用于油井溫度剖面快速測量的高精度光纖光柵溫度傳感器設(shè)計(jì)

李三喜，馬龍，呂京生，張發(fā)祥，劉小會(huì) ，趙慶超 ，李惠 ，王昌

(1．中海石油(中國)有限公司，上海 200030；2.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院激光研究所，山東 濟(jì)南 250014)

油田勘探開發(fā)過程中，油層溫度和井內(nèi)流體溫度的變化是非常重要的參數(shù)。將傳感器下入井內(nèi)，獲得井下某一深度的溫度參數(shù)或沿井溫度剖面，是油井測溫的常用方法。溫度測井資料可以用于確定油層溫度，了解井內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)，劃分注入剖面，確定產(chǎn)氣、產(chǎn)液口位置，檢查管柱泄漏、串槽，評(píng)價(jià)酸化壓裂等增產(chǎn)措施效果多個(gè)方面。

傳統(tǒng)的測量井溫一般使用紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下環(huán)境存在高溫高壓、腐蝕和地磁干擾，對(duì)測試儀器產(chǎn)生很大的影響，傳統(tǒng)的電子類傳感器無法在如此惡劣的環(huán)境下正常工作，容易造成測試誤差，且對(duì)于溫度場的測量也存在精度不高，長時(shí)間使用誤差大等很多不足[1-2]。光纖溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)輕便、體積小、耐高溫高壓、對(duì)電磁干擾不敏感、長期穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，在油田監(jiān)測中具有廣闊的應(yīng)用前景[2-8]。目前國內(nèi)應(yīng)用的主要有光纖光柵(FBG)式溫度傳感器[2, 4, 6]、光纖F-P腔式溫度傳感器[5, 7]、光纖分布式溫度傳感器(DTS)[9-10]等。DTS可以分布式測量，獲得井下溫度剖面，但測量精度不高；光纖F-P腔式和光纖光柵式溫度傳感器只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測試，且存在溫度壓力交叉敏感，一般需要兩種傳感器同時(shí)測量溫度壓力進(jìn)行補(bǔ)償，影響測量精度，在工程應(yīng)用中需要通過多芯光纜或少量串聯(lián)實(shí)現(xiàn)復(fù)用，一般用于少數(shù)測點(diǎn)的長期監(jiān)測。

為獲得高精度的井下溫度剖面，本文設(shè)計(jì)了一種游走式光纖光柵溫度傳感器，采用高精度耐高壓封裝的光纖光柵溫度傳感器，隔離了井下壓力對(duì)傳感器的影響，并實(shí)現(xiàn)了較高的溫度響應(yīng)速度。同時(shí)，傳感器直徑只有1.2 mm，可以減小傳感器對(duì)溫度場的影響，降低測量誤差。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的游走式高精度光纖光柵溫度傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，考慮井下液體的腐蝕性，采用316不銹鋼毛細(xì)管作為保護(hù)外殼，對(duì)耐高溫光纖光柵進(jìn)行封裝保護(hù)，提高傳感器的抗壓能力，保護(hù)光纖光柵不受腐蝕傷害。傳感器可連接井下光纜，在下放過程中測量油井的溫度數(shù)據(jù)，從而獲得油井溫度剖面。由于游走式傳感器測量過程中需要有較快的溫度響應(yīng)速度，以保證測量精度，所以采用1.2 mm外徑的超細(xì)不銹鋼管，內(nèi)部填充介質(zhì)為空氣，以避免井下高壓傳遞到光纖光柵，產(chǎn)生交叉影響。

圖1 游走式高精度FBG溫度傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram and the picture of the FBG temperature sensor

