石油測(cè)井中光纖傳感器的應(yīng)用

■張榮王向鵬張劍

（成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610059；2山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 山西介休 032000）

石油測(cè)井中光纖傳感器的應(yīng)用

■張榮1王向鵬1張劍2

（成都理工大學(xué)地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610059；2山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 山西介休 032000）

本文從流量測(cè)量、溫度及壓力測(cè)量、密度測(cè)量等角度分析光纖傳感器測(cè)井原理，并以石油測(cè)井工作為例，分析如何運(yùn)用光纖傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)持氣率、溫度及壓力的測(cè)定，簡(jiǎn)單總結(jié)光纖傳感器在石油測(cè)井行業(yè)運(yùn)用存在的問(wèn)題以及發(fā)展趨勢(shì)，供同行參考和借鑒。

石油測(cè)井光纖傳感器測(cè)量持率

1 光纖傳感器測(cè)井原理

1.1 流量測(cè)量

光纖傳感器運(yùn)用光檢測(cè)方法將光的強(qiáng)度、相位、頻率、波長(zhǎng)等受到的流量調(diào)制量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)而求解出流體流量。

1.2 溫度及壓力測(cè)量

分布式光纖傳感器具有溫度效應(yīng)，其能利用光纖后向拉曼散射原理，實(shí)現(xiàn)光纖所在位置溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性檢測(cè)，這是光纖傳感器溫度測(cè)量的基本原理；非本征F-P腔型光纖傳感器則是一種波長(zhǎng)編碼型傳感器，能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、應(yīng)力等指標(biāo)的實(shí)時(shí)測(cè)量。

1.3 含水(氣)率及密度測(cè)量

U型光纖以光波為載體，隨著介質(zhì)折射率的變化而智能化改變傳輸功率。在測(cè)井工作中，油、氣、水混合在一起形成混合流體，這個(gè)混合流體會(huì)因?yàn)槿吲浜媳鹊牟煌霈F(xiàn)折射率的不同，光纖傳感器則會(huì)根據(jù)折射率的變化而發(fā)生傳輸功率的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井內(nèi)流體持率、密度等的測(cè)量，精度非常高。

1.4 聲波測(cè)量

聲波測(cè)量原理就是：通過(guò)光纖傳感器獲取測(cè)井地層中的聲學(xué)性質(zhì)資料，從而對(duì)這些聲波進(jìn)行分析，確定地層的性質(zhì)、井眼的工作狀況等。

1.5 自然伽馬測(cè)量

在石油測(cè)井工作中，自然伽馬測(cè)量是一種以地層自然放射性為基礎(chǔ)，以伽馬射線探測(cè)器進(jìn)行井眼的測(cè)量工作。由于地層自然發(fā)射性會(huì)隨著油井的開(kāi)發(fā)而發(fā)生相應(yīng)的變化，因此我們常用其來(lái)判斷巖性。在自然伽馬射線測(cè)量中，運(yùn)用激光型光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確性探測(cè)，對(duì)射孔進(jìn)行全方位的跟蹤定位測(cè)量。

1.6 光學(xué)電視測(cè)井

光學(xué)電視測(cè)井是一個(gè)完善的系統(tǒng)，是由光學(xué)電視、光纜、視頻設(shè)備、絞車(chē)系統(tǒng)等組成的，光纖光纜、光纖傳感器、專(zhuān)用連接器組成傳輸光纜，保證傳輸速率以及光纜的抗擊打能力。

2 光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用

2.1 光纖傳感器測(cè)定持率

持率測(cè)定是石油測(cè)井工作的一個(gè)重要目標(biāo)，持率是判斷油井生產(chǎn)剖面的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)于油井開(kāi)采找準(zhǔn)產(chǎn)油層、提高產(chǎn)油量具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前在持率測(cè)定上多采用電容法持水率、伽馬持水率、波導(dǎo)持水率等，前兩種方法在油井含水率≤30%的情況下測(cè)定油井的持水率、分辨氣-液等具有重要積極作用，這時(shí)油井處于初步開(kāi)發(fā)時(shí)期，而目前我國(guó)的油井開(kāi)發(fā)多進(jìn)入高含水率時(shí)期，因此運(yùn)用前兩種方法無(wú)法取得最佳效果。光纖傳感器的出現(xiàn)解決了持率測(cè)量問(wèn)題，前文已經(jīng)介紹光纖傳感器在石油測(cè)井中持率、密度等的測(cè)量原理。可見(jiàn)，運(yùn)用光纖傳感器測(cè)定油井持率十分可靠。

