CN1904310A - 光纤压力、温度双参数传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤压力、温度双参数传感器，其特征在于：从宽带光源ASE发出的光进入单模光纤环行器、再经高温光缆传输到光纤压力、温度双参数传感器探头，从探头反射回的带有压力、温度信号的光再经过单模光纤环行器进入模块化的小型光谱仪进行解调，其输出的数字信号传输到计算机，并分别将珐－珀腔的长度和温度波长的变化量转换为当前压力和温度值。所述的传感器探头分压力膜片和压力基座两部分，均采用低膨胀恒弹合金T12制作；采用激光焊接技术将压力膜片和压力基座连接为整体；膜片中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3。本发明较已有的技术方案简化了封装设计，降低了传感器成本。该光纤传感器在石油化工等领域具有广泛的应用前景。

Description

光纤压力、温度双参数传感器

技术领域：本发明属于光纤传感器在油井压力和温度测量中的应用技术，具体地说是能够实现井下温度和压力双参数实时监测的光纤压力、温度双参数传感器。

背景技术：近年来，随着油田的不断开采，油气井深度的不断增加，电子类传感器很难满足工程环境的需要。国内外1W石油业界的工程实践表明：井下温度每升高18℃，电子产品的故障率就会增大1倍。即使全部采用军品级的电子元器件，也只能用于温度不超过125℃的油气井中，而稠油注气井的开采温度高达300℃以上，这样传统的电子类传感器根本无法满足要求，由于无法对油气井的井下参量进行实时、准确地监测，堵蜡、入水、出沙等故障导致的关井现象时有发生，这就造成油气井的采收率较低，资源浪费，从而导致整个生产成本偏高。

为改变这一现状，各石油大国均投入大量的人力和物力，研究新型的传感器件以替代电子类传感器件，在此基础上结合现代控制技术，导致了“智能井”技术的问世和飞速发展。“智能井”技术是以最大限度地提高采收率、获取长远的最大经济效益为目标的。从原理上分析，“智能井”可视为一闭环控制系统：地面控制设备根据永久安装于井下的压力、温度等传感器所读取的测量数据，通过气动、液动或电动方式实时控制井下节流阀、滑套、封隔器、层间控制阀等执行器，及时调整产出量和采取相应的预防措施，保证开采作业的安全、高效运行。

“智能油井”的关键是耐高温、高压、腐蚀的高性能传感器；光纤温度、压力、流量等传感器在油井的实时状态监测对于优化采油方式和条件具有重大潜力。光纤传感器具有灵敏度高，体积小，电绝缘性能好，耐高温，抗电磁干扰，频带宽，可实现不带电的全光型探头等独特的优点。光纤传感器的另一个优点是可以实现多点式或空间连续分布式测量。

自1993年挪威的AlcatatelKabel公司开展光纤传感器的油气井应用研究以来，先后有挪威Optoplan A.S.公司、美国Virginia理工大学、Cidra公司、Sabeus公司，以及BP，Chlumberger，Weatherford等跨国石油公司开展了相应研究。其中有特色的工作有：1993年，挪威Optoplan A.S公司在1993-1999年间，共有10套井下光纤测量系统投入到实际应用中，证实了光纤传感技术在油气井下环境中应用的可行性；1997-1999年，英国的Sensor dynamics公司制作出了油气井用SD2000系列马赫一泽德(M-Z)光纤干涉型压力传感器，压力测量范围达0-110MPa，并采用低相干光干涉技术构建了多传感器复用测量系统。该系统的缺点是结构比较复杂，成本偏高。1998年～2003年，Virginia理工大学开展了基于非本征型Fabry-Perot光纤干涉仪(EFPI)的油气井下温度、压力、流量、地震波测量研究工作，他们采用干涉法和强度法相结合的自校正解调(SCAB)方式，验证了EFPI用于该领域的可行性，并制作出了传感器样品，该项目组也在继续开展工程技术方面的研究。2000年，Schlumberger石油公司研发出了用于高温注气井温度监测的DTS测量系统，在全球内先后有数百套DTS测量系统投入使用，该系统是基于拉曼(Raman)散射原理工作的，只能实现温度的高精度分布测量，无法对压力、流量等参量进行测量。此外，该公司还开展了在包层中带有两个侧孔(Side-hole)的高双折射光纤上刻写FBG传感器并用于油气井下压力测量的工作，该技术具有同时进行温度和压力检测的潜力；在高温测量方面，美国的Sabeus光子公司开发出了LS DTS-250型油气井下温度监测系统，在12000m的单井中实现了100个FBG温度传感器的波分复用测量，设计和适用寿命可达10年之久。在FBG压力传感方面，该公司已有单点式产品问世，多点准分布式压力监测系统的研制工作仍在进行中；美国的Weatherford公司开发出了一系列用于智能井监控的压力、温度、多相流量、地震波测量仪器，在光纤传感油气勘探和开发领域处于世界领先地位，但该系统成本非常高，很难在我国产量普遍较低的油井推广应用。在我国，自上世纪90年代中期以来，清华大学，浙江大学，天津大学，北京航空航天大学，西安石油大学，中科院西安光机所、南开大学等单位都开展了光纤传感器以及对油气井下压力、温度测量的研究工作，在理论和试验方面都取得了重要进展。但是，能够满足油井高温，高压，腐蚀环境下的光纤测量系统还未实现工程化应用。

