光纤温压法实现油井动液面的实时监测

张洪涛 付威 王春骞 张广玉 王振龙

摘 要：针对油井动液面不能实时监测的问题，采用一种将压力测量和温度剖面测量相结合的方法对油井动液面进行实时监测。设计了基于偏心推杆结构的光纤压力计，采用多模光纤测量温度剖面，根据温度剖面上的拐点确定动液面初始位置，通过初始压强及动液面初始位置计算井中液体密度，之后仅利用压力计随后测得的数据即可求出动液面的实时位置。实验结果表明，光纤压力计有很好的线性度和重复性，其线性度为0.999，压力灵敏度达到230.9pm/MPa，满足井下压力测量要求，同时多模光纤所测温度剖面拐点明显，易于读取，将两种方法结合可对油井动液面数据进行实时准确的监测。

关键词：光纤传感;光纤压力计;温度剖面;偏心推杆;实时动液面监测

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.001

中图分类号： TN253

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）06-0001-06

Abstract：Real-time monitoring of dynamic liquid-level of oil-well is very important in oilfield. A novel method combining pressure measurement and temperature profile measurement is proposed in this paper to measure dynamic liquid-level of oil-well in real-time. A fiber Bragg grating pressure sensor based on an eccentric-pushrod structure is used to measure downhole pressure and the multimode fiber is used to measure temperature profile. The initial position of the dynamic liquid-level can be determined by the inflection point of the temperature profile. The density of the liquid in the well is calculated from the initial pressure and the initial position of dynamic liquid-level. Base on this data the real-time position of the dynamic liquid-level can be obtained only by using the pressure data. Experimental results show that the method that the fiber Bragg grating sensor has a good linearity and repeatability the sensitivity of the sensor can reach 230.9pm/MPa wich meets the requirements of downhole pressure measurement and the inflection point of the temperature profile measured by multimode fiber is obvious and easy to read. The combination of the two measurements methods can be used for real-time and accurate monitoring of oil well liquid level data.

Keywords：optical fiber sensing; fiber optic pressure sensor; temperature profile; eccentric-pushrod; real-time dynamic liquid-level monitoring

0 引 言

在油田的生產开发过程中，动液面数据是一项关键的油田管理基础资料，直接反映油井的供液能力，被誉为“油井的脉搏”。通过对动液面数据的实时监测，可以分析出油井的工作情况以及井下供排状况，并以此为依据优化工作参数，这对降低能耗，提高采收率，减少油井事故，延长油井寿命具有重要的意义。

目前，油井动液面测量方法主要有浮筒法、压力传感器法和声波法3种。浮筒法受到自身重量和体积的限制，只适合在环空井和敞开井中使用。压力传感器法通常采用存储式电子压力计，测量一段时间后将压力计从井筒中取出获取数据，无法进行实时监测。声波法采用基于声波反射原理的回声仪进行测量[1-6]，应用较为广泛，但由于油套环空中状态较为复杂，反射波可能受到死油、稠油、泡沫油、结蜡、油管变径、井身轨迹以及机械振动噪声等因素的影响，导致测量结果不准确。近年来，光纤以其体积小、重量轻、损耗低、频带宽、抗干扰性强、便于施工维护等优点[7-9]而广泛应用到光纤通信领域、结构健康领域、石油、天然气领域等[10-19]。本文基于光纤传感原理，提出一种通过温度剖面和压力监测来获取实时动液面数据的方法。设计了一种新型的光纤光栅压力传感器，以满足高压高精度井下压力测量的需求。

1 动液面测量原理

动液面测量原理如图1所示。光纤压力计固定于油管外侧，随油管下放至指定深度。在油管接箍处安装光缆保护器，防止下井过程中的光缆磕碰。光缆引出井口后，将光缆中的单模光纤和多模光纤分别接入光纤光栅解调仪和拉曼解调仪，进行压力和温度剖面的测量。

由于井筒内液体密度ρ未知，因此无法仅由光纤压力计得到动液面高度。

通过拉曼解调仪可以得到整个井筒的温度剖面，在动液面位置，气体段和液体段交界，由于二者传热学参数相差较大，因此在温度剖面上会出现一个拐点，此拐点就对应着动液面位置。但由于热传导需要一定的时间，因此使用温度剖面上的拐点来确定动液面位置会出现一段时间的延迟，实时性较差。

综上所述，单独使用压力测量或温度剖面测量均无法得到实时的动液面数据。因此，考虑将两种方法进行组合。当光纤压力计刚下入指定位置时，抽油机尚未工作，液面位置保持不变。此时可以通过温度剖面拐点得到动液面高度Hf，通过光纤压力计得到压强P，由式（1）和（2）可以求出井筒内液体密度ρ。此后即可仅通过压力计数据来计算动液面高度。