不銹鋼管的兩端用玻璃焊料進(jìn)行密封，光纖光柵在不銹鋼管內(nèi)采用懸空的方式，保證抗壓和密封的需要。這種方法簡單易行，能夠有效地保護(hù)光纖光柵，隔絕壓力對(duì)光纖光柵的影響。外界溫度的升高影響到不銹鋼管壁，引起不銹鋼管內(nèi)的溫度變化，從而引起光柵的波長發(fā)生變化。通過檢測波長變化，可以測量外界介質(zhì)的溫度。當(dāng)外界存在高壓時(shí)，不銹鋼管產(chǎn)生形變較小，并且不會(huì)傳遞給光纖光柵，從而避免了壓力的交叉敏感。

1.2 溫度靈敏度分析

光纖光柵傳感器利用光纖光柵對(duì)溫度的敏感原理，通過測試波長的變化來推導(dǎo)出溫度的變化。FBG的波長變化Δλ對(duì)溫度ΔT和應(yīng)變?chǔ)臫同時(shí)響應(yīng)的公式為[11]

(1)

其中，λB為布拉格波長, 取1 550 nm；α=5.5×10-7℃為FBG的線膨脹系數(shù)；ζ為FBG的熱光系數(shù)，一般不同廠家的光纖有所差別，對(duì)于純石英光纖，ζ=6.67×10-6℃；pe=0.22為有效彈光系數(shù)。

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的傳感器，當(dāng)溫度變化時(shí)，光纖光柵不產(chǎn)生應(yīng)變，εT=0，當(dāng)溫度場達(dá)到平衡時(shí)，有

Δλ=(α+ζ)λBΔT，

(2)

其中，(α+ζ)λB為傳感器的溫度靈敏度系數(shù)，根據(jù)上述參數(shù)，理論值約為11.2 pm/℃。

1.3 響應(yīng)時(shí)間分析

采用有限元模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，理論方程為[12]

(3)

式中，ρ為密度；Cp為恒壓比熱容；k為導(dǎo)熱系數(shù)。

在不銹鋼管外表面，T=Tw，Tw為被測液體的溫度，傳感器初始溫度T=T0，定義溫度傳遞函數(shù)M=(T-T0)/(Tw-T0)。仿真所采用的不銹鋼管的相關(guān)參數(shù)：常壓熱容Cp=475 J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)k=44.5 J/(kg·K)，密度ρ= 7.98 g/cm3。

分別采用Tw=313 K，T0=293 K；Tw=333 K，T0=293 K；Tw=333 K，T0=273 K三組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，不銹鋼管封裝FBG溫度傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為外徑1.22 mm，內(nèi)徑0.8 mm，仿真所得傳遞函數(shù)M相同，根據(jù)溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)校準(zhǔn)方法，響應(yīng)時(shí)間即為達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時(shí)間的63.2%。本文采用63.2%的時(shí)間常數(shù)作為傳感器的熱響應(yīng)時(shí)間，由仿真結(jié)果可知，本傳感器的響應(yīng)時(shí)間約為0.11 s，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳感器溫度傳遞函數(shù)的仿真結(jié)果 Fig.2 Simulation results of temperature transfer function of the sensor

2 傳感器測試

2.1 傳感器溫度靈敏度

傳感器的溫度靈敏度測試系統(tǒng)如圖3所示，采用商用的SmartScan光纖光柵解調(diào)儀對(duì)光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行波長解調(diào)，將光纖光柵溫度傳感器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高精度電子溫度傳感器一同放入水中并置于烘箱同一位置，從室溫開始，逐漸升高溫度，每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定30 min后讀取數(shù)據(jù)，所測光纖光柵傳感器溫度曲線如圖4所示。

圖3 溫度靈敏度測試系統(tǒng)Fig.3 Temperature sensitivity test setup for the sensor

由圖4的數(shù)據(jù)經(jīng)過線性擬合，傳感器的波長與溫度關(guān)系為y=0.010 1x+1 542.3，傳感器溫度系數(shù)為10.1 pm/℃，線性度可達(dá)0.999 7。數(shù)據(jù)與1.2中提及傳感器的溫度系數(shù)理論值約為11.2 pm/℃有差別，分析該誤差值主要是由以下原因造成的：(1)光纖的實(shí)際熱光系數(shù)小于純石英材料的熱光系數(shù)；(2)烘箱溫度控制精度不高和解調(diào)儀器的解調(diào)誤差。根據(jù)SmartScan光纖光柵解調(diào)儀的技術(shù)指標(biāo)[13]，在25 Hz采樣率的條件下，波長分辨率可以達(dá)到0.06 pm，結(jié)合傳感器的溫度系數(shù)計(jì)算，傳感器的溫度分辨率可達(dá)0.007 5 ℃。

