光纤传感器在延长油田的应用研究

焦 雄

（延长油田股份有限公司 井下作业工程公司，陕西 延安 716000）

光纤传感器在延长油田的应用研究

焦 雄

（延长油田股份有限公司 井下作业工程公司，陕西 延安 716000）

石油测井是石油勘探开发的重要环节，延长油田所辖油区地层特殊，传统测井手段易出现漏层，测量项目数据精确度不够。详细分析了光纤传感器工作原理，推导其在石油测井项目解析表达式，由此采用光纤传感器设计光纤传感系统，实验结果表明系统测井数据准确，能够很好地满足油井井下测井的需要。

石油测井；光纤传感器；布拉格光栅；光纤测量系统

延长油田所辖油区在构造上位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡，延长组为主要储层，沉积特征表现为南厚北薄。属于典型的层段薄，低孔隙度、低渗透储层。同时这些层段富含油气资源，而延长油田现在重点开采石油，天然气采收程度低，石油开采过程中也不够精细，资源浪费较大。实现测井过程中准确快速精细的测井数据采集，不仅对于现有测井技术提高有重要意义，同时对于准确估量资源含量及分布状况，为资料储备及后续作业提供准确数据，实现一次测量，综合利用。

国内外现有测井手段主要是采用大数控，小数控，但是使用效果不尽如人意，尤其是延长组层段薄，低孔隙度，低渗透的特点，容易出现漏层，测量数据不准确。采用现代传感器系统来实现陕北区域石油测井意义重大。但是传统的电子基传感器无法在井下诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电等恶劣的环境干扰下工作。光纤传感器能够克服这些困难，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，光纤传感器具有分布式测量能力，可以测量被测量的空间分布，给出剖面信息。其中光纤布拉格光栅（FBG）传感器属于波长调制型，其测量结果不受光强波动的干扰，因此易于藕合且藕合损耗小，易于实现远距离信号传输。因此非常适合油气工业的应用。延长油田所辖油区范围内，含油地层层段薄，油井深度普遍浅，将光纤传感器应用于延长油田具有极其广阔的前景。针对延长油田实际情况，探讨了光纤传感器在延长油田的应用前景和实现理论依据，并通过设计光纤传感器系统来实现测井。

1 布拉格光纤光栅传感器的原理

光纤光栅是具有波长选择滤波器性能的全光纤器件。各种波长的光通过光纤光栅时无插入损耗，即透射率极大；只有那些满足 Bragg条件波长的光被强烈地反射，即透射率极小。图 1为布拉格光纤光栅原理图。

图1 布拉格光纤光栅光路原理图

根据布拉格光栅的原理可知，不同波长的入射光其工作原理存在区分，满足布拉格条件波长的光被强烈反射，利用其反射特性测量待测地层；其他通过光纤光栅透射率达的入射光，利用其透射特性测量待测地层。测量过程中入射光会随着地层温度、压力、磁场等参数变化时，中心波长会相应变化。检测这些波长变化就可以得到视参数变化。

其工作原理图如图2：

图2 光纤光栅传感器图

2 光纤传感器在石油测井项目应用公式推导

2.1 应变的测量

当温度不发生变化时，波长漂移 Δλ和它所受的纵向应变 εσ的关系

其中 εσ为轴向应变，p11，p12为光纤材料的光弹性系数，μ为光纤材料的泊松比，neff为光纤纤芯有效折射率。在具体测量过程中，对井下压力及声波等测量项目都可以转换成应变来实现换算。

2.2 温度的测量

当温度发生变化（ΔT）时，一方面由于热胀效应使FBG伸长而改变其光栅周期，另一方面由于热光效应使光栅区域的折射率发生变化，所以温度引起的波长变化为：

其中 α为材料的膨胀系数，为 ε热光系数。

2.3 动态磁场的测量

由于井下状况复杂，通过法拉第效应可知地层本身磁场及仪器造成的磁场对 FBG偏振光折射都会形成影响，其变化规律为：假定沿FBG轴向施加磁场 H，折射率的改变可以确定为

其中 n＋和 n－代表FBG中右旋和左旋偏振光。H为磁场强度，λ为工作波长，Vd为维尔德常数（偏振光旋度）。

3 光纤传感测量系统的组成

如图3所示，给出了该光纤传感器系统的原理：计算机控制光源，采用半导体激光器通过聚焦纤维透镜将光能注入光纤，为估算温度变化，压力变化，磁场变化影响波长变化，将光束通过耦合器分离进入补偿器，该补偿器由计算机控制，光波经过光纤周围介质的折射率，透射率会发生波长变化，滤波调制后传到前端处理存储器，采用光电探测器探测输出光波长变化。

图3 光纤传感系统组成

4 实验结果分析

表1为标准井测井实验数据。结果表明，光纤传感器在陕北地层标准井实验中，在0~2000 m深度，光纤传感器系统对测试地层的压力，温度反映灵敏准确，同时对井下仪器压力测试中，发现井下仪器的压力反映基本符合地层压力特征。在后续生产设计中应用其他类型光纤传感器探头，在此光纤传感器系统基础上能够实现更多的参数测量，真实准确反映测井所需参数如电阻率，伽马，井径，渗透率等实际变化状况，可以满足生产测井需求。由于实验时间短，实验井次不足，系统稳定性，测量参数一致性还有待提高。

5 光纤传感器石油测井存在的问题及其在延长油田应用发展前景

光纤传感器应用到石油勘探领域，其先进性已经得到各大石油公司关注，但目前还没有得到广泛商用，主要受制于以下几个方面的问题影响：

（1）在光纤传感器应用于油井中的时候，光纤和光纤接头在井中易损坏；

（2）光纤传感器与流体接触很短时间就改变了特性，传感器性能的稳定性有待于进一步提高；

（3）光信号损耗的影响；

（4）安装和生产工艺。随着光纤产品的不断商用，生产工艺水平的不断提高，以上问题得到解决，光纤传感器将会广泛应用于石油测井，对石油测井水平的提高将会产生质的影响。

延长油田在近年来在中国石油格局中具有非常重要的地位，陕北石油开发的重要性也日趋明显。随着延长油田所辖油区的进一步扩展，以往地层资料及技术人员经验将会落后于生产实际，受制于测井水平有限，资源利用效率低下，测井水平改善提高意义深远。本文对光纤传感器在延长油田的应用进行探讨，以期能够对延长测井的发展提供新的思路，为延长油田测井水平的提高做出新的贡献。

表1 标准井测井实验数据

［1］徐开先.实用新型传感器及其应用［J］.沈阳：辽宁科学技术出版社，1995.

［2］王玉田.光电子学与光纤传感技术［M］.北京：国防工业出版社，2003.

［3］郭团，乔学光，贾振安，等.光纤光栅传感技术及其在石油工业中的应用［J］.测试技术学报，2004，18（3）：208－213.

［4］恽斌峰.布拉格光纤光栅传感器理论与实验研究［D］.南京：东南大学，2006：50－56

［5］Morey W W.et a1.Fiber optic Bragg grating sensors［J］. Proc of SPIE.1989（1169）：98－107

［6］Ames G H.Maguire JM.Erbium fiber laser accelerometer［J］.IEEE Sens J，2007，7（4）：557－561.

［7］饶云江，王一平，朱涛.光纤光栅原理及应用［M］.北京：科学技术出版社，2006：160－165.

［8］姜德生，何伟.光纤光栅传感器应用概况［J］.光电子·激光，2002，13（4）：42－143.

［9］刘云启，郭转运，刘治国，等.光纤光栅的压力传感特性研究［J］.传感器与微系统，1999，28（5）：443－445.

［责任编辑 李晓霞］

The Applied Research of Optical Fiber Sensor in Yanchang Oilfield

JIAO XIONG
（Logging Perforating Craft Room of Downhole Engineering Company，Yanchang Petroleum Co.，LTD，Yan an 716000，China）

Oilwell logging is an important link of petroleum exploration and developmentof oil field.The traditional loggingmethodswill appear leakage and the inaccurately data because of the special stratum in yanchang oilfiled. This paper analyzed the optical fiber sensor principle，the analytical expressions in oil well logging，which adopts project design of optical fiber sensing system，optical fiber sensors，the experimental results show that the system log data accuracy，can wellmeet the needs of oilwell logging.

oilwell logging；optical fiber sensor；bragg grating；opticalmeasurement system

TP13

A

1004-602X（2011）01-0083-03

2011 -03 -11

焦 雄（1967—），男，陕西延川人，延长油田工程师。