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井下光纤温度-压力测试系统的研制 0 光纤井筒和井场环境参数测量系统 在开发油田时，必须了解井内水流和油层的特性，并产生地下试验技术。传统的电子类传感器无法在井下恶劣的环境 (高温高压、腐蚀、地磁干扰) 下工作, 而光纤传感器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) , 井下长期稳定性能好, 可以高精度地测量井筒和井场环境参数, 特别适合井下永久监测的需要。而且, 光纤传感器外形尺寸较小, 在井筒中占据空间极小。因此, 它在油田的开采中具有广阔的应用前景。 目前国内主要有基于白光干涉的FP 型传感器, 但这种传感器的解调精度不高, 只能实现单点测试, 不能实现串联;另外还有基于光纤光栅的压力温度传感器, 但处于实验室研究阶段, 且该传感器易折易断, 无法适应井下恶劣环境。国际上已经有0～150 ℃应用到井下环境的传感器, 但高于200 ℃的传感器尚处于研发阶段。鉴于此, 胜利油田分公司采油工艺研究院于2009年研究了井下永久式光纤温度压力测试技术, 并配套研制了井下光纤测试系统, 将该测试系统在胜利油田4口油水井中进行现场试验, 取得了较好的效果。 1 被转化成光信号测试系统 井下永久式光纤温度-压力测试系统由光纤光栅传感器、光缆连接器、井下光缆及光电解调仪4大部分组成, 见图1。 光纤光栅传感器用于检测井筒环境下油水压力、温度变化信号, 并将井底信号转化成光信号, 是该测试技术的核心。 井下光缆和光缆连接器是连接传感器与地面光电解调仪之间的信号传输纽带, 能将光源发射光传送给传感器, 并将传感器反射的信号光输送到地面接收器。光电解调仪是井下光纤传感器的光源与数据处理设备, 能够发射并精确检测传感器反射的光波波长, 并通过光电转换装置将波长信号转换成数字信号, 通过显示与存储设备将井底温度压力测试数据反映出来。 2 光纤光刻度传感器 2.1 温度、应变同时敏感 温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅 (FBG) 的周期和折射率的变化, 从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化, 就可以获得相应的温度和应变的信息, 这就是用光纤布拉格光栅测温度和应变的基本原理。由于光纤布拉格光栅对温度和应变同时敏感, 所以如何区分温度和应变信号是光纤布拉格光栅传感器在研究过程中必须解决的一个问题。 光纤布拉格光栅是温度、应变双敏感的传感元件, 当光栅所受的温度或压力发生变化时, 其反射波长的变化量为: Δλ=2ΔneffΛ+2neffΔΛΔλ=2ΔneffΛ+2neffΔΛ 式中, Δλ为光栅反射波长的变化量,neff为光纤的有效折射率,Λ为光栅常数。 其中应力引起的光栅反射波长的变化量为: Δλ=(1?Pe)λεΔλ=(1-Ρe)λε 有效弹光常数为: Pe=?n2[P12?μ(P11+P12)]/2Ρe=-n2[Ρ12-μ(Ρ11+Ρ12)]/2 式中,P11和P12为光纤的弹光常数,μ为泊松比, 对普通的石英光纤,Pe约为0.22。 2.2 压力传感光纤光栅预拉力系统优化设计 利用FBG 的反射波长对应变敏感的原理可以设计油井用的压力传感器, 其结构如图2 所示。其中的件2为特种材料的压力增敏管, 在传感器的套筒设计上采取了温度补偿措施, 在其封装过程中将压力光栅预拉, 传感器受压时, 光栅的波长向短波方向漂移。 为了消除温度的影响, 减小蠕变, 在传感器结构中采用了温度自补偿设计, 使得压力传感光纤光栅上的应力基本不随温度改变, 通过材料的优化设计, 可使件1和件2随温度变化的伸缩量基本一致, 即压力传感光纤光栅上的应变基本不随温度变化。而且, 压力传感光栅的压力系数为负, 即压力增大, 光栅波长减小, 而温度增加, 光栅波长增大, 因此当压力和温度同时作用时, 光纤光栅的波长变化不会很大, 从而减小了蠕变, 提高了测试的精度及长期稳定性能。 2.3 温度双补偿功能环境 (1) 适应井下高温 (200 ℃) 高压 (50 MPa) 环境; (2) 具有温度双补偿功能, 测试精度高 (0.08%) , 性能稳定, 寿命长; (3) 外形尺寸小, 可多级串联。 3 地下电缆连接器 3.1 现场模拟结果 在光纤测试施工过程中, 当光缆穿过分层封隔器等井下工具时要断开, 或施工中因意外折断光缆时, 都要用光缆连接器进行现场连接。目前国内的光纤测试工艺均无现场连接部件, 井下光缆及仪器均在室内连接, 光缆下井过程中保持完整状态。 图3是光缆连接器结构示意图, 主要由光缆连接头、试压外套、保护外套及金属密封组件等组成。两端光缆连接头能固定两端钢铠光缆, 并形成初级密封, 既保证了光缆的整体抗拉强度, 还可以对光纤熔接点形成一级密封。试压外套能够保护二级密封组件, 并