光纤压力、温度传感器

姜少军 于清旭

【摘要】本文介绍了光纤传感器在油井开采中国内外的国内外的发展状况。重点介绍了大连理工大学研制的基于光纤F-P腔的光纤压力/温度传感器的原理、技术及各项技术指标，该传感器目前已达到了国际先进和国内领先水平。尤其是该传感器经过国内多家油井的使用已经达到可以产业化的阶段。

【关键词】传感器；油田测量

一、国内外发展状况

传感器技术是信息时代最为重要的标志性技术之一，是信息社会的重要技术基础，它与信息通信技术、计算机技术共同构成了当今信息产业的三大技术支柱，已经成为一个国家科学技术发展水平的重要标志。光纤传感器技术是伴随着低损耗光纤的诞生和光纤通信技术的迅猛发展而逐步发展起来的，光纤传感器技术的研究和发展迄今已有近三十年的历史，目前它已经成为传感器技术中的一个重要分支。光纤传感器以光波作为信息载体，以光纤作为信息的传输介质，对被测参量进行传感测量。由于光纤传感器与传统的电子学传感器在信息载体、传输介质上的差别，决定了光纤传感器具有传统电子学传感器无法比拟的特点：

1.光纤传感器是无源器件，电绝缘性好，抗电磁干扰同时又不产生电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，在易燃易爆等恶劣环境下使用安全可靠；

2.光纤传感器质量轻，光纤极细，适合于在对传感器质量要求较高的场合使用；

3.光纤传感器可以串/并联复用，更重要的是还可以进行分布式传感测量，容易形成传感器网络或者阵列；

4.光纤传感器可以埋入复合材料或结构中来实现材料、结构内部应变分布的实时监测，即制成光纤智能材料和结构；

5.光纤传输光波损耗小，可以不受任何电磁干扰地实现远距离测量和控制。

光纤传感器由于具有传统电子学传感器所不具有的优点，自上个世纪七十年代美国海军研究所（NRL）开始执行光纤传感器系统（FOSS）计划以来，得到了世界上很多国家的特别重视，已经在全世界范围内取得重大发展。

我国大部分油气田开发生产目前正面临诸多方面的挑战，例如，如何降低复杂地质结构油气田的开发成本；如何提高油田边缘油井开采的经济性；如何提高再开采效率（在地下遗留更少的油）和降低开发运营成本；如何减小产量下降的速度，以及避免油气生产中断的危险和损失和减小环境和安全方面的事故等。解决这些问题的关键在于全面了解井下物理参数，获得丰富的实时的测量数据并与整个生产过程的结合。丰富的测量数据是完整掌握从井下到井口的油气流状态，保障油气生产和油气流集输的基础。

有预测指出，全球石油产量很快就将开始递减，大多数石油会在几十年内采完。但实际上已探明的石油储量还有2/3未被开采，目前各个油田的采收率实际上仅有35%。美国地质勘探局（U.S.Geological Survey， USGS）估计，在全球范围内，地球上剩余的常规石油储量约有7万亿到8万亿桶，但是传统的技术、经验和成本，只有其中小部分石油能够划算的开采出来。

近十年来，石油公司正逐步采用各种先进技术，提高产量和采收率。伴随新的技术的采用，也给用于提供井下地球物理信息的传感器提出了更加苛刻的要求。因此，对油藏和石油井下的一些关键的物理参数以及他们随着时间和空间的变化实时、在线的测量和监测就变得非常重要。尽管这些物理量测量的需求十分迫切，但是石油井下极其恶劣的环境以及对这些参数测量的严格技术要求，使我们采用传统传感器获得这些数据是不可能的。目前普遍采用的电子式压力、温度计只能工作在200℃以下的工作环境，并且不能进行长期的连续实时监测，而普遍开始采用的蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术和火烧油层二氧化碳驱油技术，油井的温度高达300度，要实现对这些注蒸汽井的压力和温度变化的实时监测，就必须开发适用于高温环境的压力和温度监测系统。此外对于海上油田，許多超深油井下的压强高达近百MPa，对传感器的工作压力范围也提出了极高的要求。

光纤传感技术近年来取得的许多突破性进展使得光纤传感器应用于高温、高压油气井永久性实时测量成为可能。用于井下测量的光纤法布里-珀罗传感器和光纤布拉格光栅传感器是波长调制型光纤传感器，具有抗电磁干扰能力强，不受传输中光强波动的影响，安全可靠，传感头结构简单，尺寸小，易集成、复用和便于构成各种形式的光纤传感网络，可以进行各种复杂环境下多点或准分布压力、温度、流量等参数的测量。光纤光栅传感器可长时间放置在井下，实时在线监测地层性质变化，测量井内流体动态，为油气田开发提供动态、实时的地层信息。为高温高压油气井下压力和温度的准确、实时和永久性监测提供了理想的解决方案。

