光纖壓力、溫度傳感器

姜少軍 于清旭

【摘要】本文介紹了光纖傳感器在油井開采中國(guó)內(nèi)外的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。重點(diǎn)介紹了大連理工大學(xué)研制的基于光纖F-P腔的光纖壓力/溫度傳感器的原理、技術(shù)及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，該傳感器目前已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)和國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。尤其是該傳感器經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)多家油井的使用已經(jīng)達(dá)到可以產(chǎn)業(yè)化的階段。

【關(guān)鍵詞】傳感器；油田測(cè)量

一、國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

傳感器技術(shù)是信息時(shí)代最為重要的標(biāo)志性技術(shù)之一，是信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，它與信息通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成了當(dāng)今信息產(chǎn)業(yè)的三大技術(shù)支柱，已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。光纖傳感器技術(shù)是伴隨著低損耗光纖的誕生和光纖通信技術(shù)的迅猛發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的，光纖傳感器技術(shù)的研究和發(fā)展迄今已有近三十年的歷史，目前它已經(jīng)成為傳感器技術(shù)中的一個(gè)重要分支。光纖傳感器以光波作為信息載體，以光纖作為信息的傳輸介質(zhì)，對(duì)被測(cè)參量進(jìn)行傳感測(cè)量。由于光纖傳感器與傳統(tǒng)的電子學(xué)傳感器在信息載體、傳輸介質(zhì)上的差別，決定了光纖傳感器具有傳統(tǒng)電子學(xué)傳感器無(wú)法比擬的特點(diǎn)：

1.光纖傳感器是無(wú)源器件，電絕緣性好，抗電磁干擾同時(shí)又不產(chǎn)生電磁干擾，耐高壓，耐腐蝕，在易燃易爆等惡劣環(huán)境下使用安全可靠；

2.光纖傳感器質(zhì)量輕，光纖極細(xì)，適合于在對(duì)傳感器質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合使用；

3.光纖傳感器可以串/并聯(lián)復(fù)用，更重要的是還可以進(jìn)行分布式傳感測(cè)量，容易形成傳感器網(wǎng)絡(luò)或者陣列；

4.光纖傳感器可以埋入復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)中來(lái)實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即制成光纖智能材料和結(jié)構(gòu)；

5.光纖傳輸光波損耗小，可以不受任何電磁干擾地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制。

光纖傳感器由于具有傳統(tǒng)電子學(xué)傳感器所不具有的優(yōu)點(diǎn)，自上個(gè)世紀(jì)七十年代美國(guó)海軍研究所（NRL）開始執(zhí)行光纖傳感器系統(tǒng)（FOSS）計(jì)劃以來(lái)，得到了世界上很多國(guó)家的特別重視，已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)取得重大發(fā)展。

我國(guó)大部分油氣田開發(fā)生產(chǎn)目前正面臨諸多方面的挑戰(zhàn)，例如，如何降低復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)油氣田的開發(fā)成本；如何提高油田邊緣油井開采的經(jīng)濟(jì)性；如何提高再開采效率（在地下遺留更少的油）和降低開發(fā)運(yùn)營(yíng)成本；如何減小產(chǎn)量下降的速度，以及避免油氣生產(chǎn)中斷的危險(xiǎn)和損失和減小環(huán)境和安全方面的事故等。解決這些問題的關(guān)鍵在于全面了解井下物理參數(shù)，獲得豐富的實(shí)時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)并與整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的結(jié)合。豐富的測(cè)量數(shù)據(jù)是完整掌握從井下到井口的油氣流狀態(tài)，保障油氣生產(chǎn)和油氣流集輸?shù)幕A(chǔ)。

有預(yù)測(cè)指出，全球石油產(chǎn)量很快就將開始遞減，大多數(shù)石油會(huì)在幾十年內(nèi)采完。但實(shí)際上已探明的石油儲(chǔ)量還有2/3未被開采，目前各個(gè)油田的采收率實(shí)際上僅有35%。美國(guó)地質(zhì)勘探局（U.S.Geological Survey， USGS）估計(jì)，在全球范圍內(nèi)，地球上剩余的常規(guī)石油儲(chǔ)量約有7萬(wàn)億到8萬(wàn)億桶，但是傳統(tǒng)的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和成本，只有其中小部分石油能夠劃算的開采出來(lái)。