2 光纤压力计结构设计

光纤压力计传感头结构示意图如图2（a）所示。压力计主要由外壳、膜片、偏心推杆、固定钢套、传力管、压力敏感光栅、保护管、应变杆和温度敏感光栅组成。外壳与保护管通过螺纹连接，对应变杆起到保护的作用。图2（b）为没有上保护壳和中保护管的传感头实物图。传感头与铠装光缆及保护壳等连接后，最后组装成的光纤光栅井下压力计实物图如图2（c）所示，其直径20mm，长度370mm。当外界压力作用在膜片上时，压力通过偏心推杆和传力管最后作用到应变杆的受力端面上（此端面可称为偏心推杆作用面），此时应变杆同时受到轴力及弯矩的作用而产生轴向伸长与弯曲，对称粘贴在应变杆表面的两支FBG亦产生协同变形，中心波长发生漂移，最后通过测量光纤光栅波长漂移量来获得外界压力。

偏心推杆实物与结构图及粘有单光纤光栅的应变杆分别如图2（d）、（e）所示，由图2（d）知偏心推杆有三个等长度的支脚，图2（e）中应变杆中间位置的圆杆部分是粘贴光纤光栅的位置。本文对光纤光栅的封装方式为先用502胶将光纤光栅两端固定在应变杆上，注意光栅轴线应保持在沿杆长方向的中心线上，然后将光纤光栅全部涂上环氧树脂胶，封装尺寸为20mm×1.2mm×0.3mm。在粘贴过程中要对光纤光栅施加一定的预应力，这样可以增加传感器的重复性和线性度[20]。为了消除温度的影响，本文的压力计采用的是双FBG结构，即一根光纤上隔一定距离刻两个中心波长不同的光栅。压力敏感光栅贴在应变杆中间位置同时受到温度和应变的影响，温度敏感光栅贴在应变杆的尾部，由于应变杆的尾部是自由的，其只受温度影响。在温度的影响下，由于两支FBG粘贴在同一个应变杆上，且两支FBG的所有参数是一样的，所以温度引起的波长变化是一样的，也是同向漂移，所以温度敏感光栅可以补偿压力敏感光栅受温度影响时中心波长的漂移量，这样压力敏感光栅将不受温度的影响。

外界压强作用下应变杆的受力分析图如图3所示。A部分固定，外界压强P通过膜片、偏心推杆及传力管作用在B部分的左端面上，又由图2（d）知偏心推杆有三个支脚，所以应变杆受到的力由图3中的F1，F2，F3组成，三个支脚的作用力的大小为

3个支脚的作用力对应变杆的作用效果是由偏心推杆的三个支脚同方向作用的轴力和3个支脚构成的非平衡力系产生的弯矩组合一起的效果，应变杆上粘贴压力敏感光栅的一侧应正对着非平衡力系中产生弯矩的支脚（即作用力点F1），这样压力敏感光栅会受到最大的应变，三个支脚同方向作用得到轴力Fx的大小为

一般通过FBG受应变产生变形大小来测量外界物理量，这种变形可由拉力、压力、弯曲产生，有些研究者采用直推杆结构，使FBG只受到拉力作用，对于本文的传感头也可采用直推杆结构，此时应变杆仅受轴力Fx作用，值仍为PS，由式（5）、（6）知，此时应变杆的应变为

传感器参数如下：施加的最大压强P=20MPa，推杆受力面直径d=9mm，产生弯矩的力臂L=375mm，应变杆直径D=2.9mm，应变杆弹性模量E=210GPa，将以上各参数代入到式（11）、（12）中可得两种情况下的应变值分别为

将两个应变做比值可知偏心推杆的应变量是直推杆情况下的4.43倍，因此为了获得高灵敏度本文的压力计采用偏心推杆结构。

由光纤光栅传感原理知[7]，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将被反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输，

布拉格光栅反射波长的基本表达式为

3 压力计测试实验与结果分析

3.1 压力计测试实验

光纤压力计标定实验装置图和现场图如图4所示。标准液压泵输出端与压力测试容器密封连接，并实现0～40MPa压力测试。压力计放置于压力测试容器内，其末端经密封接头引出，与SM130解调仪（MOI公司）和电脑连接，所用解调仪的扫描频率为1kHz，分辨率小于1pm，可重复性2pm。

压力标定实验过程为，当室温恒定后，在0～20MPa测量范围内以步长2MPa进行加载、卸载循环，每次压强变化后记录压力敏感光栅和温度敏感光栅的中心波长值和反射谱。为了减小传感器内残余应力，在实验前要循环加载卸载几次，并进行保压。

实验中使用的光纤光栅是切趾型光纤光栅，指标如表1所示。

3.2 结果与分析

压力敏感光栅中心波长随压强的变化如图5所示。从图中知，该光纤压力计的线性度和重复性良好，第二次加載时线性度达到0.999，压力灵敏度达到230.9pm/MPa，是裸光纤光栅压力灵敏度[21]的75.4倍，此外该传感器几乎没有弹性滞后。

通过以上实验可知，此压力计能在较大量程范围内得到较高的灵敏度，符合测量油气井井下测量压力的要求。实验标定好光纤压力计的压力灵敏度后，光纤压力计即可用于在动液面监测过程中测量压强。

