基于光纤传感的磁定位测井装置研制

侯倩,庞伟,吴梓楠,代志勇

(1.中国石化石油工程技术研究院,北京100101;2.电子科技大学光电科学与工程学院,四川成都610054)

0 引 言

在石油资源勘探与开发过程中,常常利用磁定位测量井下工具的相对位置,检验井下工具下入的深度与设计位置误差,及时调整下井管柱,保证作业质量。当测井装置沿井筒移动时,由于井筒内套管接箍、封隔器、配产器、配水器、导锥等内径和管壁厚度的变化,导致测井装置周围介质中的磁力线重新分布,测井装置利用磁场传感器感应这种磁场变化,即可实现工具位置的测定。

传统磁定位测井装置采用电子原器件实现,其核心部分是1个线圈和2块永磁铁,永磁铁放置于线圈2侧,均以N极靠近线圈。当通过线圈的磁通量发生变化时,在线圈中会产生感应电动势[1],通过信号处理分析工具的位置。传统的磁定位测井装置抗电磁干扰能力差、灵敏度不够高[2],并且信号受套管尺寸影响较大,接箍不明显甚至丢失,其根本原因是这种测量磁场变化的方法所致。

光纤传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、响应速度快的显著优势,能在高温、高压、强电磁干扰等恶劣环境下长期有效工作[3-4]。已有文献报道将光纤与磁致伸缩材料粘合,当磁场作用于磁致伸缩材料时,其长度发生改变,带动其上的光纤发生改变,使得光纤中传输的光波特性变化,通过对光波特性变化的分析,可实现磁场大小的测量,其理论磁场感应强度探测灵敏度可达到1.6×10-12Gs[5]。

本文研制了一种基于宽带啁啾光栅(LCFBG)F-P腔,结合超磁致伸缩材料的光纤传感磁定位测井装置。利用2个光栅长度为8 mm的宽带啁啾光栅串,间隔3 mm构成全光纤F-P腔,并将其封装固定在超磁致伸缩材料管内。在磁场作用下,光纤F-P腔的腔长发生改变,导致其输出的反射光谱特性变化,由其输出光谱特性曲线可解调得到有效腔长,进而实现微弱的磁场变化测量。一方面因采用宽带啁啾光栅构成光纤F-P腔,可以像平行平面镜构成的F-P腔一样,利用其反射光谱特性解调,不仅解调方法简单,测量精度高,而且可实现单端测量,适合油井井下磁定位测量;另一方面井下测井装置为全光纤结构,传感器稳定性好,满足井下高温、高压的工作环境要求。实验测试表明该测井装置的磁场测量相位灵敏度为1.57 rad/μT,磁场平均测量误差为0.43 μT。经过多种尺寸的套管接箍定位测试实验验证了其用于油气井井下磁定位测量的可行性。

1 啁啾光栅F-P磁敏感结构

啁啾光栅是一种特殊结构的光纤光栅,其光栅周期随轴向发生变化,即光纤光栅不同位置的布拉格波长不同,相比于普通的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG),可以响应更多的光波长,从而构成宽带反射[6-11]。因此,啁啾光栅的布拉格波长λB不是一个常数,可表示为

λB(z)=2neff(z)Λ(z)

(1)

式中,Λ为光栅周期;neff为光栅有效折射率。

全光纤啁啾光栅F-P腔通过在同一段光纤中连续写入2个相同的啁啾光纤光栅构成,其结构见图1。

图1 啁啾光纤光栅F-P腔示意图

啁啾光栅F-P腔的磁场传感的原理分析可采用分段传输矩阵法,即将非均匀的光纤光栅看作是由m小段光纤光栅级联构成的,并且把每一小段光栅看作是近似均匀的,将每段准均匀光栅的传输矩阵相乘,得到整段非均匀光栅的传输矩阵。再利用传输矩阵法,将构成F-P腔的2个LCFBG单元的传输矩阵相乘,即可得到F-P腔的传输特性。其第i段光纤光栅的传输矩阵Fi可以表示为

