光纤温压监测系统原理及其在油田的应用

付威

（大庆油田信息技术公司软件分公司，黑龙江 大庆 163000）

1 光纤传感技术的发展

近20多年来，光纤传感器的发展有取代传统传感器的趋势。光纤传感器是集成光学技术发展的成果，与传统意义上的的传感器不同，它以光学的形式将被测信号的状态读出。利用半导体二极管等简单元件可以进行光信号转换，与一些电子装备配合。此外，光纤不仅是一种敏感元件，还是一种优良的低损耗传输线，因此，光纤传感器还可以用于传统的传感器所不适用的远距离测量。

光纤传感器出现以来，由于其具有的防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、重量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带范围宽、动态范围大、易与光纤传输系统组成遥测网络等优点而被广泛地应用于各行各业。

随着石油开采技术的不断发展，用于辅助石油开采的重要技术油井探测传感光缆技术日益受到关注。在油井中最常用的是分布式传感系统和光纤光栅传感系统这两类，在已经商用这两类系统中分布式传感技术主要采用的是多模光纤，光纤光栅传感技术主要采用的是单模光纤。国内在低温（300℃以内）区间，光纤传感器系统获取的数据已经加载在采油系统中并对其进行自动控制，在高温（300℃以上）的油井中，光纤传感器系统仍然处在单系统试验试用阶段。其中哈尔滨工业大学研发的Well monitor系列井下参数监测系统已实现了商业化，现场应用达到31口井。国外方面已经在高温井监测方面取得了进展，如美国Fiberguide公司研发生产的覆铝光纤，英国Oxford Electronics公司研发生产的覆铜光纤工作温度均可达到400℃以上。目前国外的研究热点集中在耐温超过600℃高温的特种光纤方面。

2 光纤温压监测系统工作原理

2.1 光栅压力计原理

地面宽带光源发出的宽带光经过光缆传输到传感器的光栅上，井下压力通关光栅作用在入射光上，改变其频率，在将其反射回来，反射光顺着光缆反向传输到达光纤解调器，解调器将反射光中携带的信息解调出来，发送到地面显示装置，即可实现井下压力的实时监测。

光栅压力计的作用就是传导压力和保护光栅。光纤光栅压力计由光纤光栅与应变杆组成；压力膜片受到外界压力变形致应变杆发生变化，同时使光纤光栅工作波长发生漂移，通过测量波长漂移量来感知外界压力。

温度补偿部分由另一光纤光栅制成，用于补偿压力测量部分光纤光栅波长随温度的移动。从而使整个传感器性能不受温度影响。

2.2 全分布式光纤温度传感器原理

光经过分布式传感光纤时会发生散射，产生斯托克斯光和反斯托克斯光，依据在测量终端接收到的反斯托克斯光在时间上的先后可确定其在光纤上的对应位置，而两者的光强比受散射区温度影响，通过监测光强比即可得到待测温场的温度分布。

3 压力监测系统室内精度试验

3.1 压力精度检测

将光纤压力计通过密封接头连接至加载实验台上，从0MPa开始加载，加载步长2MPa，根据标定曲线验证测量精度。分别设定实验台加载压力为4MPa、8MPa、12MPa，通过光栅解调仪得到压力实测值，并计算误差，如表1所示，压力计精度在设计范围（0.5%F.S）内。

表1 压力测量精度

3.2 温度精度测试

将长度为5m左右的光纤温度传感器放置于加载实验台内，控制实验台温度逐渐上升至150℃。通过拉曼解调仪测量实验台内光纤传感器的温度变化，如图所示。实验台外的光纤温度传感器测量值接近室温，在14℃左右，实验台内的光纤温度传感器被加温至设定值，温度曲线上出现明显台阶。

记录实验台温度设定值与拉曼解调仪测量值，计算测量误差，如表2所示温度误差在设计范围（±0.5℃）内。

表2 拉曼解调仪测量误差

4 压力监测系统现场应用试验

4.1 试验过程

在一口试油井中下入光纤监测系统管柱152根，利用管柱携带光纤压力计下井，随后进行抽汲降低井下液面，对动液面进行了监测。

4.2 试验结果

4.2.1 精度检验

经与电子压力计数据对比光纤压力监测系统温度精度在±0.5℃，压力精度在0.5%F.S内，符合设计要求（如表3、表4）。

表3 光纤压力计与电子压力计压力数据对比

表4 光纤温度传感器与电子压力计温度数据对比

4.2.2 温度剖面监测动液面（如图1）

图1 利用温度剖面测动液面

井筒液面降低后捆绑在油管外壁的光纤暴露在空气中，由于空气与液体的导热性不同，导致温度梯度曲线斜率发生变化，斜率变化处就是动液面。应用该原理，利用全分布式光纤测温系统对井内液面进行了监测。如表5所示第一次抽汲后电子压力计显示井内液面为1271m。温度剖面显示液面在1246m处，两者相差25m。通过下表试验数据分析温度剖面法测得的动液面误差在每千米20m。

表5 温度剖面法测得动液面与电子压力计数据对比

5 存在问题及改进措施

5.1 存在问题

下入光纤监测系统管柱时，下入140根管柱后两只光纤压力计信号丢失，温度剖面显示最底部的300m左右温度数据丢失。起管过程中发现在光纤压力计2的一分二分线器上部约3m位置出现了光缆破损，如图2所示。

图2 光缆破损

5.2 原因分析

油管底部未安装扶正器，随着下入深度的增大，底部油管容易晃动，导致光缆与套管剐蹭；一分二连接器尺寸较大（114m），再加上采用了光纤保护器进行固定，外径进一步增大，容易与套管内壁剐蹭，使得局部光缆弯曲。

5.3 改进措施

在安装压力计及一分二连接器部位加装油管扶正器；改进一分二连接器结构，减小径向尺寸，避免剐蹭。

6 结语

光纤温压监测系统综合了传光型(非功能型)传感器，和传感型(功能型)传感器的特点，在一条光缆中布设了传光和传感光纤，实现了定点精确测量和分布式全面测量的结合。即既可以采用光栅压力计测量定点压力又可以利用分布式光纤传感器测量温度分布。实现了井下压力、温度的实时监测。通过试验对光纤压力监测系统的精度进行了检测，系统精度符合设计要求。应用温度剖面测得的动液面数据误差在允许范围之内。