2005年9月20日申报的高性能光纤压力传感器(专利申请号：200510044743.X)采用了一根光纤测量压力信号，一根光纤布拉格光栅测量温度信号，并通过检测的温度对压力进行补偿。在此基础上，本发明重新设计了传感器探头结构，整体尺寸实现了小型化，极大满足了现场测井安装空间狭小的要求，采用了一根光纤布拉格光栅实现了压力温度同时测量，并能实现温度补偿；简化了封装设计。该光纤光栅压力温度传感器在石油化工等领域具有广阔的应用前景。

发明内容：本发明的目的是提供一种简单的光纤光栅压力、温度双参数传感器设计，能够实现压力温度的同时测量，并带有温度补偿功能，适用于油田、化工等领域的压力测量。本发明的技术方案是这样实现的：光纤压力温度传感器测试原理如图1所示，从大功率宽带自发辐射光源(ASE)发出的光经1550nm单模光纤环行器、数公里高温光缆传输到光纤光栅压力温度传感器探头，从探头反射回的带有压力温度信号的光进入模块化的小型光谱仪探测，其输出的数字信号传输到计算机，再用自编软件实时计算出珐-珀腔的长度和温度波长的变化量，并分别将珐-珀腔的长度和温度波长的变化量转换为当前压力和温度值。

光纤光栅压力温度传感器探头的设计如图2所示，首先是感应外界压力的圆筒式膜片的设计，圆筒会发生弹性变形，底部平膜片中心产生微位移，光纤端面与平膜片中心之间的距离变化从而反映出外界压力的变化。而温度的响应是通过在同一根光纤上刻写的布拉格(Brag)光栅受温度变化时其反射波长移动来反映的。

传感器探头分压力膜片和压力基座两部分，均采用低膨胀恒弹合金T12制作。我们采用了激光焊接技术将压力膜片和压力基座连接为整体。激光焊接是将高强度的激光辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。其主要优点有：焊缝窄、穿透性强、焊缝两边平行、热影响区小；在真空或局部真空中进行，穿透能力强；焊接速度快，焊缝窄且热影响区小，因而变形小。这就保证了传感器材料的单一性和在高压下的密封性。

由于安装尺寸有限，在探头整体直径一定的情况下，为了保证在高压下不产生塑性变形，膜片中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3，可将圆筒底部膜片看作周边固支的平膜片，在均布压力P作用下，其挠度Y为：

$Y=\frac{3P(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{{16\mathrm{Eh}}^3}{(a^2-r^2)}^2$ ①

式中E、a、r、μ、h分别为弹性模量、平膜片的有效半径及任一点的半径、泊松比、厚度。在平膜片的中心(r＝0)处，可以得到最大挠度：

$Y_{\max }=\frac{3{\mathrm{Pa}}^4(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{{16\mathrm{Eh}}^3}$ ②

即 $D-D_o=\frac{3\mathrm{Pa}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{{16\mathrm{Eh}}^3}$ ③

其中D为P压力下膜片中心与光纤端面之间的距离，D₀为初始压力P₀作用下膜片中心与光纤端面之间的距离。

膜片的厚度为：

$h=3\sqrt{\frac{{3\mathrm{Pa}}^4(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{{16Y}_{\max }}}$ ④

在一定的压力作用下，圆筒底部中心的位移可以分为三部分进行计算：

(1)底部的圆板的中心挠度由式②得出；(2)圆筒壁的拉伸变形产生的形变Δl；(3)圆筒的法兰部分受压时产生的挠度ω₂。第二部分圆筒壁的轴向应变所产生的形变如④所示，其中p_a内压；p_b-外压：

$\mathrm{\Δ}=\frac{l}{E(b^2-a^2)}[p_a{a}^2-2\mathrm{\μ}(p_a{a}^2-p_b{b}^2)]$ ⑤

另外，圆筒的法兰部分的最大挠度ω₂可近似为

${\mathrm{\ω}}_2={\mathrm{\α}}_{12}\frac{{\mathrm{Pa}}^2}{{\mathrm{Eh}}^3}$ ⑥

α₁₂-挠度系数(与b/R有关)，且当b/R≥0.8时，α₁₂＝0.

