光纖傳感器在延長油田的應(yīng)用研究

焦 雄

（延長油田股份有限公司 井下作業(yè)工程公司，陜西 延安 716000）

光纖傳感器在延長油田的應(yīng)用研究

焦 雄

（延長油田股份有限公司 井下作業(yè)工程公司，陜西 延安 716000）

石油測井是石油勘探開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，延長油田所轄油區(qū)地層特殊，傳統(tǒng)測井手段易出現(xiàn)漏層，測量項(xiàng)目數(shù)據(jù)精確度不夠。詳細(xì)分析了光纖傳感器工作原理，推導(dǎo)其在石油測井項(xiàng)目解析表達(dá)式，由此采用光纖傳感器設(shè)計(jì)光纖傳感系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)測井?dāng)?shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠很好地滿足油井井下測井的需要。

石油測井；光纖傳感器；布拉格光柵；光纖測量系統(tǒng)

延長油田所轄油區(qū)在構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡，延長組為主要儲層，沉積特征表現(xiàn)為南厚北薄。屬于典型的層段薄，低孔隙度、低滲透儲層。同時(shí)這些層段富含油氣資源，而延長油田現(xiàn)在重點(diǎn)開采石油，天然氣采收程度低，石油開采過程中也不夠精細(xì)，資源浪費(fèi)較大。實(shí)現(xiàn)測井過程中準(zhǔn)確快速精細(xì)的測井?dāng)?shù)據(jù)采集，不僅對于現(xiàn)有測井技術(shù)提高有重要意義，同時(shí)對于準(zhǔn)確估量資源含量及分布狀況，為資料儲備及后續(xù)作業(yè)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一次測量，綜合利用。

國內(nèi)外現(xiàn)有測井手段主要是采用大數(shù)控，小數(shù)控，但是使用效果不盡如人意，尤其是延長組層段薄，低孔隙度，低滲透的特點(diǎn)，容易出現(xiàn)漏層，測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。采用現(xiàn)代傳感器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)陜北區(qū)域石油測井意義重大。但是傳統(tǒng)的電子基傳感器無法在井下諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電等惡劣的環(huán)境干擾下工作。光纖傳感器能夠克服這些困難，其對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動，可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數(shù)，同時(shí)，光纖傳感器具有分布式測量能力，可以測量被測量的空間分布，給出剖面信息。其中光纖布拉格光柵（FBG）傳感器屬于波長調(diào)制型，其測量結(jié)果不受光強(qiáng)波動的干擾，因此易于藕合且藕合損耗小，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳輸。因此非常適合油氣工業(yè)的應(yīng)用。延長油田所轄油區(qū)范圍內(nèi)，含油地層層段薄，油井深度普遍淺，將光纖傳感器應(yīng)用于延長油田具有極其廣闊的前景。針對延長油田實(shí)際情況，探討了光纖傳感器在延長油田的應(yīng)用前景和實(shí)現(xiàn)理論依據(jù)，并通過設(shè)計(jì)光纖傳感器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)測井。

1 布拉格光纖光柵傳感器的原理

光纖光柵是具有波長選擇濾波器性能的全光纖器件。各種波長的光通過光纖光柵時(shí)無插入損耗，即透射率極大；只有那些滿足 Bragg條件波長的光被強(qiáng)烈地反射，即透射率極小。圖 1為布拉格光纖光柵原理圖。

圖1 布拉格光纖光柵光路原理圖

根據(jù)布拉格光柵的原理可知，不同波長的入射光其工作原理存在區(qū)分，滿足布拉格條件波長的光被強(qiáng)烈反射，利用其反射特性測量待測地層；其他通過光纖光柵透射率達(dá)的入射光，利用其透射特性測量待測地層。測量過程中入射光會隨著地層溫度、壓力、磁場等參數(shù)變化時(shí)，中心波長會相應(yīng)變化。檢測這些波長變化就可以得到視參數(shù)變化。

其工作原理圖如圖2：

圖2 光纖光柵傳感器圖

2 光纖傳感器在石油測井項(xiàng)目應(yīng)用公式推導(dǎo)

2.1 應(yīng)變的測量

當(dāng)溫度不發(fā)生變化時(shí)，波長漂移 Δλ和它所受的縱向應(yīng)變 εσ的關(guān)系

其中 εσ為軸向應(yīng)變，p11，p12為光纖材料的光彈性系數(shù)，μ為光纖材料的泊松比，neff為光纖纖芯有效折射率。在具體測量過程中，對井下壓力及聲波等測量項(xiàng)目都可以轉(zhuǎn)換成應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)換算。

