光纤传感器在石油测井中的应用

光纤传感器在石油测井中的应用

1光纤传感器在石油测井中的应用原油勘探是石油工业最基本、最重要的环节之一。压力、温度和流量是油气井下的重要变量。通过先进的信息技术长期监测这些量，及时获取油气井下的信息，对石油工业非常重要。传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感器可以克服这些困难,其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,可以高精度地测量井筒和井场环境参数,同时,光纤传感器具有分布式测量能力,可以测量被测量的空间分布,给出剖面信息。而且,光纤传感器横截面积小,外形短,在井筒中占据空间极小。因此,将光纤传感器应用于石油测井具有极广阔的前景。本文综述了利用光纤传感器技术进行石油测井各项参数测量的基本原理和方法,介绍了光纤传感器在该领域的研究与应用进展情况,分析了待解决的关键问题和发展前景。2光纤传感器的测量原理2.1准确度、精密度由于光的强度、相位、频率、波长等特性在光纤传输的过程中会受到流量的调制,利用一定的光检测方法把调制量转换成电信号,就可以求出流体的流量,此即为光纤流量计的工作原理。该传感器与传统流量传感器相比具有准确度、灵敏度高,无电子线路,抗干扰能力强,安全可靠,性能稳定,体积小,质量轻等优点。井下多相流光纤流量计能实时测量温度、压力、流量及滞留量,测量流速及通过流体混合物的声速,根据流体的温度、压力、密度及声速等得出流体各相流量;基于多普勒效应的光纤多普勒流速计通过测量频差来确定流体的流动速度,可实现流体运动速度的非接触高精度测量;光纤涡轮流量计在传统涡轮流量测量的原理基础上,用多模光纤代替了内磁式传感器,构成反射型光纤涡轮流量计,其线性、重复性好、抗电磁干扰能力强、测量动态范围大;光纤涡街流量计利用光纤非线性产生涡流,通过检测在涡流作用下光的强度或相位的变化来确定涡流产生的频率。2.2光纤热色温度传感器分布式光纤测量系统(DTS)利用光纤后向拉曼散射的温度效应,可以对光纤所在的温度场进行实时监测,EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纤传感器为波长编码型传感器,具有灵敏度高、可同时测量压力、温度、应力等多个参量的特点。光纤热色温度传感器是由白光源、多模光纤组成的反射式温度传感器;光纤辐射式温度传感器利用黑体辐射能量,其非接触,可测瞬间温度,响应速度快,不需要热平衡时间,可用于高温测量;半导体吸收式光纤温度传感器利用其半导体材料的吸收边波长随着温度的增加而向较长波长位移的特性,选择适当的半导体发光二极管,使其光谱范围正好落在吸收边的区域,这样透过半导体的光强就随着温度的增加而减少。2.3基于光纤持率/密度传感器的原理U型光纤的传输功率随外界介质折射率变化而变化,光波作为信息载体,与混合流体电阻率、流型及水质无关,基于该原理的光纤持率/密度传感器从本质上解决了现有持率存在的高含水无分辨率和放射性物质的应用问题,对于多相流体油、水、气的折射率各不相同,因而混合流体的折射率会随着油、水、气比例的改变而改变。因此这种折射率调制型光纤传感器不仅能测流体持率,可同时测流体密度,其精度较高。2.4井内地震检测地震波在不同的介质中传播,接收到的地震波波形就会不同,根据不同的地震波形态,可识别地层沉积序列和沉积构造,为储层定位、判断窜槽、检测套管破损及断裂、射孔层位及确定流体流量等。VSP地震测井,就是把检波器放入井中,通过地面击发的地震波或利用井中流体流动等产生的微震动,由井中的检波器接收地震信号。永久井下光纤三分量地震测量具有高的灵敏度和方向性,能产生高精度的空间图像,不仅能提供近井眼图像,而且能提供井眼周围地层图像,测量范围能达数千公里。它能经受恶劣环境条件,且没有可移动部件和井下电子器件,能经受强的冲击和震动,可安装在复杂的完井管柱极小的空间内。2.5激光光纤核传感器的应用自然伽马测井是以地层的自然放射性为基础,随着油田开发的进行,放射性物质不断被搬运、堆积,使油井水淹层、注水层、套管外窜槽等处呈现放射性异常。激光光纤核传感器是在光纤传输和光纤传感器的基础上产生的,它利用了光纤光致损和光致发光等的物理效应。其典型的优点为:1)可以针对不同的核探测的能级范围,研制在该范围的敏感探头;2)应用了光致发光效应,可使探头位于千米的井下,而光电倍增管由传输光缆相连置于井上,远离了恶劣的井下环境(高温高压),从而延长其使用寿命;3)光纤具有高速率、大容量传输能力,能搭载其他井下仪器信号。