油的折射率為1.48-1.50、水的折射率為1.33、氣的折射率為1；三者之間差異巨大，而且光的特性與混合體的電阻率無(wú)關(guān)，因此運(yùn)用U型光纖傳感器測(cè)量水中的含油率、油中的含水率、水中的含氣率、油中的含氣率等非常靈敏。美國(guó)斯倫貝謝公司研發(fā)出持氣率光纖傳感器，其能在多相流體中直接測(cè)量出持氣率。該設(shè)備設(shè)有4個(gè)光纖探頭，被均勻的布置在井筒橫剖面上，并運(yùn)用一個(gè)相對(duì)方位傳感器測(cè)量出t在多相混合體中的空間方位，運(yùn)用探頭反射出的光信號(hào)來(lái)判斷持氣率以及泡沫量。最為關(guān)鍵的一點(diǎn)是，這4個(gè)探頭均能顯示出氣體流動(dòng)圖像，在斜井、水平井的持氣率測(cè)量上具有重要實(shí)踐意義，有助于工作人員準(zhǔn)確噴段出油井的井眼，從而科學(xué)調(diào)整生產(chǎn)管理方案。

2.2 非本征F-P腔型光纖傳感器測(cè)量壓力、溫度

如圖1所示為非本征F-P腔型光纖傳感器測(cè)量溫度、壓力的原理，SLED發(fā)出寬帶光，并耦合到多模光纖中，接著傳遞給傳感器，F(xiàn)-P腔反射回的信號(hào)傳給微型光譜儀，并通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)光譜的分析，計(jì)算出F-P腔的腔長(zhǎng)，從而確定其對(duì)應(yīng)的溫度以及壓力。

圖1 非本征F-P腔型光纖傳感器系統(tǒng)原理

3 光纖傳感器石油測(cè)井存在的問(wèn)題和發(fā)展前景

隨著光纖傳感器的快速發(fā)展以及其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活中的廣泛應(yīng)用，其在石油測(cè)井中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)得到業(yè)內(nèi)認(rèn)可，但是目前還沒(méi)能實(shí)現(xiàn)大力推廣應(yīng)用，這是因?yàn)槠湓谑蜏y(cè)井工作中的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題，主要是：（1）光纖和接頭容易損壞，故而其穩(wěn)定性受到質(zhì)疑；（2）存在光信號(hào)損耗問(wèn)題；（3）導(dǎo)管懸掛器連接頭以及光纖接頭的設(shè)計(jì)問(wèn)題；（4）安裝問(wèn)題。雖然光纖傳感器在石油測(cè)井中的應(yīng)用還存在許多問(wèn)題有待解決，但不可否認(rèn)的是其在石油測(cè)井中的應(yīng)用已成為必然發(fā)展趨勢(shì)。到目前為止，全球各石油公司積極投入巨資進(jìn)行光纖傳感器的研究，例如：研究如何運(yùn)用光纖傳感器進(jìn)行石油儲(chǔ)層的分析評(píng)價(jià)。同時(shí)，還有許多光纖傳感器研發(fā)機(jī)構(gòu)也積極致力于光纖傳感器在石油測(cè)井工作中運(yùn)用的研究，不斷完善光纖傳感器，克服現(xiàn)有的缺陷，推動(dòng)其在石油測(cè)井領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為石油開(kāi)采提供更加準(zhǔn)確、可靠的信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)光纖傳感器的測(cè)井工作原理進(jìn)行介紹，簡(jiǎn)單介紹運(yùn)用光纖傳感器進(jìn)行油井持率和壓力、溫度的測(cè)量，提出運(yùn)用光纖傳感技術(shù)建構(gòu)油田聯(lián)合站，促推油田測(cè)井工作的順利開(kāi)展，指出油田測(cè)井工作運(yùn)用光纖傳感器的方向，具有一定的實(shí)踐意義和理論意義，供同行參考借鑒。

[1]段方.光纖傳感器測(cè)井技術(shù)在當(dāng)前石油測(cè)井中的應(yīng)用探討 [J].化工管理,2014,(29): 122-122.

[2]陳兵清.基于光纖傳感器的測(cè)井技術(shù)研究 [J].華人時(shí)刊 （中旬刊）,2013,(8):176-176.

TE1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2015）-10-231-1

張榮（1990～），男，在讀研究生，研究方向?yàn)楣腆w地球物理和石油測(cè)井。