CN111964740B - 一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法 - Google Patents

一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111964740B
CN111964740B CN202010819947.0A CN202010819947A CN111964740B CN 111964740 B CN111964740 B CN 111964740B CN 202010819947 A CN202010819947 A CN 202010819947A CN 111964740 B CN111964740 B CN 111964740B
Authority
CN
China
Prior art keywords
grating
stainless steel
temperature
cobalt
sensing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010819947.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111964740A (zh
Inventor
乔学光
张天熙
杨居朋
王炜
马雯雯
王若晖
白燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NORTHWEST UNIVERSITY
Original Assignee
NORTHWEST UNIVERSITY
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NORTHWEST UNIVERSITY filed Critical NORTHWEST UNIVERSITY
Priority to CN202010819947.0A priority Critical patent/CN111964740B/zh
Publication of CN111964740A publication Critical patent/CN111964740A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111964740B publication Critical patent/CN111964740B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6847—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow where sensing or heating elements are not disturbing the fluid flow, e.g. elements mounted outside the flow duct

Abstract

一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法，该传感器由加热部分、传感部分、温度自校准部分组成，其中加热部分是由掺钴光纤和泵浦光源组成，利用掺钴光纤中钴离子吸收976nm发生非辐射效应产生热；传感部分由布拉格光栅阵列和光纤光栅解调仪组成，其中一根光栅用于感测流体经过恒温热源之后的温度，同时另一根光栅实时监测流体环境温度通过比较环境温度变化实现了传感器温度自校准。该传感器采用全光系统具有很高的抗电磁干扰能力，实时温度自校准，实现对高温流体流速的测量，实现了对井下高温环境中流速范围5‑100m3/d内液体流速的测量。具有体积小、结构简单、灵敏度高等特点。