2.6设备及绞车系统光学电视测井由井下光学电视、传输光缆、高分辨率视频设备及绞车系统等组成。传输光缆由光纤光缆及光纤传感器与专用连接器组成,其数据传输速率大于10Mbit/s,光缆外径为5.6mm,且可承受较大拉力。3用光纤传感器广泛应用于石井3.1检测系统的组成持气率的检测是采用一个对液体光学指数敏感的光传感器来完成的,图1所示为光学系统示意图。由1只发光二极管(LED)发射的光进入一根光纤中,并向上传送到蓝宝石探头的尖端。由于液体光学指数的不同,某些光被反射到光电二极管中。光电二极管将这些光转变成电信号。当被测物质为气体时,反射光的量较大,但当蓝宝石探头顶端处在液体中时,则信号的幅值很低。这个系统大致上是个二元体,并且在气、液信号大小之间存在很大的差别。设定了一个阈值,用以将气与液(信号>阈值>气)区别开。3.2光纤传感器测量原理非本征光纤F-P腔传感器主要是基于光的多光束干涉原理,利用温度、压力变化与光纤F-P腔之间的对应关系,实现温度和压力的测量。其工作原理如图2所示。SLED宽带光源发出宽带光,并耦合到多模光纤中,经2×2耦合器和光纤光缆传给传感头,F-P腔反射回的信号再次通过光纤和耦合器传给微型光谱仪。计算机通过采集微型光谱仪的光谱,经干涉解调计算出F-P腔腔长,通过标定确定其对应的温度和压力值。F-P腔型光纤传感器测井系统由光纤传感解调仪、光纤温度传感器、光纤压力传感器、密封连接组件、高温光缆以及光缆驱动等组成。光纤传感解调仪采用双光源设计,当测量温度时打开温度传感器光纤光源,关闭压力传感器光纤光源,此时光谱仪得到的是温度F-P腔传感器的干涉信号。测量压力时正好相反。井下温度压力传感总成由光纤温度传感器、光纤压力传感器以及密封连接组件构成。测试光缆有两种设计:一种是装有改性聚酰亚胺敷层的高温光纤不锈钢毛细管经双层钢丝铠装成缆,该设计柔性和强度都比较好,缺点是高压密封比较困难;另一种是装有改性聚酰亚胺敷层的高温光纤不锈钢毛细管经另一层厚壁不锈钢毛细管嵌套成缆,此种设计使得光缆的耐压性能提高,便于高压密封条件下移动测试操作。通过非本征F-P腔型光纤传感器系统的使用,使DTS系统的温度漂移问题得以解决。通过增加光缆的光纤芯数可实现多个温度和压力点的分布测量。非本征F-P腔型光纤传感器系统用于温度、压力测量是非常有效的,能够满足注汽、焖井阶段温度压力连续测试和采油生产阶段井底流温流压的全周期连续动态监测。由于光纤传感器系统的固有特点,可以有多种下井方式,如移动式测量和永久安装式测量等。目前这种监测技术已经开始在油田稠油开采中应用。3.3光纤传感检测原理利用光纤传感技术测定油井的含水率是基于光纤的弯曲损耗原理。对于多相流而言,油、水和天然气的折射率是不同的。因此,该混合物的折射率随油、气和水之间比率的变化而变化。传统的电容法能区分水和烃(包括石油和天然气),但不能识别油和气,这是因为油和气的电容效应非常接近。基于光纤传感的折射率不仅能测量含水率,还能测量油和气的持率。光纤的输出光强是折射率的函数,并且随纤芯折射率、纤芯直径、弯曲半径和纳米涂层的折射率的变化而变化。因此,根据输出光强,可以测出传感器所处的介质的折射率,进而计算出该介质中水和油的含量。如图3所示给出了该光纤传感器系统的原理。光源采用半导体激光器通过聚焦纤维透镜将光能注人光纤。为估算温度变化的影响和驱动电流的改变,将光束通过耦合器分离进入补偿器,该补偿器由微处理器控制,对激光器的驱动电流进行控制。光波经过光纤周围介质的折射率调制后传到光纤的另一端。采用光电探测器探测输出光强,其数据资料可由微处理器计算出并被存储在存储器中。用这种光纤传感系统测得的油水混合物的含水率范围为0%~100%,其精度高于1%。4其它技术的应用光纤传感器在油气井中应用的优势已经得到广泛认可,但仍然没有在油田大范围推广应用,主要有以下几个方面的问题有待解决:1)在光纤传感器应用于油井中的时候,光纤和光纤接头在井中易损坏,光纤传感器与流体接触很短时间就改变了特性,传感器性能的稳定性有待于进一步提高;2)导管悬挂器连接头和光纤接头的设计;3)光信号损耗的影响;4)安装和生产工艺。尽管光纤传感器在井下永久监测中存在以上问题需要解决,但是由于它具有许多其他方法所无法比拟的优势,其应用范围将不断扩大,主要包括:1)永久性安装的油气储藏动态监测,沿竖井、水平井和多侧向井方向的分布式压力、温度、流速和声波测量、水突破探测;2)人工举升,动态、ESP(电子安全泵)状况监测和蒸汽与气举优化;3)智