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基于FBGF-P的全光纤井下声波传感器

朱秀英;代志勇;窦金林;邓胜强;杨留强;衣贵涛

【摘要】研究了应用于油井井下流噪声探测的FBGF-P干涉仪.结合空气腔芯轴耦

合的高灵敏度全光纤声波传感器,光纤FBGF-P干涉仪设计为弱反射的长腔长结构,

以提高传感器声压相移灵敏度;对空气腔芯轴内外层骨架材料优化选取,结合质量控

制改善其固有频率,提高传感器的频率响应特性.实验结果表明,传感器探测灵敏度约

为-147dB,频率响应范围50Hz～20kHz.传感器为全光纤结构,进行耐压与防水封

装后,能满足高温高压井测量工作环境的应用要求.

【期刊名称】《测井技术》

【年(卷),期】2015(039)004

【总页数】4页(P474-477)

【关键词】生产测井;声波测井;声波传感器;光纤传感器;频率响应;高温高压

【作者】朱秀英;代志勇;窦金林;邓胜强;杨留强;衣贵涛

【作者单位】中国石油长城钻探工程有限公司测井公司,辽宁盘锦124011;电子科

技大学光电信息学院,四川成都610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都

610054;电子科技大学光电信息学院,四川成都610054;中国石油长城钻探工程有

限公司测井公司,辽宁盘锦124011;中国石油长城钻探工程有限公司测井公司,辽宁

盘锦124011

【正文语种】中文

【中图分类】P631.84

0引言

声波变密度测井在石油工程中的应用越来越广泛,但仍处于不断的技术革新与发展

中。在探测声波频段上,除目前使用固定声源频率(18kHz)的声波变密度测井外,已

逐步提出了无源流噪声测井的应用需求。在测井应用中,一方面需要通过增加声波

接收探头数量以提高测量数据的冗余度、改善声波测井信息的可靠性;另一方面则

应提高声波探测的径向深度与轴向分辨率。这些应用对声波探测器的探测灵敏度、

多探头复用、体积以及可靠性等都提出更高的要求。光纤传感器具有体积小、灵敏

度高、多传感头可复用、抗电磁干扰等显著优势,能在高温、高压、强电磁干扰等

恶劣环境下长期工作[1-3]。将其应用于声波测井,将有利于提高声波探测的径向深

度与轴向测量分辨率,并且能设计出超细线阵,实现多探测头阵列探测,提高声波测井

数据的冗余度,改善声波测井的可靠性。尽管光纤水听器已是比较成熟的光纤声波

传感器,但其探测频率范围为50Hz～3kHz。因此光纤声波传感器要应用于声波测

井,尚需改善其频率响应特性,并进行耐高温高压结构设计。

本文提出并研制了一种光纤FBGF-P干涉仪结合金属芯轴结构声压耦合的高灵敏

度声波传感器。光纤FBGF-P标准具设计为弱反射长腔长结构,以提高传感器的声

压相移灵敏度,改善探测灵敏度。进一步通过芯轴结构内外层骨架材料的优化选取,

以及内层芯轴结构优化,降低其质量,提高芯轴结构的固有频率,改善传感器的频率响

应特性。实验结果表明,传感器的探测灵敏度为-147dB、频率响应范围为50Hz～

20kHz能够实现井下流噪声信号的宽频带、高灵敏度探测。传感器光路为全光纤

结构,适合油井井下测量的恶劣环境,通过进一步对外封装结构的设计,可以应用于声

波测井中宽频带流噪声信号探测。

1全光纤FBGF-P声敏感结构

法布里-珀罗腔(F-P腔)对应变、温度具有敏感性,是高灵敏度光学传感器的常用结

构。在同一根光纤写入间隔一定距离的2个光纤光栅就构成全光纤的光纤光栅法

布里-珀罗标准具(FBGF-P)。光纤FBGF-P同样具有高灵敏度的应变与温度敏感

性,而且比单个光纤光栅有更高的灵敏度[4]。

图1光纤光栅法布里-珀罗腔结构示意图

全光纤FBGF-P结构见图1。设2个光纤光栅的反射系数和透射系数分别为rg1、

tg1、rg2、tg2,光栅长度分别为L1、L2,光纤光栅F-P腔长为h。假设2个光纤光

栅完全一致则有rg1=rg2=|rg|exp(iφr),tg1=tg2=|tg|exp(iφt),φr、φt分别为2

个光栅的反射相移系数和透射相移系数。当2个光纤光栅设计为低反射率光栅,可

近似得到弱反射FBGF-P反射系数为[5]

rF-P(λ)≈rg(λ)[1+exp(iφF-P)]

(1)

式中,φF-P=4πnLF-P/λ为FBGF-P腔的相移系数,LF-P≈Lg+h。单光纤光栅的反

射光谱带宽通常定义为

(2)

光纤FBGF-P腔内的谐振谱线宽度为

(3)

则在FBG