基于光纤光栅的油井压力/温度监测方案

一、      概述

      在油田的开发过程中，人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料，这就要用到石油测井，其可靠性和准确性是至关重要的，而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤光栅感器可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压（几十兆帕以上）以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤光栅传感器具有准分布式测量能力，可以在不干扰油井参数场的情况下同时测出井下的温度、压力，并可以测出井下的温度、压力剖面，可以获得传统测试方式无法获取的数据，为油井动态监测提供了一种更理想的手段，是其它测井不可替代的一种测试方式，是测试技术的一个突破。该技术非常适合油井生产动态监测，为测试技术提供了一套全新的思路，该监测系统如果与控制技术相结合，对提高油气采收率、油藏的战略管理具有极大的潜在经济价值。

      光纤光栅传感系统主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪三大部分。解调仪宽带光源发射宽带光λ，经耦合器到光纤光栅传感器后，反射回一窄带的光λB，λB经耦合器到波长检测装置测出其波长，然后在转换成压力或温度值。λB的波长值与光栅本身有关，图中四个光纤光栅，反射回四个不同的波长，就可检测出四个波长。

二、      技术指标要求

      1.        六级压力/温度传感器串接，每级包括一个温度和一个压力测试点；

      2.        温度测试指标：范围-10℃～175℃，精度±0.5℃；

      3.        压力测试指标：范围0～40MPa，精度±0.5%F.S.；

      4.        光缆直径：＜Φ15mm；

      5.        传感器直径：≤Φ35mm；

      6.        传感器置于井下长期监测，工作3～5年。

三、      系统组成

      每个传感器内有两根光纤光栅，一根用于测量温度，一根测量压力，传感器两端引出1m左右的光缆。传感器的引出光缆通过连接器与下井光缆连接，按这样将六个传感器通过下井光缆串接起来，传感器之间的间距可根据需要确定。在传感器的下面加30kg左右的配重，以保证传感器及光缆竖直下井。传感器的上面通过光缆连接到地面监测室中的解调仪上。解调仪采集信号计算压力和温度，然后保存数据并在显示器上显示。

四、      压力/温度传感器特性

      压力/温度传感器的作用是将压力和温度转化为光纤光栅的波长信号，是系统的关键部分。我们设计的传感器有如下特性：

      ⑴传感器技术指标为：压力：范围0～40MPa，精度±0.5%F.S.，分辩率0.1%F.S.。温度：范围-10℃～175℃，精度±0.5℃，分辨力0.1℃。（当地面解调仪的分辨率为1pm，精度为±5pm时）

      ⑵采用全不锈钢结构，耐压耐腐蚀

      ⑶井下传感器最高工作温度：175℃

      ⑷传感器的外径：Φ30mm

      ⑸传感器为双端光纤，可以串联，最多可达6级（每级包括一个压力和一个温度测试组件）

      ⑹使用寿命长：3~5年

五、      解调仪特性

      解调仪是用来采集分析光纤光栅信号、计算和显示温度压力的仪器。它包括大功率宽带光源、高精度光谱分析仪、耦合器、用于数据分析与计算的计算机等其它配件。它的解调精度直接影响系统的测试精度。

      我们公司的解调仪技术指标：

      通道数：    1、2、4、8等

      波长范围：  1525～1565nm

      分辨率：   1pm

      重复性：    ±5pm

      动态范围：  >30dB

      最小分辨间隔：  0.6nm

      扫描频率：  1Hz

      工作温度：  -10～60℃

      环境湿度：  90%

 六、      光缆及连接器

      光缆是为油井下使用而定制的专用双芯光缆（只用一根，另一根备用），采用直径为3.5mm，厚0.4mm的不锈钢管保护，有抗压，抗拉，耐腐蚀及耐高温的特点，能够满足的井下长期使用。 

      由于传感器与光缆需连接，传感器中的光纤与光缆中的光纤可以熔接，但是外界油水会顺着光缆的熔接处进入传感器，时间一长就会对传感器造成伤害，这就需要专门的连接器来保护连接点。我们为井下使用特别设计了连接器。