CN202483561U - 基于光纤传感的煤层气井液位监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其包括：液位光纤光栅传感器，其布设于油管外表面，通过感受油管外压力而使光纤光栅的中心波长发生变化；激光器，其用于输出光束；耦合器，其输入端接收所述激光器的输出光束，并将其传给所述的液位光纤光栅传感器；解调仪，其信号输入端与所述的耦合器的光信号输出端相连，用于监测所述液位光纤光栅传感器中心波长的变化，进而测得煤层气井液位，本实用新型利用了光纤光栅的传感特性和圆形弹性压盖-传力杆-等强度悬臂梁弹性元件组合的变形特性，间接监测煤层气井液位值，具有结构紧凑、长期稳定性好、耐久性好、抗电磁干扰等优点。

Description

基于光纤传感的煤层气井液位监测系统

技术领域

本实用新型涉及煤层气测井领域，尤其涉及一种用于煤层气井的光纤传感液位监测系统。

背景技术

煤层气主要以吸附形式吸附在煤基质的表面上，当地层压力下降至煤层的解析压力，煤层中甲烷才解析出来。煤层气的开采是一个排水降压的过程，煤层的压降是通过排采来实现的，即利用排采设备，油管排水，套管产气。随着排液的进行，环空液面在下降，煤层压力也在下降。煤层气井在排采期间，液面深度过大不仅会影响煤层的产气量、产气高峰期，而且易引起煤层颗粒的运移，导致地层渗透率下降；抽排强度过小，使排采周期延长，所以操作者准确的了解煤层气井液位信息从而采用合理的生产压差进行煤层气排采，而环空液位的测定是煤层气排采工作中一项重要又频繁的工作。

目前，我国的煤层气井基本上是进行多煤层合采，用回声仪定时测量液面。但是当液面降到主产水层上下时，回声仪测不到真正的液面深度，所测得是液面上部某个主产水层的深度，这给指导生产带来了很大的困难。

因此，如何发明出一种煤层气井液位监测系统，将上述技术问题加以解决，即为本领域技术人员所研究的方向所在。

发明内容

本实用新型的主要目的是提供一种基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其是通过在对煤层气井液位进行测量时，煤层气井水压力均匀地作用于圆形平膜片表面，使圆形平膜片发生挠度弯曲；同时圆形平膜片将均匀压力转化为集中力，通过传力杆作用于等强度悬臂梁自由端，使等强度悬臂梁发生变形；粘贴在等强度悬臂梁上表面的光纤光栅与等强度悬臂梁协调变形，中心波长发生变化，此时应用光纤光栅解调仪测量其波长，即可计算出煤层气井液位值。

为了达到上述目的，本实用新型提供一种基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其包括：

液位光纤光栅传感器，其布设于油管外表面，通过感受油管外压力而使光纤光栅的中心波长发生变化；

激光器，其用于输出光束；

耦合器，其输入端接收所述激光器的输出光束，并将其传给所述的液位光纤光栅传感器；

解调仪，其信号输入端与所述的耦合器的光信号输出端相连，用于监测所述液位光纤光栅传感器中心波长的变化，进而测得煤层气井液位。

较佳的实施方式中，所述的液位光纤光栅传感器包括：

壳体，其上设置一盖板，上述的盖板上端设置有圆形平膜片，一压力实施于所述盖板的圆形平膜片上，所述的盖板下端连接一传力杆；

等强度悬臂梁，其设置于所述壳体内，并与所述传力杆相啮合，所述的等强度悬臂梁上表面具有一凹槽，所述凹槽上设置有光纤光栅，所述的光纤光栅引出一引出光纤至所述壳体外，所述引出光纤连接所述耦合器。

较佳的实施方式中，所述的等强度悬臂梁通过高性能粘结剂固定于所述壳体内。

较佳的实施方式中，所述的盖板与所述壳体之间的接触面均匀涂抹高耐久性密封胶。

较佳的实施方式中，所述壳体上具有一光纤引出孔，所述的引出光纤通过所述光纤引出孔引出，所述的光纤引出孔通过高耐久性密封胶密封。

较佳的实施方式中，所述的液位光纤光栅传感器测量下沉H处，利用如下公式求得煤层气井液位H₀：

$H_0=H-k(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B}E}{2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}v}-P_0)$