近十年來(lái)，石油公司正逐步采用各種先進(jìn)技術(shù)，提高產(chǎn)量和采收率。伴隨新的技術(shù)的采用，也給用于提供井下地球物理信息的傳感器提出了更加苛刻的要求。因此，對(duì)油藏和石油井下的一些關(guān)鍵的物理參數(shù)以及他們隨著時(shí)間和空間的變化實(shí)時(shí)、在線的測(cè)量和監(jiān)測(cè)就變得非常重要。盡管這些物理量測(cè)量的需求十分迫切，但是石油井下極其惡劣的環(huán)境以及對(duì)這些參數(shù)測(cè)量的嚴(yán)格技術(shù)要求，使我們采用傳統(tǒng)傳感器獲得這些數(shù)據(jù)是不可能的。目前普遍采用的電子式壓力、溫度計(jì)只能工作在200℃以下的工作環(huán)境，并且不能進(jìn)行長(zhǎng)期的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而普遍開始采用的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術(shù)和火燒油層二氧化碳驅(qū)油技術(shù)，油井的溫度高達(dá)300度，要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些注蒸汽井的壓力和溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就必須開發(fā)適用于高溫環(huán)境的壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此外對(duì)于海上油田，許多超深油井下的壓強(qiáng)高達(dá)近百M(fèi)Pa，對(duì)傳感器的工作壓力范圍也提出了極高的要求。

光纖傳感技術(shù)近年來(lái)取得的許多突破性進(jìn)展使得光纖傳感器應(yīng)用于高溫、高壓油氣井永久性實(shí)時(shí)測(cè)量成為可能。用于井下測(cè)量的光纖法布里-珀羅傳感器和光纖布拉格光柵傳感器是波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，不受傳輸中光強(qiáng)波動(dòng)的影響，安全可靠，傳感頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，易集成、復(fù)用和便于構(gòu)成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)行各種復(fù)雜環(huán)境下多點(diǎn)或準(zhǔn)分布?jí)毫Α囟?、流量等參?shù)的測(cè)量。光纖光柵傳感器可長(zhǎng)時(shí)間放置在井下，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)地層性質(zhì)變化，測(cè)量井內(nèi)流體動(dòng)態(tài)，為油氣田開發(fā)提供動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的地層信息。為高溫高壓油氣井下壓力和溫度的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和永久性監(jiān)測(cè)提供了理想的解決方案。

大連理工大學(xué)研制的基于光纖F-P腔的光纖壓力/溫度傳感器的各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)目前已達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)和國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。自2005年開始，項(xiàng)目組就與中石油遼河油田鉆采工藝研究院合作，開展光纖傳感測(cè)井應(yīng)用研究。連續(xù)3年先后在1口豎直觀測(cè)井和3口SAGD水平井中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，2011年至2012年在新疆克拉瑪依油田的高溫注汽井進(jìn)行了為期一年的長(zhǎng)期運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。在傳感器封裝、下井工藝、和長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)可靠性方面獲得了寶貴的成功的經(jīng)驗(yàn)。為下一步在油田的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

二、研發(fā)與生產(chǎn)

光纖傳感器較傳統(tǒng)電-機(jī)械類傳感器有著其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如重量輕，體積?。豢闺姶鸥蓴_，本質(zhì)安全；耐高溫，耐腐蝕并具有極高的靈敏度和分辨率等，非常適合于油井下惡劣工業(yè)環(huán)境的多種參數(shù)的測(cè)量。將光纖傳感器用于油井測(cè)試領(lǐng)域，國(guó)外起步較早，相關(guān)的研究及應(yīng)用都已經(jīng)非常深入和成熟。目前，國(guó)際上的大型油田服務(wù)公司（如斯倫貝謝、威德福、哈里伯頓等）以及一些科研公司（如Sabeus等），在該領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。

以于清旭教授為首的大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院研制的光纖壓力溫度傳感器可工作在300℃、15000psi的極端環(huán)境下，壓力測(cè)量精度達(dá)0.025%F.S.，測(cè)量分辨率達(dá)0.15psi，年漂移量<±5psi；溫度測(cè)量精度達(dá)0.5℃，測(cè)量分辨率達(dá)0.1℃，這些性能指標(biāo)在國(guó)際光纖傳感器測(cè)井領(lǐng)域均處于國(guó)際先進(jìn)水平，在國(guó)內(nèi)光纖傳感器測(cè)井領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位（見表1）。所研制的光纖壓力溫度傳感器在可靠性、技術(shù)服務(wù)與保證，以及價(jià)格方面也具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。另外，自2006年來(lái)，研制小組先后與遼河油田鉆采工藝研究院、中海石油基地集團(tuán)公司采油技術(shù)服務(wù)公司，以及新疆油田采油工藝研究院等合作，在國(guó)內(nèi)率先將光纖壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于井下壓力溫度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，其中在新疆油田安裝的光纖分布式溫度與壓力傳感器已正常運(yùn)轉(zhuǎn)多年時(shí)間，取得了良好的結(jié)果。在傳感器耐高溫高壓封裝結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)下井工藝和長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)可靠性方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為產(chǎn)品的技術(shù)改進(jìn)以及下一步在油田的大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

