CN102562036A - 基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***，其包括：压力光纤光栅传感器，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；温度光纤光栅传感器，其布设于油管外表面，通过感受油管外温度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，并将其传给所述的压力光纤光栅传感器及温度光纤光栅传感器；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，用于监测所述压力光纤光栅传感器中心波长的变化及温度光纤光栅传感器中心波长的变化，进而测得煤层气井的压力和温度。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压力、温度监测***

技术领域

本发明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压力、温度监测***。

背景技术

煤层气俗称“瓦斯”，其主要成分是CH4(甲烷)，与煤炭伴生、以吸附状态储存于煤层内的非常规天然气，作为一种高效、洁净能源，经济效益巨大，于此同时，煤层气也是煤矿瓦斯***事故的根源，煤层气直接排放到大气中，其温室效应约为二氧化碳的21倍，对生态环境破坏性极强。煤层气井的生产是通过抽排煤储层的承压水，降低煤储层压力，促使煤储层中吸附的煤层气解吸的全过程，即通过排水降压，使得吸附态煤层气解吸为大量游离态煤层气并运移至井口。可以看出不仅在探测的过程需要监测井下温度压力情况，在开发利用的过程中也需要不断的监测煤层气的温度压力变化，在利用地下洞穴来存储煤层气的时候，也需要监测其温度分布和压力分布，从而了解存储能力及泄漏等情况。

传统的煤层气井压力温度监测技术为了得到井底、井筒中温度、压力场得动态分布，采用机械方式在井筒中上下移动井下传感器，从而导致整个测量过程周期较长，测量可靠性低，测量精度也受到限制；同时煤层气井中环境复杂，电磁干扰较强，而传统电子式传感器长期使用的稳定性及抗干扰能力是有限的。

因此，如何发明出一种煤层气井温度、压力监测***，将上述技术问题加以解决，为本领域技术人员所研究的方向所在。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***，以解决上述现有技术中所存在的问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***，其包括：

压力光纤光栅传感器，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；

温度光纤光栅传感器，其布设于油管外表面，通过感受油管外温度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，并将其传给所述的压力光纤光栅传感器及温度光纤光栅传感器；

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，用于监测所述压力光纤光栅传感器中心波长的变化及温度光纤光栅传感器中心波长的变化，进而测得煤层气井的压力和温度。

较佳的实施方式中，所述的压力光纤光栅传感器包括：

压力传感器壳体，其上设置一盖板，所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，其设置于所述压力传感器壳体内，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，所述凹槽上设置有压力光纤光栅，所述的压力光纤光栅引出一引出光纤至所述压力传感器壳体外，该引出光纤连接所述耦合器。

较佳的实施方式中，所述的温度光纤光栅传感器包括温度传感器壳体，所述的温度传感器壳体与所述的压力传感器壳体紧密连接，所述的温度传感器壳体内设置有温度光纤光栅，所述的温度光纤光栅引出另一引出光纤至所述温度传感器壳体外，该另一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压力传感器壳体内。

较佳的实施方式中，所述的盖板与所述压力传感器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，所述压力传感器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，所述温度传感器壳体上具有一光纤引出孔，所述的另一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，利用如下公式求得煤层气井压力：

P＝(Δλ_BS-Δλ_BT)E/2vC_ε

其中，Δλ_BS、Δλ_BT分别为光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度补偿传感器的中心波长变化量，其由解调仪测出；E为光纤光栅弹性模量；v为光纤光栅泊松比；C_ε分别表示光纤光栅应变系数。

较佳的实施方式中，利用如下公式求得煤层气井温度：

ΔT_T＝Δλ_BT/C_T

其中，Δλ_BT为光纤光栅温度补偿传感器的中心波长变化量，其由解调仪测出；C_T表示光纤光栅温度系数。

与现有技术相比，本发明应用光纤光栅测量煤层气井水压力，还具有温度自补偿功能和测量温度的功能，其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，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发明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发明的一些实施例，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为本发明基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***组成框图；