大连理工大学研制的基于光纤F-P腔的光纤压力/温度传感器的各项关键性能指标目前已达到了国际先进和国内领先水平。自2005年开始，项目组就与中石油辽河油田钻采工艺研究院合作，开展光纤传感测井应用研究。连续3年先后在1口竖直观测井和3口SAGD水平井中进行了实际应用实验，2011年至2012年在新疆克拉玛依油田的高温注汽井进行了为期一年的长期运行实验。在传感器封装、下井工艺、和长期连续监测可靠性方面获得了宝贵的成功的经验。为下一步在油田的大规模实际应用奠定了基础。

二、研发与生产

光纤传感器较传统电-机械类传感器有着其独特的优点，例如重量轻，体积小；抗电磁干扰，本质安全；耐高温，耐腐蚀并具有极高的灵敏度和分辨率等，非常适合于油井下恶劣工业环境的多种参数的测量。将光纤传感器用于油井测试领域，国外起步较早，相关的研究及应用都已经非常深入和成熟。目前，国际上的大型油田服务公司（如斯伦贝谢、威德福、哈里伯顿等）以及一些科研公司（如Sabeus等），在该领域一直处于领先地位。

以于清旭教授为首的大连理工大学物理与光电工程学院研制的光纤压力温度传感器可工作在300℃、15000psi的极端环境下，压力测量精度达0.025%F.S.，测量分辨率达0.15psi，年漂移量<±5psi；温度测量精度达0.5℃，测量分辨率达0.1℃，这些性能指标在国际光纤传感器测井领域均处于国际先进水平，在国内光纤传感器测井领域处于领先地位（见表1）。所研制的光纤压力温度传感器在可靠性、技术服务与保证，以及价格方面也具有明显的竞争优势。另外，自2006年来，研制小组先后与辽河油田钻采工艺研究院、中海石油基地集团公司采油技术服务公司，以及新疆油田采油工艺研究院等合作，在国内率先将光纤压力温度监测系统应用于井下压力温度长期监测，其中在新疆油田安装的光纤分布式温度与压力传感器已正常运转多年时间，取得了良好的结果。在传感器耐高温高压封装结构、现场下井工艺和长期连续监测可靠性方面积累了丰富的经验，为产品的技术改进以及下一步在油田的大规模实际应用奠定了基础。

三、原理与技术

1.原理

光纤压力和温度传感器系统的核心器件是由在一根光纤端部相邻串联的一个光纤F-P腔压力传感元件和一个光纤布拉格光栅（FBG）温度传感器元件构成。其中光纤压力传感器采用非本征F-P干涉仪作为压力传感元。F-P干涉仪（又叫F-P腔）的基本结构是两个平行的平面反射镜，光经过反射镜时会在两个反射镜之间发生多次反射，经历不同反射次数的光束之间会发生干涉效应，而干涉光谱特征与两个反射镜之间的距离有确定的对应关系。而FBG温度传感器则是采用光纤布拉格光栅（FBG），光纤光栅用于室温至300℃范围内的温度测量，无需采用任何增敏/降敏附加结构，具有结构简单、高可靠性和高精度特点。光纤光栅是在光纤上采用紫外激光刻制的一段具有折射率周期性变化的特殊结构，当宽谱光经过光纤光栅时光波长将被部分反射回，由于光纤光栅的有效折射率neff及光栅周期是温度的函数，当环境温度变化时，布拉格波长将发生变化

2.技术

光纤压力和温度传感器系统是由光纤压力温度监测系统、激光微加工光纤F-P传感器、亚纳米分辨的F-P腔微位移测量、耐高温高压封装四项核心技术基础上有机、有效的组合完成的。

四、市场状况及发展趋势

光纤传感测井技术是近年来国内外石油企业一直非常关注的测井技术，有着非常广阔的应用前景。从国内外每年钻井数量来看，中国每年要钻1万多口井（包括探井和生产井），全球每年要钻10-20 万口井。从目前需求量统计，每年中国海洋石油有大约100口油气井要安装压力和温度监测系统。国外油气田每年有2万-3万口油气井要安装压力和温度监测系统。中石油和中石化每年有1500多口井含硫和高产油气井需要监测井口和井底压力、温度。目前普遍开始采用的蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术和火烧油层二氧化碳驱油技术，油井的温度高達300℃，此外对于海上油田，许多超深油井下的压强高达近百MPa，要实现对这些油井的压力和温度变化的实时监测，现在普遍采用的电子式压力计、温度计，已满足不了测试需要，必须采用适用于高温高压环境的光纤式压力和温度监测系统。因此、其市场空间是巨大的。

随着油田开采的不断进行，目前剩余油藏已主要为低渗透油藏、超深层油藏以及稠油藏等复杂油藏。这类油藏的开采过程中常常涉及到高温、高压、强电磁干扰以及强化学腐蚀等恶劣的井下环境，由于传统的电子学传感器已不能够满足测井的需要，光纤传感器由于其独特的优势受到石油工业的普遍关注和高度重视。

光纤传感器应用于高温、高压油气井永久性实时测量已经在国外已广泛应用并商品化。但在国内发展还只是刚刚起步。近年来国内像中石油、中海油这样的石油企业一直非常关注光纤传感测井技术的应用，并将采用此技术列如研究发展计划。不期我国的光纤传感测井技术将产业化，也一定会取得重大的社会效益和经济效益。