(2)

(3)

式中,λD=2nneffΛ为第i段光栅的布拉格波长,nm;Δneff为折射率的调制深度;C为啁啾系数,nm/cm;γ为光纤非线性系数。

F-P腔的输出传输矩阵为

(4)

式中,P=exp(-iβh),β=2nπ/λ为传播常数;n、λ分别为纤芯的折射率和真空波长;h为F-P腔的腔长,mm;ρ1、ρ2分别为LCFBG1和LCFBG2的反射系数;τ1、τ2分别为LCFBG1和LCFBG2的透射系数;R、S分别为前向传输模式和后向传输模式。

由于设计中采用的啁啾光纤光栅具有很低的反射率(R≪1),论文中采用的啁啾光纤光栅的反射率为8%,因此,反射的干涉光的输出光强表达式可表示为

(5)

设干涉输出条纹的第m级和第m+n级极大值处对应的波长分别为λm和λm+n,有如下关系

(6)

根据式(6)可以得到腔长h的表达式

(7)

依据式(7),通过对反射的干涉光谱解调,就可以得到腔长h。将啁啾光栅F-P腔封装在超磁致材料管内,即构成磁敏感结构。当啁啾光栅F-P磁敏感结构通过井下套管接箍时,磁通量发生改变,导致啁啾光栅F-P腔长变化,则可测量出该处的磁场变化量。

从上面分析可看出,啁啾光栅F-P腔的反射光谱特性与其腔长相关,通过光谱检测啁啾光栅F-P腔的腔长变化,就可实现光纤FBG的F-P传感。但直接光谱检测法的灵敏度低,无法体现其高灵敏度的磁场传感性能。因此需要采用高精确度光波相位解调来实现微弱磁场信号的解调,即用更精细的光波相位检测磁场作用下啁啾光栅F-P腔长的微小变化,实现高灵敏度的磁场传感[12-13]。啁啾光栅F-P腔传输的光波相位的变化可表示为

(8)

2 光纤传感磁定位测井装置

2.1 光纤磁场传感结构

图2 光纤磁敏感头结构

光纤磁定位测井装置的磁场传感结构由永磁铁和光纤磁敏感头组成,其中光纤磁敏感头结构见图2。光纤磁敏感头结构是在一根光纤上间隔不同的长度刻写2个啁啾光栅,从而构成一个啁啾光纤光栅F-P腔。啁啾光纤光栅F-P腔通过粘贴封装在一根超磁致伸缩材料管中[14-15]。在实际应用中,推荐使用激光焊接的方式,可以进一步提升其测量稳定性。2个啁啾光栅长度8 mm,边缘间隔3 mm,反射率8%。2块永磁铁分别放置于光纤磁敏感头的两侧,均以N极靠近光纤磁敏感头,构成光纤磁场传感结构。当磁定位测井装置通过井下套管接箍时,磁致伸缩管周围磁通量发生变化,磁致伸缩管的伸缩作用会使啁啾光栅F-P腔的腔长发生改变,导致啁啾光栅F-P腔输出的干涉光信号相位发生改变,通过相位解调技术,精确计算出磁场的大小,并实现井下接箍的精确定位。

2.2 光纤传感磁定位测井系统

光纤传感磁定位测井系统组成结构见图3。为了提高磁场信号的探测灵敏度,系统中使用了光谱分析模块获取其反射干涉光谱,并采用条纹计数法进行干涉光谱信号处理,解调腔长,实现磁定位测量[16]。