三、原理與技術(shù)

1.原理

光纖壓力和溫度傳感器系統(tǒng)的核心器件是由在一根光纖端部相鄰串聯(lián)的一個(gè)光纖F-P腔壓力傳感元件和一個(gè)光纖布拉格光柵（FBG）溫度傳感器元件構(gòu)成。其中光纖壓力傳感器采用非本征F-P干涉儀作為壓力傳感元。F-P干涉儀（又叫F-P腔）的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)平行的平面反射鏡，光經(jīng)過(guò)反射鏡時(shí)會(huì)在兩個(gè)反射鏡之間發(fā)生多次反射，經(jīng)歷不同反射次數(shù)的光束之間會(huì)發(fā)生干涉效應(yīng)，而干涉光譜特征與兩個(gè)反射鏡之間的距離有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而FBG溫度傳感器則是采用光纖布拉格光柵（FBG），光纖光柵用于室溫至300℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量，無(wú)需采用任何增敏/降敏附加結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性和高精度特點(diǎn)。光纖光柵是在光纖上采用紫外激光刻制的一段具有折射率周期性變化的特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)寬譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)光波長(zhǎng)將被部分反射回，由于光纖光柵的有效折射率neff及光柵周期是溫度的函數(shù)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，布拉格波長(zhǎng)將發(fā)生變化

2.技術(shù)

光纖壓力和溫度傳感器系統(tǒng)是由光纖壓力溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、激光微加工光纖F-P傳感器、亞納米分辨的F-P腔微位移測(cè)量、耐高溫高壓封裝四項(xiàng)核心技術(shù)基礎(chǔ)上有機(jī)、有效的組合完成的。

四、市場(chǎng)狀況及發(fā)展趨勢(shì)

光纖傳感測(cè)井技術(shù)是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外石油企業(yè)一直非常關(guān)注的測(cè)井技術(shù)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。從國(guó)內(nèi)外每年鉆井?dāng)?shù)量來(lái)看，中國(guó)每年要鉆1萬(wàn)多口井（包括探井和生產(chǎn)井），全球每年要鉆10-20 萬(wàn)口井。從目前需求量統(tǒng)計(jì)，每年中國(guó)海洋石油有大約100口油氣井要安裝壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)外油氣田每年有2萬(wàn)-3萬(wàn)口油氣井要安裝壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。中石油和中石化每年有1500多口井含硫和高產(chǎn)油氣井需要監(jiān)測(cè)井口和井底壓力、溫度。目前普遍開始采用的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術(shù)和火燒油層二氧化碳驅(qū)油技術(shù)，油井的溫度高達(dá)300℃，此外對(duì)于海上油田，許多超深油井下的壓強(qiáng)高達(dá)近百M(fèi)Pa，要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些油井的壓力和溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)在普遍采用的電子式壓力計(jì)、溫度計(jì)，已滿足不了測(cè)試需要，必須采用適用于高溫高壓環(huán)境的光纖式壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。因此、其市場(chǎng)空間是巨大的。

隨著油田開采的不斷進(jìn)行，目前剩余油藏已主要為低滲透油藏、超深層油藏以及稠油藏等復(fù)雜油藏。這類油藏的開采過(guò)程中常常涉及到高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾以及強(qiáng)化學(xué)腐蝕等惡劣的井下環(huán)境，由于傳統(tǒng)的電子學(xué)傳感器已不能夠滿足測(cè)井的需要，光纖傳感器由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到石油工業(yè)的普遍關(guān)注和高度重視。

光纖傳感器應(yīng)用于高溫、高壓油氣井永久性實(shí)時(shí)測(cè)量已經(jīng)在國(guó)外已廣泛應(yīng)用并商品化。但在國(guó)內(nèi)發(fā)展還只是剛剛起步。近年來(lái)國(guó)內(nèi)像中石油、中海油這樣的石油企業(yè)一直非常關(guān)注光纖傳感測(cè)井技術(shù)的應(yīng)用，并將采用此技術(shù)列如研究發(fā)展計(jì)劃。不期我國(guó)的光纖傳感測(cè)井技術(shù)將產(chǎn)業(yè)化，也一定會(huì)取得重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。