CN101178007A - 膜片式光纤智能井压力与温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及膜片式光纤智能井压力与温度传感器，属于智能井技术领域，本发明包括：宽带光源、模块化光谱仪、数据传输线、数据处理器、第一段光纤、第二段光纤、光纤耦合器、光缆及一个或一个以上膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头；所述宽带光源通过第二段光纤与光纤耦合器的输入端相连，该光纤耦合器的一个输出端与光缆相连，另一输出端通过第一段光纤与模块化光谱仪的输入端相连，该模块化光谱仪通过数据传输线与数据处理器相连；所述膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头在光缆的另一端。本发明具有高温高压稳定性好、耐腐蚀、使用寿命长、测量准确、不打火及使用安全等优点。适合更狭小的下井空间使用，满足油井动态监测的需要。

Description

膜片式光纤智能井压力与温度传感器

技术领域

本发明属于智能井技术领域，特别涉及通过光缆与地面的解调器，可以实时读取油井内不同位置或不同油层的温度与压力的全光纤传感器。

背景技术

智能井技术始于20世纪90年代，在当时全球石油工业提高油藏产能的大趋势下，智能井技术得以发展并商业化。这一技术的研发使许多原来不能开采的边际油田得到开发，为深水、海上、边远地区及老油田的开发带来了希望。所谓智能井就是在井中安装了可获得井下油气生产信息的传感器、数据传输***和控制设备，并可在地面进行数据收集和决策分析的井。通过智能井可以进行远程控制，达到优化产能的目的。应用智能井技术可以通过一口井对多个油藏流体的流入和流出进行远程控制，避免不同的油藏压力带来的交叉流动。对于多油层合采，智能完井的应用允许交替开采上部和下部产层，加快了整个井的生产速度，也提高了油井的净现值。油藏的远程管理使得作业人员无需对井进行物理干预，减少了潜在的修井作业的成本。在钻机时间(尤其是在深水或海底)成本昂贵的条件下，修井成本的降低会带来显著的效益，同时也弥补了由于修井而损失的产量。另外，应用智能完井的注入井可以更好地进行注水控制，提高油井的最终采收率。同时，应用智能井***也可以减少地面基建设施成本。智能井技术的目的是提高油井开采率，提高油田自动化控制水平，降低油田操作成本与设备成本，从而实现长远的经济效益。

智能井技术中的核心部件是永久式油井传感器，它负责向地面提供压力温度数据。随着油田的不断开采，油气井的深度不断增加，传感器的工作环境温度也越来越高。传统电子传感器已经难以满足需要。根据国外统计，井下温度每升高18℃，电子传感器的故障率就提高1倍。壳牌石油在1987-1998年间对952个电子永久性油井传感器的分析表明，在低于100℃的连续工作环境下，12％的传感器在1年内失效，31％在5年内失效。美国Quartzdyne公司对其超过450个高温电子传感器在180℃环境下进行测试，3个月内超过60％的传感器失效，在6个月内，全部传感器失效。因此，电子传感器一般用于低于100℃的油井中。一些深海油井的温度已经达到200-250℃，而稠油注气井的温度高达300℃。在这些应用环境中，电子传感器完全无法满足要求。

与电子传感器相比，光纤传感器的优点是耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰、使用安全不打火、体积小。这些优点使得它在20世纪90年代末逐渐在油田中展开应用。2002年8月，Norsk Hydro ASA公司完成了业内第一口多光纤传感器智能井。光纤测量***安装在北海挪威海域Oseberg东部的E-11C井，包括在井内安装多个光纤压力和温度传感器及地面操纵智能完井流量控制装置。所有光纤传感器都由Weatherford公司生产。目前国外进行智能井光纤压力温度传感器传感器开发的公司有还有美国Sabeus公司，美国Baker-Hughs公司，加拿大FISO公司，巴西Gavea公司等等。这些公司目前的产品都是面向智能井单点测温测压应用的。

目前，智能井单点压力和温度光纤传感器的结构主要是基于一种以光纤光栅和光纤法布里-帕罗干涉腔相隔一定距离依次串联在同一根光纤上的级联结构。其中，光纤光栅用于测量环境温度，光纤法布里-帕罗干涉腔用于测量环境压力。由于光纤法布里-帕罗干涉腔具有较大的温度串扰，因此需要用光纤光栅测量出的环境温度来补偿光纤法布里-帕罗干涉腔的压力测量结果，从而得到正确的环境压力值。

这种结构存在以下两个主要问题：1.由于智能井光纤传感器采用的都是高相干性、长相干距离的激光光源，因此如果光纤光栅与光纤法布里-帕罗干涉腔的间距过小，则光纤光栅的反射光与光纤法布里-帕罗干涉腔的反射光在同一根光纤中将发生干涉，极大的影响温度测量精度，进而影响压力环温补偿的精度，从而影响压力值的精度。为了避免两个传感器之间的干涉，必须使得两个传感器之间的间距大于激光光源的相干距离，其典型值为600mm。但是当两个传感器相隔一定距离，则无法保证两个传感器感受到的环境温度为同一值。因此，对光纤压力传感器的环温补偿会出现偏差，从而影响压力值的精度；2.光纤法布里-帕罗干涉腔是基于石英玻璃以及金属材料的，因此可以长期工作在较高温度，如300℃。光纤光栅的工作原理是基于用紫外线固化在光纤中的一种折射率周期性调制的结构。而这种折射率的结构在长期的高温运行中会弱化以至于消失，大大的降低了传感器的信噪比，从而影响测温测压精度。因此光纤光栅可以长期工作的最高温度一般不超过150℃。

以上两个问题使得这类光纤传感器的尺寸偏大、精度不高以及最高工作温度偏低。从目前油田的发展趋势来看，有限的井下空间内要容纳越来越多的控制管道和仪器线缆，因此对传感器的尺寸要求会逐渐苛刻。另外，随着油井的深度逐渐加深，作业温度将越来越高，高于150℃的油井数量在逐步增加。综上所述，基于光纤光栅的光纤智能井传感器因为性能的影响，直接限制了它在智能井***中的应用。

发明内容

本发明的目的旨在解决在高温环境下、有限的井下作业空间内，光纤传感器长期测量井下压力与温度的问题，提出一种膜片式光纤智能井压力与温度传感器，具有体积小，可在高温环境下长期使用，可同时监测油井中压力和温度的特点。适用于油田、化工等领域的压力与温度测量。

本发明提出的膜片式光纤智能井压力与温度传感器，其特征在于，包括：宽带光源、模块化光谱仪、数据传输线、数据处理器、第一段光纤、第二段光纤、光纤耦合器、光缆及一个或一个以上膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头；所述宽带光源通过第二段光纤与光纤耦合器的输入端相连，该光纤耦合器的一个输出端与光缆相连，另一输出端通过第一段光纤与模块化光谱仪的输入端相连，该模块化光谱仪通过数据传输线与数据处理器相连；所述膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头在光缆的另一端。

上述一个以上膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头可分布在光缆中同一根光纤上。

上述膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头可由固定器及设置在该固定器中的光纤、膜片组成，所述的光纤端面与膜片分别位于固定器中的一空腔的两端面，固定器用于将各个组件固定而形成一个整体的传感头。

上述固定器可为由上下两个不同直径的上部圆柱筒和下部圆柱筒组合而成，固定器中心有一通孔，用于固定伸入其中的导光光纤，该上部圆柱筒通过油井光缆的外保护套筒与油井光缆连接、密封与固定；固定器的下部圆柱筒开有一空腔，固定器的底部开有用于安装膜片的凹槽。

上述的光纤压力传感器探头，可由该导光光纤的端面、与之相对的膜片的上表面、以及光纤端面与膜片之间的固定器空腔构成，该空腔的深度为光纤压力传感器的初始腔长。

上述光纤温度传感器探头可由所述膜片的两个表面与膜片本身构成。

所述的膜片材料可采用含SiO₂的介质材料或光学晶体材料之一种。

所述膜片的一个或两个表面可有用于提高反射率的镀膜；所述镀膜的膜材料可采用金属材料或者氧化物材料。

本发明的特点及效果：

本发明提出的膜片式光纤智能井压力与温度传感器突破了基于光纤光栅原理的光纤传感器的长期工作温度为150℃、最高瞬时工作温度为300℃的工作温度限制。经过实际测量，本发明提出的传感器可以长期稳定工作在300℃。因此，本发明的光纤传感器探头适用于石油勘探和开采中的高温高压环境。另外，该传感器探头相比基于光纤光栅的传感器探头更加小型化。其轴向尺寸从基于光纤光栅的传感器探头的600mm左右下降到1mm左右，因此适合安装于油井的套筒和油管之间的狭小空间内。另外，本发明的传感器探头的尺寸的减小将有效的克服因为温度不均匀性对压力传感器探头的温度补偿带来的影响，因此将进一步提高压力传感器探头的精度与分辨率。基于布拉格光栅的光纤传感器探头对模块化光谱仪的光谱分辨率有很高的要求，达到10pm的量级，从而带来成本的提高。而本发明的测量精度对模块化光谱仪的分辨率依赖性大大降低，只需要100pm的分辨率即可达到同样的精度，从而使得成本下降，适于商业上的推广。另外，该传感器的核心部件采用非金属非有机材料，具有高温高压稳定性好、耐腐蚀、使用寿命长、测量准确、不打火及使用安全等优点。该传感器在石油化工领域存在广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的油井传感器总体结构示意图。

图2A为本发明的一种光纤压力温度二参量传感器探头的固定器实施例结构示意图。

图2B为采用图2A的固定器的一种光纤压力温度二参量传感器探头结构示意图。

图2C为显示图2B的光纤压力温度二参量传感器探头的光学结构示意图。

图3A为光纤压力传感器探头的反射谱。

图3B为典型的光纤压力传感器探头的空腔腔长与外界压力曲线。

图3C为典型的光纤压力传感器探头的空腔腔长与外界温度曲线。

图4A为光纤温度传感器探头的反射谱。

图4B为典型的光纤温度传感器探头的等效腔长与外界温度曲线。

具体实施方式

本发明提出的膜片式光纤智能井压力与温度传感器，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的总体结构如图1所示，包括：宽带光源1、模块化光谱仪2、数据传输线3、数据处理器4、光纤5、光纤6、光纤耦合器7、光缆8及一个膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头14；所述宽带光源1通过光纤6与光纤耦合器7的输入端相连，该光纤耦合器7的一个输出端与光缆8相连，另一输出端通过光纤5与模块化光谱仪2的输入端相连，该模块化光谱仪2通过数据传输线3与数据处理器4相连；所述光纤温度与压力二参量传感器探头14分布在光缆8的另一端。

上述一个以上膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头可分布在光缆中同一根光纤上。

在实际应用中光缆8分为地面部分与井下部分，这两部分的分界线为井头9；井头内置有井头光缆密封器，用于防止井内的压力泄漏；光纤温度与压力二参量传感器探头14分布在井下光缆8上，油井护管13用于防止土壤11落入井内。

本发明的工作原理为：从宽带光源1发出的光经耦合注入光纤，经由光纤耦合器7注入由光纤构成的光缆8；光缆8上分布有膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头；膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头在外界的压力与温度作用下，分别调制其反射光谱；由光纤温度传感器探头与光纤压力传感头分别反射的光谱逆向再次经过光缆8，经由光纤耦合器7注入模块化光谱仪2；模块化光谱仪2将输入光谱转化为光谱数据，传输至数据处理器4；数据处理器得到以下光谱数据：光纤压力传感器探头的反射光谱数据，光纤温度传感器探头的反射光谱数据；数据处理器对这两类光谱数据分别分析处理，得到每一个膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头的特征参量；数据处理器将得到的每一个膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头的特征参量与存储在数据处理器中的每一个膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头的特征参量标定曲线对比，从而得到每一个膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头的温度和压力读数。

本发明的一种实施例为：宽带光源1采用美国Honeywell公司的HFE4854高功率LED；模块化光谱仪采用美国Ocean Optics公司的USB4000微型光谱仪；数据传输线3使用USB传输线；数据处理器4使用带有USB接口的微型计算机；光纤5和光纤6采用石英玻璃制造的单模光纤，如美国Corning公司的SMF28单模光纤；光纤耦合器7使用上海瀚宇公司的A级三端口光环行器；光缆8可以采用油井专用光缆。

本发明的膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头由固定器及设置在该固定器中的光纤、膜片组成，所述的光纤端面与膜片分别位于固定器中的一空腔的两端面，固定器用于将各个组件固定而形成一个整体的传感头。一种固定器的实施例结构如图2A所示，固定器为一由上下两个不同直径的圆柱筒15和圆柱筒16组合而成，固定器中心有一通孔17，用于固定伸入其中的导光光纤。固定器的上部圆柱筒16通过油井光缆的金属外13保护套筒与油井光缆连接、密封与固定。固定器的下部圆柱筒15开有一空腔18(其深度即为光纤压力传感头的初始腔长)。固定器的底部开有用于安装膜片的凹槽19。固定器的一种实施例为：固定器材料选用耐化学腐蚀的316L低碳不锈钢，圆柱筒15外径为6.8mm、长度为5mm，圆柱筒16外径为3.3mm、长度为20mm。通孔17的直径为0.4mm。凹槽19的直径为4mm，深度为1mm。空腔18的直径为3mm，深度为80微米。

采用图2A所示的固定器的膜片式光纤压力温度传感头实施例结构如图2B所示。图中，光纤8伸入固定器上的通孔17中，在通孔两端22与23处通过密封件密封与固定。固定在凹槽19上的膜片24安装于凹槽19内并处于空腔18的下端面，膜片24与凹槽19通过密封与固定件25密封与固定。光缆的金属外保护套筒21与固定器的上部外壁16通过密封件20连接与密封。该光纤压力温度传感器的实施例如下：光纤8采用美国Corning公司的SMF28单模光纤，密封件20可以采用激光焊接或者氩弧焊接。21采用316L低碳不锈钢材料，密封件22与密封件25采用美国Epotek公司的353ND高温环氧树脂。

本实施例的膜片式光纤压力温度二参量传感器探头的光学结构如图2C所示。光纤压力传感头的组件为：光纤8的端面26、空腔18、膜片24、膜片24的上下表面27与28。膜片24的典型厚度为280微米。膜片24的材料可以选择但不限于石英玻璃、熔融玻璃、硼化玻璃等含SiO₂的介质材料；或可以选择但不限于蓝宝石、红宝石等的晶体材料。膜片24的材料在宽带光源的波长范围内具有吸收小，透过率高的特点，对宽带光源1的光的单程吸收损耗应该控制在2dB以内。膜片24的一个或两个表面可以选择镀膜，以提高或者保证反射率。镀膜材料可以选择金属材料或者氧化物材料：如铝、银、金、二氧化硅等。对镀膜材料的要求是：高温附着性好，耐高温，对宽带光源1的吸收损耗小于3dB，对宽带光源1的带宽内的光的吸收不均匀性小于1dB。在本实施例中采用15nm厚、纯度为99.999％的金膜，其反射率从0.04提高到0.37。

如图2C所示，光纤压力传感器探头基于双光束干涉原理，由光纤8的端面26、与之相对的膜片24的上表面27、固定光纤与膜片相对位置的固定器15、以及光纤端面与膜片之间的空腔18构成，该空腔18的深度为光纤压力传感器探头的初始腔长。光纤8用于将宽带光源1的光导向压力传感器探头，并且收集与传播压力传感器探头的反射光谱。光纤端面26用于形成第一个面的反射。膜片的上表面27产生第二个面的反射。光纤与膜片都固定在固定器15上，从而保证光纤8的法线垂直于膜片24表面。膜片24在外界压力与内部空腔压力的压力差下会发生变形，从而改变空腔18的腔长。

光纤压力传感器探头的反射光谱I(λ)与空腔腔长L的关系由公式1表述

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_s\left(\mathrm{\λ}\right)[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πL}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(1\right)$

其中λ为波长，I(λ)为反射光谱，I_s(λ)为宽带光源光谱，L为空腔腔长，γ为干涉条纹对比度。因此，可以通过对光纤压力传感器探头的反射光谱I(λ)的处理，得到当前空腔腔长L。初始空腔腔长为80微米的光纤压力传感器探头在0MPa和10MPa外界压力下的反射光谱分别如图3A中的虚线和实线。空腔腔长与外界压力的变化关系由公式2表述

$L=L_0-\frac{3(P-P_i)r^4(1-{\mathrm{\μ}}^3)}{16E{h}^3}---\left(2\right)$

其中L、L₀、P、Pi、r、μ、E、h分别为当前腔长、初始腔长、外界压力、空腔内部压力、膜片半径、膜片材料的泊松比、膜片材料的杨式模量、膜片的厚度。光纤压力传感器的空腔腔长L与外界压力P的变化关系如图3B所示，其中显示的是3次重复测量，分别以不同的线型表示，其中，第1次为带方框的线，第2次为带黑点的线，第3次为带圆圈的线。结果显示该传感器探头的重复性良好。由于固定器15存在不可忽略的热膨胀系数、以及膜片24的上表面28和固定器的连接点与光纤8的端面26和固定器15的连接点之间的距离不可忽略，因此光纤压力传感器探头存在温度串扰，由公式3表述

          L＝L₀+Gε(T-T₀)                                         (3)

其中L、L₀、G、ε、T、T₀分别为当前腔长、初始腔长、膜片24的上表面28与固定器的连接点与光纤8的端面26与固定器15的连接点之间的距离、固定器的热膨胀系数、当前温度、初始温度。空腔腔长与外界温度的变化关系如图3C所示，图中显示了3次测量的结果，分别以不同的线型表示，其中，第1次为带方框的线，第2次为带黑点的线，第3次为带圆圈的线。空腔腔长L随着外界温度的升高而变大。光纤压力传感器探头存在温度串扰，因此必须用光纤温度传感器探头进行温漂补偿。

本发明的光纤温度传感器探头由膜片24的两个表面27、28与膜片本身构成，如图2C所示。光纤压力传感器的光纤8导出的光分别由膜片的两个表面27与28反射，并且再次被该光纤8接受，在光纤8中形成双光束干涉。光纤温度传感器探头在不同温度下的反射光谱如图4A所示，图中的虚线和实线分别为在0℃和200℃的温度下的反射光谱。外界温度上升导致干涉条纹变密。膜片24的厚度与折射率随外界温度的变化而变化。膜片24的等效空腔腔长M为其厚度h与其折射率n的乘积，M与外界温度的关系由公式4表述

            M＝nh＝n₀[1+α_n(T-T₀)]h₀[1+α_h(T-T₀)]       (4)

其中M、n、n₀、h、h₀、T、T₀为等效空腔腔长、当前折射率、初始折射率、当前膜片厚度、初始膜片厚度、当前温度、初始温度，α_n＝n/nT是膜片材料折射率热膨胀系数，α_h＝h/hT是膜片材料热膨胀系数。光纤温度传感器探头的反射光谱与其等效空腔腔长M的变化关系由公式5表述。

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_s\left(\mathrm{\λ}\right)[1+\mathrm{\γ}\cos \left(\frac{4\mathrm{\πM}}{\mathrm{\λ}}\right)]---\left(5\right)$

其中λ为波长，I(λ)为反射光谱，I_s(λ)为宽带光源光谱，M为其等效空腔腔长，γ为干涉条纹对比度。因此，可以通过对光纤温度传感器探头的反射光谱I(λ)计算出等效空腔腔长M。本实施例中，光纤温度传感器探头的等效空腔腔长M与外界温度的关系如图4B所示。图中显示了5次测量的结果，其中第1次为带方框的线，第2次为带叉号的线，第3次为带三角的线，第4次为带圆圈的线，第5次为带五角星的线。其中第1次、第3次和第5次是升温曲线，第2次和第4次是降温曲线。结果显示光纤温度传感器探头的测温重复性较好。

上述内容只是对本发明内容的举例说明，本发明不限于上述公开的特定实施例，本领域普通技术人员对上述实施例进行的依据本发明的精神和范畴内的各种修改变化，均应落在由权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种膜片式光纤智能井压力与温度传感器，其特征在于，包括：宽带光源、模块化光谱仪、数据传输线、数据处理器、第一段光纤、第二段光纤、光纤耦合器、光缆及一个或一个以上膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头；所述宽带光源通过第二段光纤与光纤耦合器的输入端相连，该光纤耦合器的一个输出端与光缆相连，另一输出端通过第一段光纤与模块化光谱仪的输入端相连，该模块化光谱仪通过数据传输线与数据处理器相连；所述膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头在光缆的另一端。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述一个以上膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头分布在光缆中同一根光纤上。

3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头由固定器及设置在该固定器中的光纤、膜片组成，所述的光纤端面与膜片分别位于固定器中的一空腔的两端面，固定器用于将各个组件固定而形成一个整体的传感头。

4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述固定器为由上下两个不同直径的上部圆柱筒和下部圆柱筒组合而成，固定器中心有一通孔，用于固定伸入其中的导光光纤，该上部圆柱筒通过油井光缆的外保护套筒与油井光缆连接、密封与固定；固定器的下部圆柱筒开有一空腔，固定器的底部开有用于安装膜片的凹槽。

5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头的光纤压力传感器探头，由该导光光纤的端面、与之相对的膜片的上表面、以及光纤端面与膜片之间的固定器空腔构成，该空腔的深度为光纤压力传感器的初始腔长。

6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述膜片式光纤温度与压力二参量传感器探头的光纤温度传感器探头由所述膜片的两个表面与膜片本身构成。

7.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的膜片材料采用含SiO₂的介质材料或光学晶体材料之一种。

8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述膜片的一个或两个表面有用于提高反射率的镀膜。

9.如权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述镀膜的膜材料采用金属材料或者氧化物材料。

10.如权利要求1中所述的传感器，其特征在于，所述的第一段光纤和第二段光纤采用石英玻璃制造的单模光纤。

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