2.2 溫度的測量

當(dāng)溫度發(fā)生變化（ΔT）時(shí)，一方面由于熱脹效應(yīng)使FBG伸長而改變其光柵周期，另一方面由于熱光效應(yīng)使光柵區(qū)域的折射率發(fā)生變化，所以溫度引起的波長變化為：

其中 α為材料的膨脹系數(shù)，為 ε熱光系數(shù)。

2.3 動態(tài)磁場的測量

由于井下狀況復(fù)雜，通過法拉第效應(yīng)可知地層本身磁場及儀器造成的磁場對 FBG偏振光折射都會形成影響，其變化規(guī)律為：假定沿FBG軸向施加磁場 H，折射率的改變可以確定為

其中 n＋和 n－代表FBG中右旋和左旋偏振光。H為磁場強(qiáng)度，λ為工作波長，Vd為維爾德常數(shù)（偏振光旋度）。

3 光纖傳感測量系統(tǒng)的組成

如圖3所示，給出了該光纖傳感器系統(tǒng)的原理：計(jì)算機(jī)控制光源，采用半導(dǎo)體激光器通過聚焦纖維透鏡將光能注入光纖，為估算溫度變化，壓力變化，磁場變化影響波長變化，將光束通過耦合器分離進(jìn)入補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器由計(jì)算機(jī)控制，光波經(jīng)過光纖周圍介質(zhì)的折射率，透射率會發(fā)生波長變化，濾波調(diào)制后傳到前端處理存儲器，采用光電探測器探測輸出光波長變化。

圖3 光纖傳感系統(tǒng)組成

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1為標(biāo)準(zhǔn)井測井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，光纖傳感器在陜北地層標(biāo)準(zhǔn)井實(shí)驗(yàn)中，在0~2000 m深度，光纖傳感器系統(tǒng)對測試地層的壓力，溫度反映靈敏準(zhǔn)確，同時(shí)對井下儀器壓力測試中，發(fā)現(xiàn)井下儀器的壓力反映基本符合地層壓力特征。在后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)中應(yīng)用其他類型光纖傳感器探頭，在此光纖傳感器系統(tǒng)基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)更多的參數(shù)測量，真實(shí)準(zhǔn)確反映測井所需參數(shù)如電阻率，伽馬，井徑，滲透率等實(shí)際變化狀況，可以滿足生產(chǎn)測井需求。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)井次不足，系統(tǒng)穩(wěn)定性，測量參數(shù)一致性還有待提高。

5 光纖傳感器石油測井存在的問題及其在延長油田應(yīng)用發(fā)展前景

光纖傳感器應(yīng)用到石油勘探領(lǐng)域，其先進(jìn)性已經(jīng)得到各大石油公司關(guān)注，但目前還沒有得到廣泛商用，主要受制于以下幾個(gè)方面的問題影響：

（1）在光纖傳感器應(yīng)用于油井中的時(shí)候，光纖和光纖接頭在井中易損壞；

（2）光纖傳感器與流體接觸很短時(shí)間就改變了特性，傳感器性能的穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步提高；

（3）光信號損耗的影響；

（4）安裝和生產(chǎn)工藝。隨著光纖產(chǎn)品的不斷商用，生產(chǎn)工藝水平的不斷提高，以上問題得到解決，光纖傳感器將會廣泛應(yīng)用于石油測井，對石油測井水平的提高將會產(chǎn)生質(zhì)的影響。

延長油田在近年來在中國石油格局中具有非常重要的地位，陜北石油開發(fā)的重要性也日趨明顯。隨著延長油田所轄油區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)展，以往地層資料及技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)將會落后于生產(chǎn)實(shí)際，受制于測井水平有限，資源利用效率低下，測井水平改善提高意義深遠(yuǎn)。本文對光纖傳感器在延長油田的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期能夠?qū)ρ娱L測井的發(fā)展提供新的思路，為延長油田測井水平的提高做出新的貢獻(xiàn)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)井測井實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

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［責(zé)任編輯 李曉霞］

The Applied Research of Optical Fiber Sensor in Yanchang Oilfield

JIAO XIONG
（Logging Perforating Craft Room of Downhole Engineering Company，Yanchang Petroleum Co.，LTD，Yan an 716000，China）

Oilwell logging is an important link of petroleum exploration and developmentof oil field.The traditional loggingmethodswill appear leakage and the inaccurately data because of the special stratum in yanchang oilfiled. This paper analyzed the optical fiber sensor principle，the analytical expressions in oil well logging，which adopts project design of optical fiber sensing system，optical fiber sensors，the experimental results show that the system log data accuracy，can wellmeet the needs of oilwell logging.

oilwell logging；optical fiber sensor；bragg grating；opticalmeasurement system

TP13

A

1004-602X（2011）01-0083-03

2011 -03 -11

焦 雄（1967—），男，陜西延川人，延長油田工程師。