CN108534929A - 超高温蓝宝石光纤压力计和其加工方法及压力监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高温蓝宝石光纤压力计和其加工方法及压力监测系统，系统由多个结构单元按序连接而成，主要包括超高温蓝宝石光纤压力计、传输光缆、地面解调系统。在应用本超高温蓝宝石压力计及监测系统时，首先，制备蓝宝石光纤F‑P腔。其次，将制作加工的超高温蓝宝石压力计及传输光缆并进行连接，超高温蓝宝石光纤压力计下入油管内部，一端接有光缆固定工具，地面一端通过传输光缆与地面解调系统连接。最后，将传输光缆通过尾纤与地面解调系统进行连接，从而实现对海上油田热采井井底压力实时监测。在进行稠油热采作业时，本发明可以通过传输光缆及超高温蓝宝石压力计将井下压力参数持续传输至井口和地面解调设备，可实现热采井井底压力实时监测，对稠油热采作业的油藏方案、工艺方案的评价和优化具有重要的指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种超高温蓝宝石光纤压力计和其加工方法及压力监测系统。
背景技术
在油井进行稠油热采过程中，井下实时压力数据是对油藏方案和工艺方案进行评价和优化的重要依据。
在温度大于350℃、压力大于21MPa、强电磁干扰、井下复杂的环境中，现有的压力传感器尚无法满足这些极端要求，而光纤传感器因为本质耐高温、耐高压、抗电磁干扰、尺寸小等优点可有效解决这些问题。
目前现有的压力计为传感器主体结构与光缆外铠配套，采用世伟洛克卡套密封结构连接；压力计为普通干涉仪型光纤压力传感器，此种压力计存在温度和压力两种物理量交叉敏感问题，测量误差较大，不能实现高温高压环境下压力的准确测量。此种压力计外部保护结构为世伟洛克卡套结构，其结构外径尺寸较大，并且卡套结构在经受高低温交变后，承压能力下降，容易脱落，此种压力计应用最高温度环境为300℃，难以应用于海上油田稠油热采作业工况。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种超高温蓝宝石光纤压力计和其加工方法及压力监测系统，解决现有技术中压力计存在的耐压耐温能力、外观尺寸、安全性差的问题。
本发明的技术方案为：一种超高温蓝宝石光纤压力计，由蓝宝石光纤F-P腔和外部保护结构组成；所述蓝宝石光纤F-P腔由光纤接入段、温度传感器段和压力传感器组成；所述光纤接入段为镀金实芯光纤，所述温度传感器段和所述压力传感器段为蓝宝石光纤，温度传感器段为实芯光纤、压力传感器段为空芯的薄壁光纤，温度传感器段设置于压力传感器段的前端，空芯的薄壁光纤中的微腔结构与光纤同轴。
一种超高温蓝宝石光纤压力计的加工方法，用激光在2段蓝宝石光纤端面沿轴线加工圆柱型微腔，圆柱型微腔与光纤同轴；利用熔接机将带圆柱型微腔的2段蓝宝石光纤进行熔接，形成的圆柱形封闭腔构成F-P压力传感器段，确定其中一段光纤为光纤接入端，切去另一段光纤的多余部分，将接入段的光纤长度加工至所需长度；利用飞秒激光在压力传感器的接入端蓝宝石光纤上刻制光纤光栅，从而制作温度传感器段，方法为光纤沿着x轴匀速移动，利用飞秒激光器射出激光，通过相位掩膜板的光束聚焦在光纤上进行曝光，从而在蓝宝石光纤上形成Bragg光纤光栅，形成所述温度传感器段。利用熔接机将所述光纤接入段与温度传感器段熔接，最终形成所述蓝宝石光纤F-P腔。
所述光纤接入段镀金实芯光纤与所述温度传感器蓝宝石光纤间采用熔接的方式连接。
所述超高温蓝宝石压力计外保护结构由大量程耐压基体、2个转换短接、焊接盖板构成，转换短接分别连接于大量程耐压基体左右两侧，焊接盖板盖于大量程耐压基体上方并留有传压孔隙。所述大量程耐压基体用于固定和保护内部所述蓝宝石光纤F-P腔；所述焊接盖板用于导入外部压力，并防止外界物质和大颗粒杂质进入所述超高温蓝宝石压力计内部；所述转换短接用于连接所述传输光缆与所述大量程耐压基体。