將傳感器貼在精度為±0.01 ℃的TEC溫控片表面，所測溫度輸出如圖5所示?？梢?，輸出溫度值的分辨率達(dá)到±0.01 ℃。與理論分析值0.007 5 ℃相比，實(shí)際測試受溫控片的溫控精度限制，測試精度未能達(dá)到理論值。

圖4 傳感器的溫度系數(shù)Fig.4 The curve of wavelength versus temperature of the sensor

圖5 傳感器溫度輸出曲線圖Fig.5 Temperature output of the sensor

2.2 壓力對(duì)傳感器測溫的影響測試

把傳感器放入高壓測試桶內(nèi)，密封完成后傳感器連接光柵解調(diào)儀器，進(jìn)行高壓測試。使用壓力機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行分段加壓，加壓的壓力為20、40、60、80、100 MPa，每一個(gè)壓力點(diǎn)的壓力值保持5 min。測試系統(tǒng)如圖6所示，測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，0～100 MPa變化范圍，波長變化小于2 pm，結(jié)合溫度系數(shù)10.1 pm/℃，在100 MPa壓強(qiáng)變化范圍，對(duì)溫度精度的影響小于0.2 ℃。

圖6 傳感器的壓力測試系統(tǒng)Fig.6 Pressure test setup for the sensor

圖7 傳感器的波長-壓力曲線Fig.7 The curve of wavelength versus pressure of the sensor

2.3 傳感器的熱響應(yīng)時(shí)間測試

圖8 傳感器對(duì)溫度響應(yīng)測試示意圖Fig.8 Schematic diagram of the sensor’s temperature response test

把光纖傳感器和光纖光柵接入光纖光柵解調(diào)儀，配置到2.5 kHz高速采樣模式。將封裝好的光纖光柵溫度傳感器和裸光纖光柵固定在一支玻璃棒上，使二者的柵區(qū)在同一位置，如圖8所示。將傳感器從室溫環(huán)境迅速移至熱水中，同時(shí)用解調(diào)儀記錄其溫度變化。

測試結(jié)果如圖8所示。根據(jù)溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的校準(zhǔn)方法，響應(yīng)時(shí)間為達(dá)到穩(wěn)定溫度所需時(shí)間的63.2%。根據(jù)圖9，光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間約為108 ms，與理論仿真基本吻合。裸光纖光柵的響應(yīng)時(shí)間約為30 ms，可見，本文設(shè)計(jì)的光纖光柵溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)接近裸光纖光柵的響應(yīng)時(shí)間。

圖9 傳感器的溫度響應(yīng)曲線 Fig.9 Temperature response curve of the sensor

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的耐高壓封裝的高速響應(yīng)光纖光柵溫度傳感器，傳感器直徑1.2 mm。通過理論分析、仿真及實(shí)驗(yàn)測試，得到其理論分辨率為0.007 5 ℃，實(shí)測分辨率小于±0.01 ℃，測溫線性范圍到達(dá)175 ℃，響應(yīng)速度小于108 ms，耐壓100 MPa。該設(shè)計(jì)驗(yàn)證了用不銹鋼鋼管封裝的光纖溫度傳感器用于油井快速響應(yīng)測溫的可行性，為油井溫度剖面快速測量提供了一種新方法。本傳感器也存在一些不足，比如在高溫高壓環(huán)境下長期使用會(huì)使測量誤差增大，將會(huì)在下一步設(shè)計(jì)測試中通過改變光柵材料，對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

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