4 动液面监测实验

将压力测量与温度剖面测量结合得到实时动液面数据的测量过程为：将光纤压力计下入指定位置，记下H2，此时抽油机设置成尚未工作状态，恒定一段时间后，记下由光缆中多模光纤测得的温度剖面拐点位置H1和由压力计测得的此处压强P，进而由式（2）可求出井筒内液体密度ρ，式（2）可变形为H1=P/ρg，将抽油机设置成工作状态，此时井下动液面发生变化，光纤压力计所测压强亦发生变化，可通过公式（2）的变形式求出此时压力计距动液面的距离H1，与之前记录的H2一起由式（1）即可得到动液面高度Hf。

图6为抽油机尚未工作时光纤压力计置于2000m水井中温度拐点曲线图，压力计下入至据井底约504m处，即H2=504m，压力计温度拐点为798.0535m，光缆末端经多模纤芯测得1635.0155m，则H1=836.962m，测出此时压强为P=8.15MPa，则井中液体密度为0.974×10-3N/kg，与水的密度符合。此时抽油机工作，由密度及压力计测得的压强和压力计在井底中的位置，既可以测得实时动液面数据。

5 结 论

本文基于光纤传感技术，提出一种通过压力与温度剖面测量相结合的方式，实时获取油井动液面数据的方法。压力测量采用基于偏心推杆结构的光纤光栅压力计，其具有大量程、高灵敏度，且温度能够自动补偿。理论分析和实验结果表明，该压力计具有良好的重复性和线性度，几乎没有弹性滞后，在0～20MPa的量程范围内灵敏度达到230.9pm/MPa，满足井下压力测量要求。温度剖面采用多模光纤进行测量，通过温度拐点测出初始动液面，进而求出井筒内液体密度，再由光纤压力计测量实时准确的动液面数据。

参 考 文 献：

[1] 王海文，林立星，杜中卫，等. 基于谱减算法的声波法测油井动液面的信号处理[J].石油天然气学报，2012，34（1）：118-122.

[2] 林立星.声波法测油井动液面信号辨识技术研究[D].青岛：中国石油大学，2011：3-71.

[3] 吕思平.油井动液面测量系统的研制[D].青岛：中国石油大学，2011：2-49.

[4] 杨少鹏.基于光纤传感的生产井动液面实时检测技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013：2-44.

[5] 闫贵堂. 动液面连续监测技术在间抽油井上的应用[J].石油工程建设，2012，38（5）：61-62+80.

[6] 周伟，贾威，郭小渝，等. 基于管柱声场模型的油井动液面检测新方法[J].西南石油大学学报（自然科学版），2015，37（4）：166-172.

[7] 张自嘉.光纤光栅理论基础与传感技术[M].北京，科学出版社，2009：5-131.

[8] OTHONOS A. Fiber Bragg gratings[J].Review of Scientific Instrument，1997，68（12）：4309-4341.

[9] KERSEY A D et al. Fiber Grating Sensors[J].Journal of Lightwave Technology，1997，15（8）：1442-1463.

[10]沈涛，胡超，唐邈，等. 直通式薄膜型光纤电流互感器[J].哈尔滨理工大学，2014，19（3）：46-56.

[11]LIU B et al. A Novel Fiber Bragg Grating Accelerometer[J].Chinese Jornal of Scientific Instrument，2006，27（1）：42-44.

[12]OTHONOS A.Fiber Bragg Gratings： Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing[M].London，Artech House，1999：1-423.

[13]何俊，董惠娟，周智，等. 一种适合工程应用的新型光纤光栅位移传感器[J].哈尔滨理工大学，2010，15（5）：61-64.

[14]章立滨，杨军，刘志海，等. 单索面斜拉桥模型钢索载荷应变的光纖传感测量方法[J].哈尔滨工程大学学报，2000，21（3）：86-89.

[15]任亮.光纤光栅传感技术在结构健康监测中的应用[D].大连：大连理工大学，2008：3-10.

[16]GUO M J LIANG L. A Novel Fiber Bragg Grating Pressure Sensor with the Smart Metal Structure Based on the Planar Diaphragm[J].Proceeding of SPIE，2010，7659：76590O.

[17]PACHAVA V R KAMINENI S MADHUVARASU S S et al. Fiber Bragg Grating-based Hydraulic Pressure Sensor with Enhanced Resolution[J].Optical Engineering，2015，54（9）：096104.

[18]刘云鹏，李岩松，黄石龙，等. 基于光纤传输的气体绝缘开关设备局部放电超声波监测系统[J].高电压技术，2016，42（1）：186-191.

[19]吴巧巧，周志强，陈文，等. 油纸绝缘系统局放光纤传感监测方法[J].哈尔滨理工大学学报，2016，21（4）：96-100.

[20]XIN S J CHAI W. Study on Encapsulating Method of FBG Temperature Sensor[J].Journal of Transducer Technology，2004，23（4）：10-12.

[21]XU M G REEKIE L Chow Y T et al. Optical in-fiber Grating High Pres-sure Sensor[J].Electronics Letters，1993，29（4）：398-399.

（编辑：关 毅）