所述大量程耐压基体为825材质，外表层镀金，由测压腔、压力计接入孔、传输光纤穿入孔构成，其中测压腔是用于盛放蓝宝石光纤F-P腔，蓝宝石光纤F-P腔与测压腔间用高温胶固定，压力计接入孔是用于引入蓝宝石光纤压力计接入段，压力计接入孔位置用金锡焊料焊接，以实现蓝宝石光纤F-P腔与大量程耐压基体间的密封，传输光纤穿入孔是用于穿入其他传输光纤。
所述转换短接为同等825材质，转换短接的一端与大量程耐压基体采用氩弧环焊连接，另一端同样采用氩弧环焊与传输光缆连接。
所述焊接盖板为825材质，形状为半圆弧型，焊接盖板与大量程耐压基体间采用点焊焊接以留有间隙，用于将外部压力导入测压腔。
一种超高温蓝宝石光纤压力监测系统，所述系统包括超高温蓝宝石光纤压力计、传输光缆、地面解调系统，其中超高温蓝宝石光纤压力计位于井下，地面解调系统位于井上，传输光缆用于连接超高温蓝宝石压力计和地面解调系统。
所述地面解调系统包括监控中心、UPS、高精度压力传感分析仪、计算机；所述高精度压力传感分析仪通过所述传输光缆与所述位于井下的超高温蓝宝石光纤压力计连接；所述高精度压力传感分析仪是基于F-P滤波解调技术，其发出的光源经过所述传输光缆对所述超高温蓝宝石压力计进行扫描，当所述超高温蓝宝石压力计信号受井下压力信号调制下发生腔长变化时，通过所述高精度压力传感分析仪将光信号转换成电信号后，传输到内部数据采集模块并解调出井下压力信号。
本发明的有益效果为：本发明超高温蓝宝石压力计利用激光微加工系统在蓝宝石光纤上制作出测量压力的F-P腔，其具有耐温等级为400℃、耐压等级为34MPa，化学稳定性强、耐腐蚀及透光性良好等优势，与原有压力计结构及压力监测系统相比，提高了测温、测压等级，降低了压力计外观尺寸，降低了压力计泄露的风险，具有更广泛的适用性。本发明超高温蓝宝石光纤压力计及监测系统能有简便下入井筒水平段、测压精度高、作业安全性高，可应用于海上油田稠油热采作业工况的超高温蓝宝石光纤压力计及压力监测系统。
附图说明
图1：本发明海上油田热采注汽井超高温高压光纤压力监测系统结构示意图；
图2：本发明超高温蓝宝石压力计结构示意图；
图3：本发明超高温蓝宝石光纤压力计内部F-P腔结构示意图；
图4：本发明超高温蓝宝石光纤压力计外部保护结构示意图；
图5：大量程耐压基体结构示意图；
其中：1.光缆固定装置；2.超高温蓝宝石光纤压力计；2-1.蓝宝石光纤F-P腔；2-1-1.光纤接入段；2-1-2.温度传感器段；2-1-3.压力传感器；2-2.压力计外保护结构示意图；2-2-1.大量程耐压基体；2-2-1-1.测压腔；2-2-1-2.压力计接入孔；2-2-1-3.传输光纤穿入孔；2-2-2.转换短接；2-2-3.焊接盖板；3.传输光缆；4.油管；5.Y型穿越装置；6.隔热油管；7.耐高温封隔器；8.UPS；9.高精度压力传感分析仪；10.地面解调系统；11.计算机；12.监控中心。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图进行详细描述。
如附图1所示，超高温蓝宝石光纤压力监测系统，由多个结构单元按序连接而成，主要包括超高温蓝宝石光纤压力计2、传输光缆3、地面解调系统组成10，其中超高温蓝宝石光纤压力计2位于井下，地面解调系统10位于井上，传输光缆3用于连接超高温蓝宝石压力计2和地面解调系统10。
所述超高温蓝宝石光纤压力计2主要由蓝宝石光纤F-P腔2-1和外部保护结构2-2组成。
所述蓝宝石光纤F-P腔2-1由光纤接入段2-1-1、温度传感器段2-1-2和压力传感器2-1-3组成。
所述光纤接入段2-1-1用于将光信号持续引入高温环境中的温度、压力传感器并将调制后的光信号反馈回解调系统；所述温度传感器段2-1-2用于在高温环境作用下调制光信号；所述压力传感器段2-1-3用于在高压环境作用下调制光信号。
所述光纤接入段2-1-1是一根实芯光纤，采用镀金单模光纤，所述温度传感器2-1-2是另一根实芯光纤，采用蓝宝石光纤；所述压力传感器段2-1-3为空芯的薄壁光纤，所述温度传感器段和压力传感器段为同一根光纤，空芯的薄壁光纤中的微腔结构与光纤同轴。