由以上分析可知，圆筒底部中心的总位移应为②、⑤⑥三式之和。考虑到加工因素，法兰边的厚度和圆筒壁厚远大于圆筒底部膜片的厚度，所以⑤⑥引起的位移基本上可以忽略不计。

当传感探头被置于一定的压力环境中，由于膜片始终在其弹性范围内形变，所以压力与膜片挠度之间为线性关系：

P＝k·(D-D₀)+P₀

式中，P为某一时刻的环境压力；k为两者之间的线性系数；P₀为初始压力值。

当温度变化(ΔT)时，由于热胀效应使光纤光栅伸长而改变其光栅周期，即 $\frac{\mathrm{\Δ\Λ}}{\mathrm{\Λ}}=\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔT}$

式中Λ为光栅周期(紫外光照射光纤时对纤芯折射率进行调制的周期，所谓调制，就是使沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化，当芯层折射率受到均匀周期性调制后，即成为光纤布拉格光栅(FBG))，nm；ΔΛ为FBG周期变化，nm；α为材料的膨胀系数，℃^-1；ΔT为温度变化值，℃。另一方面，由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，即

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{eff}}}=-\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\·\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{dV}}\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dT}}\·\mathrm{\ΔT},---\left(2\right)$

式中V为光纤的归一化频率，是一个与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常用它表示光纤所传输的模式数；n_eff为光栅有效折射率；T为温度。温度变化引起的光纤光栅波长漂移主要取决于热光效应，它占热漂移的95％左右，可以表示为

$\mathrm{\ϵ}=-\frac{1}{n_{\mathrm{eff}}}\·\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{dV}}\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dT}}---\left(3\right)$

式中ε为热光系数，℃^-1，。所以，温度对光纤光栅波长漂移总的影响为

$\frac{\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_0}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ϵ})\·(T-T_0),---\left(4\right)$

式中λ₀为光栅的中心波长；λ为受温度影响后的光栅中心波长，nm。由上式可以看出：光纤光栅波长变化量与温度变化量呈线性关系。

T-T₀＝β·(λ-λ₀)

式中 $\mathrm{\β}=\frac{1}{\mathrm{\λ}\·(\mathrm{\α}+\mathrm{\ϵ})},$ T为变化后的环境温度；T₀为变化前的环境温度。

所以T＝T₀+β·(λ-λ₀)

按照上述光纤光栅压力温度传感器探头的设计，珐珀腔腔长对温度有一定的敏感性。利用光纤光栅压力温度传感器探头实时检测的温度就能够达到对压力测量进行温度补偿的目的。

P＝P₀+k[(D-θ(T-T₀))-D₀]

P＝P₀+k[(D-θ·β·(λ-λ₀)-D₀]

θ为探头材料的热膨胀系数

若令γ＝θ·β，则

P＝P₀+k[(D-γ·(λ-λ₀)-D₀]

附图说明：图1、光纤光栅压力温度传感器测量系统框图

          图2、光纤光栅压力传感器压力膜片结构示意图

          图3、光纤光栅压力温度传感器压力基座结构示意图

          图4、光纤光栅压力温度传感器压力温度探头结构示意图

          图5、实测带有压力温度信号的光谱曲线

      图6、光纤压力传感器内腔的距离随压力的变化关系

      图7、光栅波长随温度的变化关系

      图8、不同温度下珐珀腔距离随压力的变化关系

图中：1-大功率的自发辐射光源(ASE) 2-计算机 3-模块化的小型光谱仪 4-1550nm单模光纤环行器 5-1550nm单模高温传输光缆 6-油井 7-光纤光栅压力温度传感器探头 8-圆筒式压力膜片 9-圆筒壁10-圆筒式膜片珐兰部分 11-高温光纤布拉格光栅 12-压力基座 13-珐珀腔 14-激光焊接点 15-压力膜片

具体实施方式：本发明的光纤光栅压力温度传感器系统，其中的宽带光源使用了大功率的自发辐射光源(ASE)、1550nm单模光纤环行器、1550nm单模高温传输光缆，将光纤光栅压力温度传感器探头与压力表校验仪相连，在室温下用压力表校验仪给传感器加压，用解调仪测量光谱变化，进而计算探头的腔长。

本发明的光纤光栅压力温度传感器，探头结构设计密封性好，并具有耐腐蚀、抛光性能好、易加工等优点。对于20MPa范围内进行了压力测量，其结果基本上是线性的。较已有的技术方案简化了封装设计，降低了传感器成本。该光纤传感器在石油化工等领域具有广泛的应用前景。

Claims (2)

1、一种适于油井状态监测的光纤压力、温度双参数传感器，其特征在于：从宽带自发辐射光源ASE(1)发出的光进入单模光纤环行器(4)、再经数公里单模高温光缆(5)传输到光纤压力、温度双参数传感器探头(7)，从探头反射回的带有压力、温度信号的光再经过单模光纤环行器(4)进入模块化的小型光谱仪(3)进行解调，其输出的数字信号传输到计算机(2)，再用自编软件实时计算出珐-珀腔的长度和温度波长的变化量，并分别将珐-珀腔的长度和温度波长的变化量转换为当前压力和温度值。

2、根据权利要求1所述的适于油井状态监测的光纤压力、温度双参数传感器，其特征在于：所述的传感器探头(7)分压力膜片(8)和压力基座(12)两部分，均采用低膨胀恒弹合金T12制作；采用激光焊接技术将压力膜片和压力基座连接为整体；为了保证在高压下不产生塑性变形，膜片(8)中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3。

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