其中，P₀为给定煤层气井气体压力，k为煤层气井水位压力影响系数，k＝102.04；α_ε为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；E为光纤光栅弹性模量；v为光纤光栅泊松比；Δλ_B为光纤光栅中心波长，其由所述解调仪测出。

与现有技术相比，本实用新型利用了光纤光栅的传感特性和圆形弹性压盖-传力杆-等强度悬臂梁弹性元件组合的变形特性，间接监测煤层气井液位值，具有结构紧凑、长期稳定性好、耐久性好、抗电磁干扰等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统组成框图；

图2为本实用新型基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统的液位光纤光栅传感器组成示意图；

图3为本实用新型基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统的液位光纤光栅传感器布设示意图；

附图标记说明：1-盖板；2-等强度悬臂梁；3-光纤光栅；4-引出光纤；5-传力杆；6-壳体；9-液位光纤光栅传感器；10-激光器；11-耦合器；111-信号输入端；112-输入/输出端；113-光信号输出端；12-解调仪。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，为本实用新型基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统组成框图，本实用新型的基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统包括一液位光纤光栅传感器9、一激光器10，一耦合器11及一解调仪12，所述的液位光纤光栅传感器9布设于油管外表面并紧贴油管，通过感受油管外压力而使光纤光栅的中心波长发生变化；所述的激光器于10输出光束至耦合器11的信号输入端111，所述的耦合器11的输入/输出端112与所述的液位光纤光栅传感器9连接，所述耦合器11的光信号输出端113与所述解调仪12的信号输入端相连，通过所述解调仪12监测所述液位光纤光栅传感器9光纤光栅的中心波长的变化，进而测得煤层气井液位H₀。

如图2及图3所示，分别为本实用新型基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统的液位光纤光栅传感器组成示意图及布设示意图；

所述的液位光纤光栅传感器9包括：一盖板1、一等强度悬臂梁2、一光纤光栅3、一引出光纤4、一传力杆5及壳体6，所述的壳体6上设置所述盖板1，所述盖板1上端设置有圆形平膜片(图未示)，压力施于所述盖板1的圆形平膜片上，所述盖板1的下端连接所述传力杆5，所述的等强度悬臂梁2设置于所述壳体6内，并与所述传力杆5相啮合，所述等强度悬臂梁2上表面具有一凹槽，所述凹槽上设置有光纤光栅3，所述的光纤光栅3引出一引出光纤4至所述壳体6外，所述引出光纤4连接所述耦合器11。

所述的液位光纤光栅传感器是通过下述方法进行制作的：使用J133等高性能胶粘剂将光纤光栅3粘结在等强度梁2的上表面凹槽中，然后将等强度悬臂梁2镶嵌在壳体6内部并用高性能粘结剂进行永久固定，同时进行等强度悬臂梁2、传力杆5和盖板1的组合，盖板1与壳体6之间的接触面上均匀涂抹高耐久性密封胶。

在所述壳体6上具有一光纤引出孔(图未示)，所述的引出光纤4通过所述光纤引出孔引出，在壳体6和引出光纤4的连接部位均匀涂抹高耐久性密封胶后旋紧螺纹，保证密封，最后连接铠装光缆，光纤引出孔也要使用高耐久性密封胶密封。

如图3所示，本实用新型的液位光纤光栅传感器9布设于油管外表面并紧贴油管布设，即壳体6的底面紧贴油管外表面，所述盖板1上端设置有的圆形平膜片冲向外，感受水压力，当对煤层气井液位进行测量时，煤层气井水压力均匀地作用于圆形平膜片表面，使圆形平膜片发生挠度弯曲；同时圆形平膜片将均匀压力转化为集中力，通过传力杆5作用于等强度悬臂梁2自由端，使等强度悬臂梁2发生变形；粘贴在等强度悬臂梁2表面的光纤光栅3与等强度悬臂梁2协调变形，中心波长发生变化，此时应用光纤光栅解调仪12测量其波长，并用事先标定的煤层气井液位-波长曲线即可求得煤层气井液位值。

上述使用液位光纤光栅传感器进行煤层气井液位监测方法的具体如下：

利用液位液位光纤光栅传感器9测量传感器下沉H处油套环空压力P，利用液位公式(1)可以间接求得该煤层气井液位H₀。

H₀＝H-k(P-P₀)  (1)