所述温度传感器实芯光纤的内径为9μm，外径为125μm，长度为10-2000μm；所述压力传感器空芯光纤内径为10-120μm，外径为125μm，长度为10-2000μm，所述温度传感器长度与所述压力传感器长度应有明显差别。
所述外部保护结构2-2由大量程耐压基体2-2-1、2个转换短接2-2-2及焊接盖板2-2-3组成。所述大量程耐压基体2-2-1用于固定和保护内部所述蓝宝石光纤F-P腔2-1；所述焊接盖板2-2-3用于导入外部压力，并防止外界物质和大颗粒杂质进入所述超高温蓝宝石压力计2内部；所述转换短接2-2-2用于连接所述传输光缆3与所述大量程耐压基体2-2-1。
所述大量程耐压基体2-2-1采用825材质、外表层镀金，由测压腔2-2-1-1、压力计接入孔2-2-1-2、传输光纤穿入孔2-2-1-3组成，所述测压腔2-2-1-1是用于盛放所述蓝宝石光纤F-P腔2-1，蓝宝石光纤F-P腔2-1与所述测压腔2-2-1-1用高温胶固定，所述压力计接入孔2-2-1-2是用于引入所述光纤接入段2-1-1，所述压力计接入孔2-2-1-2位置使用金锡焊料焊接密封，以实现所述蓝宝石光纤F-P腔2-1与所述大量程耐压基体2-2-1间的密封，所述传输光纤穿入孔2-2-1-3是用于穿入其它传输光纤。
所述转换短接2-2-2采用同等825材质，所述转换短接2-2-2的一端与所述大量程耐压基体2-2-1采用氩弧环焊连接，所述转换短接2-2-2的另一端同样采用氩弧环焊与所述传输光缆3连接。
所述焊接盖板2-2-3采用同等825材质，形状为半圆弧型，焊接盖板2-2-3与大量程耐压基体2-2-1间采用点焊焊接以留有间隙，用于将外部压力导入测压腔。
所述地面解调系统10由监控中心12、UPS8、高精度压力传感分析仪9、计算机10等组成。所述高精度压力传感分析仪9通过所述传输光缆3与所述位于井下的超高温蓝宝石光纤压力计2连接；所述高精度压力传感分析仪9是基于F-P滤波解调技术，其发出的光源经过所述传输光缆3对所述超高温蓝宝石压力计2进行扫描，当所述超高温蓝宝石压力计2信号受井下压力信号调制下发生腔长变化时，通过所述高精度压力传感分析仪9将光信号转换成电信号后，传输到内部数据采集模块并解调出井下压力信号。
本发明使用时，首先，制备蓝宝石光纤F-P腔2-1。利用激光在蓝宝石光纤上制备压力传感器2-1-3；利用飞秒激光在在蓝宝石光纤上刻制光栅，制备温度传感器2-1-2；利用熔接机将所述光纤接入段2-1-1与温度传感器段2-1-2熔接，最终形成所述蓝宝石光纤F-P腔2-1。然后将蓝宝石光纤F-P腔2-1与大量程耐压基体2-2-1进行焊接后，再与转换短接2-2-2进行焊接，形成超高温蓝宝石光纤压力计2。
其次，将制作加工的超高温蓝宝石压力计2及传输光缆3并进行连接，超高温蓝宝石光纤压力计2下入油管内部，一端接有光缆固定工具，地面一端通过传输光缆3与地面解调系统10连接，超高温蓝宝石光纤压力计2沿着油管轴线方向下入井内，其中水平段传输光缆下入管柱内部，垂直段采用传输光缆与隔热油管6捆绑的方式下入油井内，传输光缆3从井底至井口依次穿过Y型穿越装置5、高温井下封隔器7。
最后，将传输光缆3通过尾纤与地面解调系统10进行连接，从而实现对海上油田热采井井底压力实时监测。
在进行稠油热采作业时，本发明可以通过传输光缆及超高温蓝宝石压力计将井下压力参数持续传输至井口和地面解调设备，可实现热采井井底压力实时监测，对稠油热采作业的油藏方案、工艺方案的评价和优化具有重要的指导意义。
Claims (9)
1.一种超高温蓝宝石光纤压力计，其特征在于，由蓝宝石光纤F-P腔(2-1)和外部保护结构(2-2)组成；所述蓝宝石光纤F-P腔(2-1)由光纤接入段(2-1-1)、温度传感器段(2-1-2)和压力传感器(2-1-3)组成；所述光纤接入段(2-1-1)为镀金实芯光纤，所述温度传感器段(2-1-2)和所述压力传感器段(2-1-3)为蓝宝石光纤，温度传感器段(2-1-2)为实芯光纤、压力传感器段(2-1-3)为空芯的薄壁光纤，温度传感器段(2-1-2)设置于压力传感器段(2-1-3)的前端，空芯的薄壁光纤中的微腔结构与光纤同轴。
