油井下用光纤温度压力传感器

赵庆超，郭士生，李舜水，刘嘉

(1.山东省科学院激光研究所，山东济南250014;2.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海200030)

在油田的开发过程中，必须进行井下温度、压力和声波等参数的测试［1］，了解油气井在生产过程中井内流体的特性与状态的详细资料，从而优化生产、提高油气采收率和产量，同时降低成本。在油田测试中，井下压力、温度参数的可靠性和准确性是至关重要的，但油气井下的环境极其复杂，大多高温、高压且具有腐蚀性。目前国内的油井，例如中海油，大多使用电子传感器测量井下的温度、压力等参数，传统的电子传感器在井下的恶劣环境中工作，容易被腐蚀而失准。光纤传感器具有精度高、体积小、耐高温和耐腐蚀等优点［2－3］，集传感与信号传输于一体，可实现远距离测量与监控。目前，国外油气井下多采用光纤温度压力传感器，但是对我国存在技术壁垒。国内光纤温度压力传感器也初步应用于油井测试中，但井下压力和温度的测量都是基于光纤Bragg光栅［4］，而光栅的封装多采用胶粘，胶粘在压力测试中容易产生蠕变，从而使测试失准。

本文研制了一种新型的光纤温度压力传感器，以F-P(Fabry-Perot)腔和光纤Bragg光栅为传感元件，分别用于监测油气井下的压力和温度。由于该传感器压力测量是基于F-P腔，可以很好地解决胶粘在压力测试中的蠕变问题。该传感器已应用于工程实践中，实时在线监测井下压力和温度状况，至今正常运行。

图1 光纤F-P腔原理Fig.1 Principle of optical fiber F-P cavity

1 传感器设计

1.1 基本原理

1.1.1 光纤F-P腔基本原理

F-P干涉仪［5－6］是由两个平行的光学平面构成的光学谐振腔，其原理见图1，d为两个反射面之间的间距(即腔长)，n为腔内介质的折射率，i为光线在入射界面的折射角。当一束平面光波以一定角度从一侧入射后，在入射界面产生反射和透射，而入射到腔内的光线也不断地在两个界面上产生反射和透射，振幅和强度被一次一次地分割，最终形成图中入射光学面的多束平行的反射光和下反射面的多束平行透射光，然后用解调仪解调出F-P腔腔长的信息。光纤F-P腔分为本征型和非本征型，本文采用非本征型F-P腔，以空气作为腔内介质［7］。

1.1.2 光纤Bragg光栅基本原理

用强度在空间上周期变化的强紫外线激光照射掺锗光纤就可在纤芯内、沿轴向形成一个折射率周期变化的光栅，当一束宽光谱光通过FBG时，FBG反射回一束单色光，波长λ满足［8－9］

式中，n为光纤光栅的有效折射率，Λ为FBG的周期，由于n和Λ与FBG的温度和应变状态有关，所以波长λ随温度和应变变化而变化。

研究表明，温度和应变引起的光纤光栅波长变化可表示为［10－11］

1.2 光纤温度压力传感器设计

本文所设计的光纤温度压力传感器结构示意图见图2，第一裸光纤2和第二裸光纤4的外径为0.125 mm，将第一、第二裸光纤插入内径为0.13 mm、外径为0.3 mm的石英玻璃管3中，用氢氧焰烧结玻璃管外端，玻璃管熔化便形成熔接点1、5，第一裸光纤2和第二裸光纤4两端面构成了F-P腔10，将玻璃管3用玻璃焊料安装于封装基座6上面;图中光栅8处于完全松弛且稍有弯曲状态，用高温胶将光栅8粘于基座6上面，7、9为胶粘合点。传感器外观图见图3。

图2 传感器结构示意图Fig.2 The structure diagram of the sensor

图3 传感器外观图Fig.3 Outline of the sensor

封装基座6和金属套管11通过金属变形密封连接，压力通过金属套管11的开口进入管内，当玻璃管受到压力作用时会产生变形，致使F-P腔大小产生变化，假设玻璃管外径为r0、内径为r1，F-P腔腔长的变化ΔG与压强P之间的关系可表示为［12］

式中，L0为两熔接点的距离，P0为玻璃管内部的压强，E为玻璃的弹性模量，v为玻璃的泊松比。

由于光栅封装时为完全松弛且稍有弯曲状态，所以光纤光栅的轴向应变对光栅波长变化无影响，式(2)可表示为

图4 测试装置示意图Fig.4 Illustration of the test device

2 实验室测试与分析

本文实验测试装置见图4，包括加压装置、加温装置和信号解调装置。加压装置用上海闵榆实业有限公司的标准宽量程活塞式压力计，导压管采用麦格思维特(上海)流体工程有限公司的高压钢管及接头(耐110 MPa)，加温装置采用吴江市飞马烘箱厂的远红外鼓风干燥箱，信号解调仪采用MOI光纤光栅传感解调仪。