公式(1)中，P₀为给定煤层气井气体压力，k煤层气井水位压力影响系数，k＝102.04，在此公式中，H、k、P₀为已知的，P是未知的，可通过下列公式求得：

光栅光纤传感器9中入射光在光在栅格处对特定波长的光进行反射，其余波长的光透射，通过监测反射光或透射光的波长反应外界情况的变化，当光栅受到外界压力(或温度)作用时，光栅周期会发生变化，同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化，光栅中心波长也随之发生变化，光纤光栅中心波长变化Δλ_B与自身应变(ε)的数学关系如下：

Δλ_B＝α_εε  (2)

公式(2)中α_ε为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；在此公式中Δλ_B为光纤光栅中心波长，其是由解调仪12测出，α_ε为一已知值，因此，可求出自身应变ε；

光纤自身应变(ε)与油套环空压力(P)之间的关系有：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2}{E}\mathrm{Pv}---\left(3\right)$

公式(3)中E为光纤光栅弹性模量；

v为光纤光栅泊松比。

由公式(2)、(3)可以求出油套环空压力P，得到公式(4)：

$P=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B}E}{2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}v}---\left(4\right)$

将公式(4)带入公式(1)中，即可求得该煤层气井液位H0，得到煤层气井液位H0公式(5)：

$H_0=H-k(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B}E}{2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}v}-P_0)---\left(5\right)$

因此，在该方案中，将光纤光栅压力传感器布设在煤层气井下某点，即可得到煤层气井下该煤层气井液位值。

综上所述，本实用新型对煤层气井液位进行测量时，煤层气井水压力均匀地作用于圆形平膜片表面，使平膜片发生挠度弯曲；同时平膜片将均匀压力转化为集中力，通过传力杆作用于等强度悬臂梁2自由端，使等强度悬臂梁2发生变形；粘贴在等强度悬臂梁2上表面的光纤光栅3与等强度悬臂梁2协调变形，中心波长发生变化，此时应用光纤光栅解调仪12测量其波长，由上述公式即可计算出煤层气井液位值。

与现有技术相比，本实用新型利用了光纤光栅的传感特性和圆形弹性压盖-传力杆-等强度悬臂梁弹性元件组合的变形特性，间接监测煤层气井液位值，具有结构紧凑、长期稳定性好、耐久性好、抗电磁干扰等优点。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其特征在于，其包括：

液位光纤光栅传感器，其布设于油管外表面，通过感受油管外压力而使光纤光栅的中心波长发生变化；

激光器，其用于输出光束；

耦合器，其输入端接收所述激光器的输出光束，并将其传给所述的液位光纤光栅传感器；

解调仪，其信号输入端与所述的耦合器的光信号输出端相连，用于监测所述液位光纤光栅传感器中心波长的变化，进而测得煤层气井液位。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其特征在于，所述的液位光纤光栅传感器包括：

壳体，其上设置一盖板，所述盖板上端设置有圆形平膜片，一压力实施于所述盖板的圆形平膜片上，所述的盖板下端连接一传力杆；

等强度悬臂梁，其设置于所述壳体内，并与所述传力杆相啮合，所述的等强度悬臂梁上表面具有一凹槽，所述凹槽上设置有光纤光栅，所述的光纤光栅引出一引出光纤至所述壳体外，所述引出光纤连接所述耦合器。

3.根据权利要求2所述的基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其特征在于，所述的等强度悬臂梁通过高性能粘结剂固定于所述壳体内。

4.根据权利要求2所述的基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其特征在于，所述的盖板与所述壳体之间的接触面均匀涂抹高耐久性密封胶。

5.根据权利要求2所述的基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其特征在于，所述壳体上具有一光纤引出孔，所述的引出光纤通过所述光纤引出孔引出，所述的光纤引出孔通过高耐久性密封胶密封。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感器的煤层气井液位监测系统，其特征在于，所述的液位光纤光栅传感器测量下沉H处，利用如下公式求得煤层气井液位H₀：

$H_0=H-k(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B}E}{2{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}v}-P_0)$

其中，P₀为给定煤层气井气体压力，k为煤层气井水位压力影响系数，k＝102.04；α_ε为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；E为光纤光栅弹性模量；v为光纤光栅泊松比；Δλ_B为光纤光栅中心波长，其由所述解调仪测出。

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