信息的干涉光波信号。

根据本发明的一个实施例，提供一种磁定位测井装置，如图1、图2所示，包括光源模块7、光纤链路模块8、光纤F-P腔磁敏感器、两块磁铁9及测井信号处理模块10；光纤F-P腔磁敏感器包括封装壳体3、信号传输光纤1、设置在封装壳体3内的光纤准直器4和磁致伸缩棒6，信号传输光纤1、光纤准直器4和磁致伸缩棒6组成传输光路，磁致伸缩棒6与光纤准直器4处于同一轴线上，且磁致伸缩棒6的一端面垂直固定于封装壳体3上，另一端面与光纤准直器4端面平行形成F-P腔；光源模块7的输出端与光纤链路模块8的输入端连接，光纤链路模块8的输出端分别与信号传输光纤1和测井信号处理模块10的输入端连接，两块磁铁9分布在封装壳体3两端，且N极相对；

光源模块7用于产生特定功率与相干长度的光波信号，光源模块7可采用半导体激光器，该半导体激光器线宽要保证有一定的相干长度，在温度与功率控制电路以及起偏器作用下，输出波长稳定、功率稳定的线偏振光；

光纤链路模块8用于控制所述光波信号偏振态后，将光波信号耦合进信号传输光纤1，并将信号传输光纤1输出的干涉光波信号耦合输出到测井信号处理模块10；

光纤准直器4其端面镀有反射膜5，用于将信号传输光纤1中的光波信号一部分反射回信号传输光纤1，一部分准直输出到磁致伸缩棒6的端面；

磁致伸缩棒6用于根据井下磁场分布的不同情况改变光纤F-P腔磁敏感器的腔长，从而改变反射干涉光波信号光谱特性；

测井信号处理模块10包括光谱采集模块、嵌入式CPU模块以及输入输出接口，经过测井信号处理模块对光纤F-P腔磁敏感器的干涉信号光谱特性进行光谱分析和数据处理，即可确定测井套管接箍位置。

根据本发明的一个实施例，光纤链路模块8包括光纤环形器82和用于控制光源模块7输出光波信号偏振态的偏振控制器81。

根据本发明的一个实施例，光纤环形器82包括第一端、第二端和第三端，光纤环形器82的第一端与偏振控制器81的输出端连接，用于接收经偏振控制器81调节后的光波信号；光纤环形器82的第二端连接信号传输光纤1，用于将光波信号耦合进信号传输光纤1以及接收信号传输光纤1中输出的干涉光波信号；光纤环形器82的第三端用于将所述干涉光波信号耦合输出到测井信号处理模块10。

本发明中，光纤F-P腔磁敏感器和两块磁铁9为井下部分，井下磁场信息采集部分为全光纤结构，具有抗电磁干扰、耐高温、响应时间快等优点；光源模块7、光纤链路模块8及测井信号处理模块10为井上部分，井上部分和井下部分用同一根信号传输光纤1对信号进行传输与接收，使磁场信号采集和处理部分与探测部分相分离，结构简单、便于维护；

本发明的磁定位测井装置的工作过程是：将光纤F-P腔磁敏感器放在井口，随后逐渐沿井壁向下，光源模块7发出特定功率与相干长度的光波信号，经过偏振控制器81输出偏正态，经光纤环形器82的第一端输入到光纤环行器，又经光纤环行器的第二端耦合到信号传输光纤1中，信号传输光纤1中的一部分光波信号经光纤准直器4反射回信号传输光纤1中，一部分光波信号经光纤准直器4准直输出至磁致伸缩棒6端面；当光纤F-P腔磁敏感器经过测井套管接箍位置时，光纤F-P腔腔长发生变化，导致磁致伸缩棒6端面反射的光波信号的光谱特性发生改变，光纤准直器4将特性改变了的光波信号耦合到信号传输光纤1中，与经光纤准直器4反射膜5反射回信号传输光纤1中光波信号发生干涉，形成携带有磁场信息的干涉光波信号，该干涉光波信号经光纤环行器的第三端耦合输出至测井信号处理模块10，经过测井信号处理模块10进行光谱分析和数据处理，即可确定测井套管接箍位置。

以上所述实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以所述权利要求为准。

Claims (5)

1.一种光纤F-P腔磁敏感器，其特征在于：包括封装壳体、信号传输光纤、设置在封装壳体内的光纤准直器和磁致伸缩棒，所述信号传输光纤、光纤准直器和磁致伸缩棒组成磁场敏感与信号传输光路，所述磁致伸缩棒与光纤准直器处于同一轴线上，且磁致伸缩棒的一端面垂直固定于封装壳体上，另一端面与光纤准直器端面平行形成F-P腔。

2.根据权利要求1所述的光纤F-P腔磁敏感器，其特征在于：所述封装壳体内填充有用于稳固信号传输光纤和光纤准直器的封装填充材料。

3.一种磁定位测井装置，其特征在于：包括光源模块、光纤链路模块、光纤F-P腔磁敏感器、两块磁铁及测井信号处理模块；所述光纤F-P腔磁敏感器包括封装壳体、信号传输光纤、设置在封装壳体内的光纤准直器和磁致伸缩棒，所述信号传输光纤、光纤准直器和磁致伸缩棒组成磁场敏感与信号传输光路，所述磁致伸缩棒与光纤准直器处于同一轴线上，且磁致伸缩棒的一端面垂直固定于封装壳体上，另一端面与光纤准直器端面平行形成F-P腔；所述光源模块的输出端与光纤链路模块的输入端连接，所述光纤链路模块的输出端和测井信号处理模块的输入端连接，所述两块磁铁分布在封装壳体两端，且N极相对；

所述光源模块用于产生特定功率与一定光谱范围的光波信号；

所述光纤链路模块用于控制所述光波信号偏振态后，将光波信号耦合进所述传输光纤，并将所述信号传输光纤输出的干涉光波信号耦合输出到测井信号处理模块；

所述光纤准直器其端面镀有反射膜，用于将信号传输光纤中的光波信号一部分反射回信号传输光纤，一部分准直输出到磁致伸缩棒的端面；

所述磁致伸缩棒用于根据井下磁场分布的不同情况改变光纤F-P腔的腔长，进而改变光纤F-P腔反射的干涉光波信号光谱特性；

所述测井信号处理模块包括光谱采集模块、嵌入式CPU模块以及输入输出接口，经过测井信号处理模块对光纤F-P腔磁敏感器的干涉光波信号光谱特性进行光谱分析和数据处理，即可确定测井套管接箍位置。

4.根据权利要求3所述的磁定位测井装置，其特征在于：所述光纤链路模块包括光纤环形器和用于控制光源模块输出光波信号偏振态的偏振控制器。

5.根据权利要求4所述的磁定位测井装置，其特征在于：所述光纤环形器包括第一端、第二端和第三端，所述光纤环形器的第一端与偏振控制器的输出端连接，用于接收经偏振控制器调节后的光波信号；所述光纤环形器的第二端连接信号传输光纤，用于将所述光波信号耦合进传输光纤以及接收所述信号传输光纤中输出的干涉光波信号；所述光纤环形器的第三端用于将所述干涉光波信号耦合输出到测井信号处理模块。