MOI解调仪解调后的传感器反射光谱见图5，图中波浪部分为F-P腔的反射光谱，尖角部分为光栅的反射光谱。当温度发生变化时，尖角部分尖点所对应的波长发生变化，通过式(4)即可算出温度值;当压力发生变化时波浪部分波峰和波谷所对应波长发生变化，通过采集波峰或波谷所对应的波长，然后经过一定运算，算出F-P腔的腔长变化，然后通过式(3)即可算出压力值。

图5 传感器反射光谱Fig.5 Reflection spectrum of light of the optical fiber sensor

图6 F-P腔长期稳定性测试Fig.6 Test for the long-term stability of the F-P cavity

此类传感器在油田的长期监测应用中，稳定性至关重要，而油井井底温度大都高于100℃，本文以编号为2013011501的传感器为例进行长期稳定性测试，由于当时解调仪软件的原因只对F-P腔腔长进行了解调，测试结果见图6。

由图6可以看出，传感器在150℃和165℃，不加压的情况下分别测试3个月，F-P腔腔长值只变化了几个纳米，由此可见该传感器的压力测试满足长期稳定性的要求。

加温装置分别设置150℃、165℃和120℃，不加压，对编号为2013072203的传感器进行测试，传感器光栅波长变化见图7。

图7 光栅波长变化Fig.7 Wavelength change of the grating

由图7可以看出，光栅的波长随温度变化而变化，响应明显;在3个温度值恒温时基本没变化，稳定性很好;依据公式(4)采用相应的算法算出的温度值与实际温度值一致，准确性好。

传感器测试装置中加温装置设置150℃，加压装置设置0～51 MPa，用信号解调装置解调出F-P腔腔长值，以编号为2013072203的传感器为例进行压力标定，标定结果见图8。

图8 压力标定Fig.8 Pressure calibration

经实验测试分析，温度对F-P腔腔长的变化影响很小，温度变化1℃腔长变化1 nm，可以忽略不计，为更加精确，本文对F-P腔腔长值进行了温度补偿。对压力进行标定，压力与腔长的关系为y=－253.684 104x+117 026.531 461，其线性拟合度为 0.999 999。

3 传感器工程应用

2013年9月底在中国春晓油田天外天平台A9井安装了一个光纤温度压力传感器，此井总深大约3 000 m，井垂深大于1 000 m。

为了将传感器安装到井下，我们设计了托桶，托桶侧面设计有圆开口，用于传输压力，将传感器安装于托桶上面，托桶和油管螺纹联接，传感器随油管下到井下，井下传感信号经专用铠装光缆传输到井口，由于井深很深需要多捆光缆续接，光缆和光缆连接处用专门连接器连接，到达井口位置用地面专用光缆接续盒转地面光缆传输到中控室，之后对信号进行解调，经过计算最终得到井下的压力和温度值，图9显示了A9井完井之后到2014-02-20的压力变化。

图9 井下压力值变化Fig.9 Pressure change in an oil well

由图9可以看出传感器安装之后到2014-01-11之间压力基本不变，保持在18.3 MPa左右;2014-01-11～2014-01-15之间压力产生较大变化，最高达到24.5 MPa，和A9井生产监督联系后得知，此间井口做过一次加压;之后井下压力值稳中有降，这是由于产气量的变化导致的。

图10 井下温度值变化Fig.10 Temperature change in an oil well

图10显示了A9井完井之后到2014-02-20的温度变化，由图10可以看出，井下温度在2013-12-12之前基本保持在105℃;2013-12-12～2014-01-11之间温度有所上升，最高到达118℃，这与井下环境有关;2014-01-11～2014-01-15之间，温度下降，下降到105℃，这也与井下环境有关;2014-01-15之后井下温度基本保持在105℃左右。

4 结语

本文研制的油井下光纤温度压力传感器，耐高温、抗腐蚀且井下部分为无源，安全可靠，可以很好地解决电子传感器易受井下环境腐蚀的问题。到目前为止，该光纤温度压力传感器已在井下连续监测4个月且未出现故障，达到了使用要求。由于该传感器串联很难实现，目前只能进行单点测试，实现井下温度压力多点测试是我们以后的重点研究方向。

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