Description

一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法。
背景技术
热线式光纤流量传感技术包含光纤加热技术和光纤温度传感技术，利用物体在不同流速的流体介质下热交换速率不同的原理，通过对不同流速下光纤光栅所能达到的温度进行实时测量，实现了对井下低启动流量的流量测量。本发明目的是为井下油水气混合流体流速测量提供一种新的测试方法，其中核心器件为光纤温度传感器。
目前，国内外虽然已有多种型号的传感器，随着石油开采不断地向深层开发，井下每下降100米温度会上升2.5摄氏度，深层油井处于温度接近200摄氏度的高温高压环境，但是传统的电类传感在170摄氏度以上的环境中无法保证稳定工作，因此无法在井下正常使用。此外，地层中磁场分布不均也会对电类传感器的准确测量产生影响。
当前，在石油测井领域，流量的测量局限于出油口流量的测量，无法实现井下的实时测量。与电类流量传感器相比，光纤光栅流量传感器在生产测井中的优势明显，在面对井下的复杂地层环境时，光纤光栅传感器表现出其耐温高、抗电磁干扰、抗交叉串扰、耐腐蚀等优点。作为一种新型的光无源器件，光纤光栅流量传感器还具有许多电磁类流量传感器无法比拟的优点, 如：用波长编码信号，便于构成分布式传感网络；能在强电磁场中正常工作等。自1989年Morey首次报道将光纤光栅应用于传感器中以来，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广泛重视，并且已经取得了持续和快速的发展。随着光纤光栅传感技术的发展以及人们在井中流量测量领域的不断探索，光纤光栅流量传感器已成为了一个新的研究和发展的方向。本发明针对目前井下流量测量及监测技术的空白，设计了适合于井中流量监测的光纤流量传感器，为极端环境下的流量监测提供一种可行的方案。
传统的压差式流量计和涡轮式流量计迎水面积大，导致流场受到影响的缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法，针对井下高温流体的实时监测问题，提供一种高分辨率、高稳定性、流量量程覆盖5-100m3/d的光纤热线式流量传感器。相较于传统光纤流量传感器，本发明所选择的热线式流量传感技术具有体积小、结构简单、对被测液体原先流速影响小等特点，同时具有很好的复用性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器，包括不锈钢A（2）、不锈钢B（8），不锈钢B（8）的四周小孔中设有掺钴光纤（1）与光纤HI1060（6），不锈钢A（2）、不锈钢B（8）的中心小孔设有光栅A（3）与光栅B（5），光栅A（3）尾部连接光栅B（5），不锈钢A（2）、不锈钢B（8）之间设有隔热材料（4）；所述的不锈钢A（2）、不锈钢B（8）与掺钴光纤（1）、光纤HI1060（6）、光栅A（3）、光栅B（5）及隔热材料（4）之间由耐温胶353ND（7）固定。
所述的不锈钢A（2）、不锈钢B（8）为蜂窝状不锈钢。
所述的光栅（3）为传感光栅。
所述的光栅（5）为温度补偿光栅。
所述的隔热材料（4）为陶瓷。
所述的光栅（3）的中心波长与光栅（5）的中心波长为10nm以上差值，波长范围在1510nm-1590nm之内，
所述的不锈钢A（2）、不锈钢B（8）可为六孔或八孔的蜂窝状。
一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、加热部分的制作：
将四根掺钴光纤（1）分别与四根光纤HI1060（6）熔接插入蜂窝状的不锈钢A（2）与不锈钢B（8）四周小孔中，用耐温胶353ND（7）固定、防水密封，作为加热部分；
步骤2、传感部分的制作：
在普通单模光纤上刻写双光栅阵列，制得光栅A（3）与光栅B（5），其中光栅A（3）为温度传感光栅，光栅B（5）为温度自校准光栅，将双光栅串光栅A（3）与光栅B（5）插入不锈钢A（2）、不锈钢B（8）中心小孔，在不锈钢A（2）、不锈钢B（8）中间放置隔热材料（4）用于分隔加热部分与温度自校准部分，防止加热部分产生的热量影响温度自校准部分，中间结合部分和端口部分用高温胶（7）防水密封。
本发明的有益效果是：
热线式光纤流量传感器采用热交换的原理将井中流量信息转化为温度信息进行测量，传感器只需要小部分进入水中，相比其他检查方式，本发明具有结构小，测量范围大，对被测目标影响较小等优点。
本发明设计巧妙，结构简单，具有很好的抗高温高压性能和防水效果。传感器本身被严格封装在不锈钢材料之中，既保护了光纤免于受损且降低光纤光栅应力干扰，又起到了传导热量的作用，并且具有很好的复用性。同时，由于光纤本身具有耐高温，抗电磁干扰等特性，在井下勘探中有很好的发展前景。本发明结合热线式流量检测技术和光纤传感器的特点，将大幅度提高石油生产测井中对油水混合流量的探测准确性。
附图说明
图1是本发明的热线式光纤光栅温度自校准流量传感器的结构示意图。
图2是本发明的热线式光纤光栅温度自校准流量传感器的侧视图。
图3是本发明实施例1的实验装置图。
图4是本发明实施例1的光谱图。
图5是本发明在环境温度为16.5℃下流速和中心波长关系图。
图6是本发明在环境温度50℃下流速和中心波长关系图（未进行温度补偿前）。
图7是本发明在环境温度50℃下流速和中心波长关系图（温度补偿后）。
其中，1为掺钴光纤；2为不锈钢A；3为光栅A；4为陶瓷；5为光栅B；6为光纤HI1060；7为耐温胶353ND；8为不锈钢B。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进一步叙述。