2.一种超高温蓝宝石光纤压力计的加工方法，其特征在于，用激光在2段蓝宝石光纤端面沿轴线加工圆柱型微腔，圆柱型微腔与光纤同轴；利用熔接机将带圆柱型微腔的2段蓝宝石光纤进行熔接，形成的圆柱形封闭腔构成F-P压力传感器段(2-1-3)，确定其中一段光纤为光纤接入端，切去另一段光纤的多余部分，将接入段的光纤长度加工至所需长度；利用飞秒激光在压力传感器(2-1-3)的接入端蓝宝石光纤上刻制光纤光栅，从而制作温度传感器段(2-1-2)，方法为光纤沿着x轴匀速移动，利用飞秒激光器射出激光，通过相位掩膜板的光束聚焦在光纤上进行曝光，从而在蓝宝石光纤上形成Bragg光纤光栅，形成所述温度传感器段。
3.根据权利要求1中所述的超高温蓝宝石光纤压力计，其特征在于，所述光纤接入段(2-1-1)镀金实芯光纤与所述温度传感器(2-1-2)蓝宝石光纤间采用熔接的方式连接。
4.根据权利要求1中所述的超高温蓝宝石光纤压力计，其特征在于，所述超高温蓝宝石压力计外保护结构(2-2)由大量程耐压基体(2-2-1)、2个转换短接(2-2-2)、焊接盖板(2-2-3)构成，转换短接(2-2-2)分别连接于大量程耐压基体(2-2-1)左右两侧，焊接盖板(2-2-3)盖于大量程耐压基体(2-2-1)上方并留有传压孔隙。
5.根据权利要求4中所述的超高温蓝宝石光纤压力计，其特征在于，所述大量程耐压基体(2-2-1)为825材质，外表层镀金，由测压腔(2-2-1-1)、压力计接入孔(2-2-1-2)、传输光纤穿入孔(2-2-1-3)构成，其中测压腔(2-2-1-1)是用于盛放蓝宝石光纤F-P腔(2-1)，蓝宝石光纤F-P腔(2-1)与测压腔(2-2-1-1)间用高温胶固定，压力计接入孔(2-2-1-2)是用于引入蓝宝石光纤压力计接入段(2-1-1)，压力计接入孔(2-2-1-2)位置用金锡焊料焊接，以实现蓝宝石光纤F-P腔(2-1)与大量程耐压基体(2-2-1)间的密封，传输光纤穿入孔(2-2-1-2)是用于穿入其他传输光纤。
6.根据权利要求4中所述的超高温蓝宝石光纤压力计，其特征在于，所述转换短接(2-2-2)为同等825材质，转换短接(2-2-2)的一端与大量程耐压基体(2-2-1)采用氩弧环焊连接，另一端同样采用氩弧环焊与传输光缆(3)连接。
7.根据权利要求4中所述的超高温蓝宝石光纤压力计，其特征在于，所述焊接盖板(2-2-3)为825材质，形状为半圆弧型，焊接盖板与大量程耐压基体间采用点焊焊接以留有间隙，用于将外部压力导入测压腔(2-2-1-1)。
8.一种超高温蓝宝石光纤压力监测系统，其特征在于，所述系统包括超高温蓝宝石光纤压力计(2)、传输光缆(3)、地面解调系统(10)，其中超高温蓝宝石光纤压力计(2)位于井下，地面解调系统(10)位于井上，传输光缆(3)用于连接超高温蓝宝石压力计(2)和地面解调系统(10)。
9.根据权利要求8中所述的超高温蓝宝石光纤压力监测系统，其特征在于，所述地面解调系统(10)包括监控中心(12)、UPS(8)、高精度压力传感分析仪(9)、计算机(10)；所述高精度压力传感分析仪(9)通过所述传输光缆(3)与所述位于井下的超高温蓝宝石光纤压力计(2)连接；所述高精度压力传感分析仪(9)是基于F-P滤波解调技术，其发出的光源经过所述传输光缆(3)对所述超高温蓝宝石压力计(2)进行扫描，当所述超高温蓝宝石压力计(2)信号受井下压力信号调制下发生腔长变化时，通过所述高精度压力传感分析仪(9)将光信号转换成电信号后，传输到内部数据采集模块并解调出井下压力信号。
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