图2为本发明基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***的压力、温度光纤光栅传感器组成示意图；

图3为本发明基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***的压力、温度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-压力光纤光栅；4-温度传感器壳体；5-传力杆；6-压力传感器壳体；7-温度光纤光栅；81、82-引出光纤；91-压力光纤光栅传感器；92-温度光纤光栅传感器；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

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明基于光纤传感器的煤层气井压力、温度监测***组成框图，本发明的基于光纤传感器的煤层气井液位监测***包括一压力光纤光栅传感器91、一温度光纤光栅传感器92、一激光器10，一耦合器11及一解调仪12，所述的压力光纤光栅传感器91及温度光纤光栅传感器92布设于油管外表面并紧贴油管，通过感受油管外压力和温度，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与所述的压力光纤光栅传感器91及温度光纤光栅传感器92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监测所述压力光纤光栅传感器91光纤光栅的的中心波长及温度传感器92光纤光栅的中心波长的变化，进而测得煤层气井的压力和温度。

如图2及图3所示，分别为本发明基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***的压力、温度光纤光栅传感器组成示意图及布设示意图，所述的压力光纤光栅传感器91包括：一盖板1、一等强度悬臂梁2、一压力光纤光栅3、一引出光纤81、一传力杆5及压力传感器壳体6，所述的压力传感器壳体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设置于所述压力传感器壳体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，所述凹槽上设置有压力光纤光栅3，所述的压力光纤光栅3引出一引出光纤81至所述压力传感器壳体6外，所述引出光纤81连接所述耦合器11。

所述的温度光纤光栅传感器92包括：温度传感器壳体4、温度光纤光栅7及引出光纤82，所述的温度传感器壳体4与所述的压力传感器壳体6紧密连接，所述的温度传感器壳体4内设置有温度光纤光栅7，所述的温度光纤光栅7引出一引出光纤82至所述温度传感器壳体4外，所述引出光纤82连接所述耦合器11。

所述的压力、温度光纤光栅传感器是通过下述方法进行制作的：首先制作压力光纤光栅传感器91，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镶嵌在压力传感器壳体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与压力传感器壳体6之间的接触面上均匀涂抹高耐久性密封胶。在所述压力传感器壳体6上具有一光纤引出孔(图未示)，所述的引出光纤81通过所述光纤引出孔引出，在压力传感器壳体6和引出光纤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。

其次，进行煤层气井温度光纤光栅传感器92的制作，将温度光纤光栅7封装于温度传感器壳体4内部，在所述温度传感器壳体4上具有一光纤引出孔(图未示)，所述的引出光纤82通过所述光纤引出孔引出，引出光纤82与光纤引出孔之间使用高耐久性密封胶密封，保证温度光纤光栅不受外界应力作用，最后利用胶粘剂将温度光纤光栅传感器92与压力光纤光栅传感器91紧密连接。

如图3所示，本发明的压力光纤光栅传感器91、温度光纤光栅传感器92布设于油管外表面并紧贴油管布设，即压力传感器壳体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，对煤层气井水压力进行测量时，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上表面的压力光纤光栅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水压力-波长曲线即可求得渗透水压力值。对于温度补偿，由于该结构采用双光纤光栅并联结构，因此可以完全实现温度自补偿。同样，对环境温度进行测量时，温度光纤光栅7在温度影响下，中心波长发生漂移，此时应用光纤光栅解调仪12测量其波长，并用事先标定的温度-波长曲线即可求得环境温度值。

上述的使用压力、温度光纤光栅传感器进行煤层气井液位监测方法的具体如下：

用紫外光照射光纤，形成均匀栅格，使入射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与自身应变(ε)和温度变化(ΔT)的数学关系如下：

Δλ_B＝α_εε+α_TΔT    (1)