如图1、2所示，一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器，包括不锈钢A（2）、不锈钢B（8），不锈钢B（8）的四周小孔中设有掺钴光纤（1）与光纤HI1060（6），不锈钢A（2）、不锈钢B（8）的中心小孔设有光栅A（3）与光栅B（5），光栅A（3）尾部连接光栅B（5），不锈钢A（2）、不锈钢B（8）之间设有隔热材料（4）；所述的不锈钢A（2）、不锈钢B（8）与掺钴光纤（1）、光纤HI1060（6）、光栅A（3）、光栅B（5）及隔热材料（4）之间由耐温胶353ND（7）固定。
所述的不锈钢A（2）、不锈钢B（8）为蜂窝状不锈钢。
所述的光栅（3）为传感光栅。
所述的光栅（5）为温度补偿光栅。
所述的隔热材料（4）为陶瓷。
所述的光栅（3）的中心波长与光栅（5）的中心波长为10nm以上差值，波长范围在1510nm-1590nm之内，
所述的不锈钢A（2）、不锈钢B（8）可为六孔或八孔的蜂窝状。
一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、加热部分的制作：
将四根掺钴光纤（1）分别与四根光纤HI1060（6）熔接插入蜂窝状的不锈钢A（2）与不锈钢B（8）四周小孔中，用耐温胶353ND（7）固定、防水密封，作为加热部分；
步骤2、传感部分的制作：
在普通单模光纤上刻写双光栅阵列，制得光栅A（3）与光栅B（5），其中光栅A（3）为温度传感光栅，光栅B（5）为温度自校准光栅，将双光栅串光栅A（3）与光栅B（5）插入不锈钢A（2）、不锈钢B（8）中心小孔，在不锈钢A（2）、不锈钢B（8）中间放置隔热材料（4）用于分隔加热部分与温度自校准部分，防止加热部分产生的热量影响温度自校准部分，中间结合部分和端口部分用高温胶（7）防水密封。
光源：
光源分为两部分，分别为探测光和泵浦光，探测光由连续激光器为 (范围从1510nm-1590nm)传感光栅（3）和温度自校准光栅（5）提供光源，泵浦光由976nm泵浦光源提供，其能量调节范围为0-850mW，为掺钴光纤提供能量。
温度自校准：
原理是通过光栅（5）测量环境温度，将光栅（3）得到的布拉格峰漂移数值减去环境温度导致的漂移数值，得到实际由掺钴光纤加热导致的温度变化，从而消除不同环境温度对于流速测量的影响。
实施例1
本实例的壳体（2）为不锈钢材料，由两段长5cm的不锈钢管（直径1cm）组成，中间用隔热材料(陶瓷5cm)连接，隔热材料呈圆柱型，中间打孔以供光纤通过，孔的直径为0.5mm，对称分布五个孔，中间是传感光栅通过的孔，四周分布着四个供加热光纤通过的孔（距中心距离为2.5mm，传感光栅（1）温度自校准光栅（3）之间距离）。传感部分和加热部分都位于传感器前端，距离端面1cm处，结构在金属圆盘上刻写五个直径为0.5mm的孔，分别穿过一个传感光栅和四个加热用的掺钴光纤，由于金属具有良好的导热性质，可以很好的做到实时响应。光纤光栅均采用两端粘贴，可以很好的消除光栅的啁啾现象，在传感光纤周围填充导热硅胶，加快热传导。
如图3所示为传感结构的系统装置图，其中包括传感器部分和加热部分，隔热材料（4），温度自校准部分（5）、解调装置部分：环形器（10）、宽带光源（11）光谱仪（12）、流量测试部分（9）、加热泵浦管光源（13）。传感器加热部分中的掺钴光纤（1）在976nm泵浦光（13）作用下，产生热量，同时在水流的作用下（9）热量发生耗散，当水流速度改变时，热平衡将向新的方向移动，最终达到新的平衡。每种流速都将有与之对应的平衡温度，用光纤温度传感器对其进行测量转化为中心波长的漂移，用光纤解调仪对其进行解调，并对其进行定标，使每种流速对应一种确定的中心波长数值。使用传感器时，通过计算机求解中心波长对应的流速。测试中使用第三方测试仪器，在水流流量5-100m3/d的范围内对传感器进行流量监测，测试模拟生产测井中竖直井的方式（图5）。
该温度传感器同时具有温度补偿的能力，使用另一根光纤光栅测量环境温度，用于消除环境温度对于传感器的影响。本实施例左边的是测试光栅（5）(1550nm)（图6）,右边的是温度自校准光栅，通解调两个光栅的波长漂移量来得到温度自校准下由于流量改变造成的光栅中心波长漂移量（图7），可以发现温度自校准系统很好的消除了环境温度对于测量的影响。
实施例2
本实施例中，保持传感光栅（3）的中心波长与温度自校准光栅（5）的中心波长10nm以上差值，波长范围在1510nm-1590nm之内， 其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同，同样可以完成实例1的操作。
实施例3
本实施例中，蜂窝状不锈钢（2）作为放置掺钴光纤（1）的容器，可以适当增加蜂窝状小孔的数量（如变为六孔或八孔），其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同，可以提高传感器的灵敏度。
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备热线式光纤光栅温度自校准流量传感器进行实验室研究试验，各种试验情况如下：
实验仪器：
光纤解调仪SM125；流量测试装置(西安石油大学设计，南通华兴石油仪器有限公司加工制造)；泵浦光源(976nm)，型号FL-974-600-B。
流量测试实验
将本发明连接测试光源、泵浦光源和解调装置，并固定在流量测试装置接口上，控制泵浦光源光功率不变(520mw)，不断改变流量测试装置的流量(5 m3/d -100m3/d)，记录中心波长光谱漂移信息。图5是本发明在环境温度为16.5℃下流速和中心波长关系图。图6是本发明在环境温度50℃下流速和中心波长关系图（未进行温度补偿前）。图7是本发明在环境温度50℃下流速和中心波长关系图（温度补偿后）。