图3 磁定位测井光纤磁场传感系统组成结构图

3 实验结果与分析

3.1 磁场探测灵敏度测试实验

为了对上述光纤磁场传感结构的灵敏度进行测试,设计了相应磁场测试实验系统(见图4)。

图4 光纤磁场传感器磁场测试系统

该系统工作方式:宽带光源发出的信号光经过耦合器传输到啁啾光纤光栅F-P腔中,当通电螺线管通电时产生可调节磁场。由于超磁致伸缩材料的伸缩使光栅F-P腔产生纵向应变,进而引起光栅F-P腔长变化,导致其反射干涉光谱变化,利用光谱分析仪对反射干涉光谱进行采集,通过嵌入式计算机对该光谱信号处理,解调腔长,最终实现对磁场的测量。

实验中的磁场信号是由通电螺线管产生的,磁场强度的大小可以通过控制通电螺线管中的电流进行调节,磁场从0 μT开始,每隔10 μT记录1次光谱数据,直到80 μT为止。在磁场从0 μT增大至80 μT的过程中,F-P传感器腔长从18.365 0 mm伸长至18.375 9 mm。磁场每增大10 μT,腔长的平均伸长量为1.35 μm。在整个实验中,为减少系统误差,磁场的产生与测量都是在恒温、恒压的环境中进行的。磁场探测实验中测量的结果与标定值的关系见图5。通过微弱磁场探测实验,可以计算得到该光纤光栅F-P腔传感器系统的相位灵敏度为1.57 rad/μT。经过计算,得到平均测量误差为0.43 μT。

图5 测量结果与标定值对比

3.2 套管接箍定位测试实验

将3根长度均为3 m的3.5 in(1)非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同套管对接形成拥有4个接箍的组合套管。对该组合套管用光纤传感磁定位测试系统进行测试,接箍定位测试结果见图6。测试结果图从上到下共有4个明显的突变信号,其中第1个和第4个分别为磁定位传感探头进、出套管两端接箍时产生,中间2个突变信号为探头经过中间2个接箍时产生,多次重复均能得出上述实验结果。由于测试的套管并非新套管,存在腐蚀生锈的情况,在测试结果中出现微弱的干扰信号,但接箍信号能明显区别于其他干扰信号,实现了对小尺寸套管接箍位置的有效定位测量。

图6 3.5 in套管4个接箍测试结果

为验证大尺寸套管接箍位置的定位能力,将2根长度均为9 m的7 in套管对接形成拥有3个接箍的组合套管。对该组合套管用光纤传感磁定位测试系统进行测试,接箍定位测试结果见图7。尽管7 in套管内径较大,但测试结果表明,光纤传感磁定位测试系统在组合套管入口、接箍、出口位置时得到了明显的突变信号,实现了对大尺寸套管接箍位置的有效定位测量。

图7 7 in套管三接箍测试实验结果

从图6和图7中可以看出,测试得到的接箍突变信号曲线并不是完全对称分布,分析原因可能是光纤传感磁定位探头在套管中并不是完全居中导致的。

需要说明的是,上述实验结果是在常温下测量得到的。进一步采用耐高温光纤光栅(长期工作温度350 ℃)结合高强度金属外壳封装,该光纤传感磁定位探头可满足高温高压井下测量环境使用。由于该光纤传感磁定位探头是利用F-P腔的腔长变化量来测量,而外界温度只会使两光栅的反射波长发生偏移,并导致解调时F-P腔反射光谱整体发生移动,但对于其腔长的变化没有影响。因此,即使在高温环境下,也不会影响测量的精准度。

4 结 论

(1)因传统磁定位测井测量仪存在受电磁干扰大、灵敏度不够高等问题,本文研制了一种宽带啁啾光栅F-P腔,结合超磁致伸缩材料的光纤传感磁定位测井装置。该测井装置的磁场测量相位灵敏度为1.57 rad/μT,磁场平均测量误差为0.43 μT。

(2)对3.5 in组合套管和7 in组合套管接箍位置的测量结果表明,该测井装置能够实现对套管接箍位置的有效定位测试。

(3)利用其磁场探测灵敏度高、抗外界干扰能力强,传感光路为全光纤结构,适合井下测量的恶劣环境(高温、高压)等技术特点,可进一步研制实用化的磁定位测井装置。