公式(1)中αε为光栅轴向应变与中心波长变化关系的灵敏度系数；

αT为光纤光栅温度传感的灵敏度系数。

考虑到温度补偿有公式(2)及公式(3)：

Δλ_BS＝C_εΔ_εS+C_TΔT_S    (2)

Δλ_BT＝C_εΔε_T+C_TΔT_T    (3)

公式(2)及公式(3)中，Δλ_BS、Δλ_BT，Δε_S、Δε_T，ΔT_S、ΔT_T分别为光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度补偿传感器的中心波长变化量，应变变化量、温度变化量，其中Δε_T＝0，ΔT_S＝ΔT_T，C_T、C_ε分别表示光纤光栅温度及应变系数。

考虑到光纤自身应变(ε)与外界径向压力(P)之间的关系有公式(4)：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{2}{E}\mathrm{Pv}---\left(4\right)$

公式(4)中E为光纤光栅弹性模量；v为光纤光栅泊松比。

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，考虑温度补偿后，即可得到煤层气井下该点处压力，公式(5)：

P＝(Δλ_BS-Δλ_BT)E/2vC_ε    (5)

由公式(2)、(3)可知，煤层气井下该点温度，公式(6)：

ΔT_T＝Δλ_BT/C_T    (6)

综上所述，本发明对煤层气井水压力进行测量时，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测量其波长，由上述公式即可计算出煤层气井下某点处压力值。对于温度补偿，由于该结构采用双光纤光栅并联结构，因此通过分析可知，可以完全实现温度自补偿。同样，对环境温度进行测量时，温度光纤光栅在温度影响下，中心波长发生漂移，此时应用光纤光栅解调仪测量其波长，并由上述公式即可计算出煤层气井下的温度值。

与现有技术相比，本发明应用光纤光栅测量煤层气井水压力，还具有温度自补偿功能和测量温度的功能，其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，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发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***，其特征在于，其包括：

压力光纤光栅传感器，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；

温度光纤光栅传感器，其布设于油管外表面，通过感受油管外温度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，并将其传给所述的压力光纤光栅传感器及温度光纤光栅传感器；

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，用于监测所述压力光纤光栅传感器中心波长的变化及温度光纤光栅传感器中心波长的变化，进而测得煤层气井的压力和温度。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***，其特征在于，所述的压力光纤光栅传感器包括：

压力传感器壳体，其上设置一盖板，所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，其设置于所述压力传感器壳体内，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，所述凹槽上设置有压力光纤光栅，所述的压力光纤光栅引出一引出光纤至所述压力传感器壳体外，该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的煤层气井压力、温度监测***，其特征在于，所述的温度光纤光栅传感器包括温度传感器壳体，所述的温度传感器壳体与所述的压力传感器壳体紧密连接，所述的温度传感器壳体内设置有温度光纤光栅，所述的温度光纤光栅引出另一引出光纤至所述温度传感器壳体外，该另一引出光纤连接所述耦合器。

4.根据权利要求2所述的基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***，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压力传感器壳体内。

5.根据权利要求2所述的基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测***，其特征在于，所述的盖板与所述压力传感器壳体之间的接触面均匀涂抹高耐久性密封胶。

6.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***，其特征在于，所述压力传感器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。

7.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***，其特征在于，所述温度传感器壳体上具有一光纤引出孔，所述的另一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。

8.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***，其特征在于，利用如下公式求得煤层气井压力：

P＝(Δλ_BS-Δλ_BT)E/2vC_ε

其中，Δλ_BS、Δλ_BT分别为光纤光栅压力传感器和光纤光栅温度补偿传感器的中心波长变化量，其由解调仪测出；E为光纤光栅弹性模量；v为光纤光栅泊松比；C_ε分别表示光纤光栅应变系数。

9.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***，其特征在于，利用如下公式求得煤层气井温度：

ΔT_T＝Δλ_BT/C_T

其中，Δλ_BT为光纤光栅温度补偿传感器的中心波长变化量，其由解调仪测出；C_T表示光纤光栅温度系数。

Images