Claims (2)

1.一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器，包括不锈钢A（2）、不锈钢B（8），其特征在于，不锈钢A（2）、不锈钢B（8）之间设有隔热材料（4）组成壳体，不锈钢A（2）、不锈钢B（8）为蜂窝状不锈钢，壳体中间是传感光栅通过的中心小孔及四周分布着供加热光纤通过的对称的蜂窝状孔，蜂窝状孔中设有首尾相连的掺钴光纤（1）与光纤HI1060（6），壳体的中心小孔设有光栅A（3）与光栅B（5），光栅A（3）尾部连接光栅B（5）；所述的不锈钢A（2）、不锈钢B（8）与掺钴光纤（1）、光纤HI1060（6）、光栅A（3）、光栅B（5）及隔热材料（4）之间由耐温胶353ND（7）固定；
所述的掺钴光纤（1）为加热光纤；
所述的光栅A（3）为传感光栅；
所述的光栅B（5）为温度补偿光栅。
2.根据权利要求1所述的一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器，其特征在于，制作方法包括以下步骤：
步骤1、加热部分的制作：
将四根掺钴光纤（1）分别与四根光纤HI1060（6）熔接插入蜂窝状的不锈钢A（2）与不锈钢B（8）四周小孔中，用耐温胶353ND（7）固定、防水密封，作为加热部分；
步骤2、传感部分的制作：
在普通单模光纤上刻写双光栅阵列，制得光栅A（3）与光栅B（5），其中光栅A（3）为温度传感光栅，光栅B（5）为温度自校准光栅，将双光栅串光栅A（3）与光栅B（5）插入不锈钢A（2）、不锈钢B（8）中心小孔，在不锈钢A（2）、不锈钢B（8）中间放置隔热材料（4）用于分隔加热部分与温度自校准部分，防止加热部分产生的热量影响温度自校准部分，中间结合部分和端口部分用高温胶（7）防水密封。
CN202010819947.0A 2020-08-14 2020-08-14 一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法 Active CN111964740B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010819947.0A CN111964740B (zh) 2020-08-14 2020-08-14 一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010819947.0A CN111964740B (zh) 2020-08-14 2020-08-14 一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111964740A CN111964740A (zh) 2020-11-20
CN111964740B true CN111964740B (zh) 2023-09-22

Family

ID=73387667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010819947.0A Active CN111964740B (zh) 2020-08-14 2020-08-14 一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111964740B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116989855B (zh) * 2023-09-27 2023-12-08 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院 一种气体状态多参量检测传感器及其自校准方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103148902A (zh) * 2013-01-29 2013-06-12 中国计量学院 一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9557344B2 (en) * 2011-07-12 2017-01-31 The Hong Kong Polytechnic University Sensor for measuring flow speed of a fluid
US10120102B2 (en) * 2015-11-04 2018-11-06 General Electric Company Fluid sensor cable assembly, system, and method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103148902A (zh) * 2013-01-29 2013-06-12 中国计量学院 一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Fiber-Optic Anemometer Based on Bragg Grating Inscribed in Metal-Filled Microstructured Optical Fiber;Jie Wang;《 JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》;20161101;第34卷(第21期);正文第4884-4885页 *
基于多芯光纤级联布喇格光纤光栅的横向压力与温度同时测量;蒋友华;《光子学报》;20170131;第46卷(第1期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN111964740A (zh) 2020-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101709638B (zh) 一种光纤温度压力传感器
CN101324188B (zh) 内压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器
CN113513302B (zh) 基于分布式光纤水听器的井下流体监测系统及监测方法
CN101995485B (zh) 靶式光纤光栅流速计
Wang et al. Overview of fibre optic sensing technology in the field of physical ocean observation
CN101178007B (zh) 膜片式光纤智能井压力与温度传感器
CN102564504B (zh) 多截面分布式光纤光栅热式流量传感器
CN102587897A (zh) 非浸入式井下光纤流量监测系统
CN102944328B (zh) 折射率不敏感的温度传感器的制备方法及测量装置
CN111964740B (zh) 一种用于生产测井的热式光纤光栅流量传感器及制作方法
CN103344289B (zh) 液体流量非浸入式测量装置及传感探头
CN110579249B (zh) 一种基于掺钴多模光纤光栅的热线式流量传感器及制造方法
CN114137273B (zh) Fbg级联光纤复合结构的消除温度敏感电流传感装置
Ding et al. A low-flow fiber-optic flowmeter based on bending measuring using a cladding fiber bragg grating
CN105044628A (zh) 一种光纤f-p腔磁敏感器及磁定位测井装置
CN110424362B (zh) 一种光纤式温度自补偿静力触探传感器
CN202994328U (zh) 光纤光栅传感器
CN200993584Y (zh) 插入式光纤涡轮流量计
CN109631964A (zh) 一种无胶化双参数多组测量段的单模光纤传感测头
CN202578670U (zh) 一种石油工程录井用的光纤温度传感器
CN105352558A (zh) 一种井下光纤涡街流量计及井下流量测量方法
CN112964857B (zh) 一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置及方法
CN103852190A (zh) 一种测量ArF准分子激光器腔内温度的光纤光栅传感器
CN209117221U (zh) 一种高静压压差光纤传感器
CN111947722B (zh) 体积及质量流量检测方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant