油氣井下光纖光柵溫度壓力傳感器

薛兆康，國 旗，劉善仁，潘學(xué)鵬，陳 超，于永森 *

（1. 吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130012；2. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033）

1 引 言

石油開采過程中，井下的溫度和壓力是必不可少的測量參數(shù)，這對確定油層位置以及保障開采過程中的安全極為重要[1]。但隨著開采深度的增加，井下的溫度和壓力也在不斷增加，這對傳感器的設(shè)計(jì)和封裝提出了巨大挑戰(zhàn)。工程實(shí)踐表明：油氣井下溫度每升高18 ℃，電子傳感器的故障率會增加一倍[2]。鑒于以上問題，光纖傳感器的優(yōu)勢被突顯出來。光纖傳感器憑借其抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、可實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天，石油化工，交通運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域[3-8]。

光纖液壓傳感器主要可分為法布里-珀羅干涉儀型[9-11]、微結(jié)構(gòu)光纖型[12-14]以及光纖光柵增敏型[15-17]。前兩種主要是基于光纖微腔結(jié)構(gòu)，對外部壓力敏感，可通過刻蝕[18]、微加工[19-20]等方法制作微空隙，再用熔接機(jī)放電或二氧化碳激光器熔接的方式制備光纖微腔[21-22]，以及在微結(jié)構(gòu)光纖本身存在空氣腔的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行密閉封裝[23-24]。這兩種類型的傳感器可應(yīng)用于液壓和氣壓的測量，但很難在高溫高壓環(huán)境下使用，在高壓環(huán)境下，很容易造成微腔爆裂，同時(shí)基于干涉型的傳感器，解調(diào)方式較復(fù)雜，解調(diào)精度較低，很難在大測量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度監(jiān)測。這使得光纖光柵增敏型傳感器在高溫高壓苛刻環(huán)境下使用得到了進(jìn)一步的研究應(yīng)用。

光纖光柵已被廣泛應(yīng)用于各種苛刻環(huán)境下的高溫監(jiān)測，同時(shí)光纖光柵可基于波長和強(qiáng)度方式解調(diào)，解調(diào)方式更靈活[25-26]。波長解調(diào)方式抗干擾性強(qiáng)，不容易受到光源波動影響，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較低。對于光纖光柵傳感器在油氣井下的應(yīng)用，早在1993年Xu等人已開展相關(guān)研究，通過裸光柵方式測試到最高壓強(qiáng)70 MPa，靈敏度為3 pm/MPa，由于裸光柵壓力靈敏度低，很難在工程中應(yīng)用[27]。孫安等人通過特殊聚合物材料將光纖光柵封裝在金屬管中，在40MPa的壓力范圍內(nèi)靈敏度為36 pm/MPa[28]。申人升等人制備了金屬薄壁筒式壓力傳感器，在40 MPa的壓力范圍內(nèi)靈敏度系數(shù)為33 pm/MPa[29]。這些增敏方法都相應(yīng)地提高了壓力靈敏度，但壓力靈敏度提高的過程中，如何保證傳感器能承受更大的壓力是值得進(jìn)一步研究的課題。因此光纖光柵增敏型傳感器在油氣井環(huán)境下的應(yīng)用也在不斷地被研究。

本文提出了一種基于光纖光柵增敏型的壓力傳感器，增敏結(jié)構(gòu)采用的是自主設(shè)計(jì)編織的碳纖維管，這種結(jié)構(gòu)在保證抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，也有利于增大液壓傳感靈敏度。采用參考光柵和壓力傳感光柵的雙光柵結(jié)構(gòu)，解決了溫度和壓力傳感過程中的交叉敏感問題。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器可以在0~150 ℃、0~80 MPa的液壓環(huán)境下穩(wěn)定工作。

2 傳感器原理與設(shè)計(jì)

在油氣井下高溫高壓惡劣環(huán)境中，需要對傳感器進(jìn)行可靠的封裝才可以獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，對傳感器的封裝及增敏方式也不盡相同。裸光纖布拉格光柵的溫度靈敏度大致在10 pm/℃，壓力靈敏度小于3 pm/MPa。為了獲得更高的靈敏度，尤其需要大幅提高壓力靈敏度，因此要對光纖布拉格光柵進(jìn)行增敏處理。常用的增敏材料主要有金屬材料、合金材料、聚合物材料以及熱膨脹系數(shù)較小的碳纖維復(fù)合材料等。在進(jìn)行壓力增敏材料選擇上，本文采用了碳纖維材料，這樣可以減小溫度因素帶來的較大熱膨脹變化，同時(shí)碳纖維具有很好的溫度穩(wěn)定性和很高的強(qiáng)度，是作為穩(wěn)定彈性體的理想選擇[30-31]。在增敏結(jié)構(gòu)上，主要有彈性柱體，圓平膜片以及懸臂梁等結(jié)構(gòu)[32]。本文采用的是中空彈性圓柱體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以起到很好的增敏效果，同時(shí)也具有很高的強(qiáng)度。

圖1 為該光纖溫度壓力傳感器的封裝示意圖和器件實(shí)物圖。壓力傳感器基體是通過三維四向編織的中空碳纖維管，編織選用的材料是碳纖維絲（日本東麗T700-12K），將碳纖維絲相互編織制成預(yù)制件，后加入高溫樹脂膠與基體擠壓固化成型。碳纖維管兩端通過不銹鋼堵頭和高溫樹脂膠進(jìn)行封裝，形成一個(gè)密閉中空結(jié)構(gòu)，管長10 cm，外徑為2 cm，內(nèi)徑為1 cm，壁厚0.5 cm。光纖布拉格光柵區(qū)域通過高溫樹脂膠固定在碳纖維管表面中間位置，作為傳感區(qū)域，感知外部壓力對碳纖維管產(chǎn)生的形變大小。參考光柵與壓力傳感光柵級聯(lián)在同一根光纖上，且將參考光柵封裝在一段空心管內(nèi)，僅作為溫度補(bǔ)償光柵感知壓力傳感器周圍的溫度。實(shí)驗(yàn)中的光纖布拉格光柵是通過飛秒激光逐點(diǎn)法在聚酰亞胺光纖上制備兩種不同波長的光柵。壓力傳感光柵中心波長在1550 nm左右，參考光柵中心波長在1530 nm左右，這樣可以對光柵進(jìn)行獨(dú)立解調(diào)，而不發(fā)生波長串?dāng)_。光纖表面聚酰亞胺涂覆層不僅耐高溫，而且耐化學(xué)腐蝕，可在300 ℃高溫環(huán)境長期穩(wěn)定工作，非常適合在油氣井下苛刻環(huán)境中應(yīng)用。

圖 1 (a)光纖溫度壓力傳感器封裝示意圖和(b)封裝后的器件圖Fig. 1 (a) Schematic diagram of optical fiber temperature and pressure sensor packaging and (b) device diagram after packaging

為了更好地分析在外界壓力作用下碳纖維管管身的形變和受力情況，通過COMSOL Multiphysics軟件對碳纖維管進(jìn)行了建模分析。圖2（彩圖見期刊電子版）分別為碳纖維管在(a) 20 MPa、(b) 40 MPa、(c) 60 MPa和(d) 80 MPa壓強(qiáng)下的仿真模型。通過仿真分析可知，當(dāng)外部壓力作用碳纖維管時(shí)，管身中心位置形變最大，壓力傳感光柵應(yīng)固定在此位置。

圖 2 三維四向法編織碳纖維管受壓力情況仿真圖Fig. 2 Pressure simulation diagrams of carbon fiber tube prepared by three-dimensional four-way method

當(dāng)壓力傳感光柵受軸向應(yīng)變 ε和溫度T共同作用時(shí),中心反射波長λB的變化為[33]：

式中：Pe為 光纖的有效彈光系數(shù)，αs為光纖的熱膨脹系數(shù)，ξs為光纖的熱光系數(shù)。

當(dāng)溫度恒定時(shí)，由外界壓力引起的各向同性應(yīng)力P產(chǎn)生的應(yīng)變量ε 可表示為[32]：

式中: μa和E分別為基底材料的泊松比和楊氏模量，R0、R1分別為碳纖維管的內(nèi)半徑和外半徑，d為碳纖維管的壁厚。當(dāng)溫度恒定時(shí)，由式(1)和式(2)可知，此時(shí)壓力傳感光柵中心反射波長的變化為：

由此可知，封裝后壓力傳感光柵反射波長的變化與壓力是呈線性關(guān)系的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度響應(yīng)測試

光纖溫度壓力傳感器測試裝置如圖3所示。測試裝置主要由傳感解調(diào)系統(tǒng)、液壓調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)組成。傳感解調(diào)系統(tǒng)由超連續(xù)寬帶光源(NKT Photonics)、光譜儀(AQ6370B)、光纖耦合器和光纖布拉格光柵組成。液壓調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)由液壓調(diào)節(jié)器、精密壓力測量儀和高壓反應(yīng)釜組成。恒溫系統(tǒng)主要由智能恒溫油槽進(jìn)行精確控溫，控溫精度為0.1 ℃，油槽內(nèi)放入硅油加熱，進(jìn)而對反應(yīng)釜內(nèi)器件進(jìn)行加熱恒溫。

圖 3 光纖溫度壓力傳感器測試裝置圖Fig. 3 Test device diagram of optical fiber temperature and pressure sensor

為了獲得參考光柵和壓力傳感光柵的溫度靈敏度，在常壓情況下，通過恒溫油槽加熱該傳感器。從室溫逐漸升高到150 ℃，溫度間隔為20 ℃，每個(gè)溫度點(diǎn)保溫30 min，并通過光譜儀記錄對應(yīng)光譜。圖4為傳感器兩種光柵的諧振波長與溫度擬合曲線。參考光柵溫度靈敏度為10.59 pm/℃，壓力傳感光柵溫度靈敏度為29.16 pm/℃。壓力傳感光柵溫度靈敏度高于參考光柵溫度靈敏度的原因是傳感光柵被固定在碳纖維管表面，由于熱膨脹效應(yīng)，會起到一定的溫度增敏效果。

圖 4 傳感器兩種光柵的諧振波長與溫度擬合曲線Fig. 4 Fitting curve of the relationship between resonant wavelengths and temperature for two different gratings in the sensor

3.2 常溫下壓力響應(yīng)測試

為了驗(yàn)證該傳感器的可行性，首先對其進(jìn)行了常溫下的壓力測試。通過液壓調(diào)節(jié)器向反應(yīng)釜內(nèi)注入硅油，并由精密壓力測量儀監(jiān)測反應(yīng)釜內(nèi)壓強(qiáng)。從0 MPa逐漸增加到80 MPa，每個(gè)壓力點(diǎn)保持2 min，并通過光譜儀記錄下此時(shí)光譜。室溫（23 ℃）下傳感光柵的諧振波長隨壓力變化的一次擬合曲線如圖5所示，傳感光柵的壓力靈敏度為?28.18 pm/MPa，線性擬合度R2=0.995，具有很好的線性度，同時(shí)驗(yàn)證了該傳感器能夠耐80 MPa的壓強(qiáng)。

圖 5 室溫（23 ℃）下傳感器的諧振波長與壓力擬合曲線Fig. 5 Fitting curve for resonant wavelength and pressure at room temperature (23 ℃)

3.3 不同溫度下壓力響應(yīng)測試

將該壓力傳感器置于恒溫油槽中，測試其不同溫度下的壓力響應(yīng)，如表1所示。110 ℃以內(nèi)的壓力靈敏度大約在?30 pm/MPa，隨著溫度繼續(xù)升高，壓力靈敏度變化較大，在150 ℃時(shí)壓力靈敏度達(dá)到最大值為?50.02 pm/MPa。

圖6 為50 ℃、100 ℃、150 ℃下傳感光柵的諧振波長隨壓力的變化情況，最大壓強(qiáng)為80 MPa，壓力響應(yīng)均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。不同溫度區(qū)間的壓力靈敏度不同主要是因?yàn)樵诓煌瑴囟认绿祭w維管中的高溫樹脂膠的特性發(fā)生了變化，其彈性模量不在是一個(gè)常數(shù)，而是一個(gè)隨溫度變化的量，使其在高溫環(huán)境下具有更大的形變量，即高溫區(qū)的壓力靈敏度會更高，但同樣具有很好的線性擬合度。

圖 6 不同溫度下傳感光柵的諧振波長與壓力擬合曲線Fig. 6 Fitting curve for resonant wavelength and pressure at different temperatures

表 1 傳感光柵在不同溫度下的壓力響應(yīng)靈敏度Tab. 1 Pressure response sensitivity of sensing grating at different temperatures

光纖光柵溫度和壓力交叉敏感問題的解決方法主要可分為：參考光柵法和雙波長矩陣法[34]。這里采用的是參考光柵法，即對壓力傳感光柵和參考光柵中心波長漂移量相減，即可求得溫度和壓力變化，實(shí)現(xiàn)雙參量解調(diào)。此時(shí)實(shí)際待測壓力PT可以由公式(4)表示[35]：其中λ1為 壓力傳感光柵的反射波長，λ10為壓力傳感光柵的初始波長，λ2為參考光柵的反射波長，λ20為 參考光柵的初始波長，K1為壓力傳感光柵的溫度靈敏度系數(shù)，K2為參考光柵的溫度靈敏度系數(shù)，KT為溫度T下壓力傳感光柵的壓力靈敏度系數(shù)。

為了驗(yàn)證該壓力傳感器的穩(wěn)定性，將傳感器放置于150 ℃、80 MPa的環(huán)境下，測量24 h內(nèi)的壓力響應(yīng)波動情況，結(jié)果如圖7所示。對壓力傳感光柵每隔30 min采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)該傳感器在24 h內(nèi)的波長波動為±0.03 nm，這主要由恒溫油槽溫度波動和光譜儀解調(diào)精度決定的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該壓力傳感器在高溫高壓環(huán)境下表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。

圖 7 光纖壓力傳感器穩(wěn)定性測試Fig. 7 Stability test of optical fiber pressure sensor

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于碳纖維管壓力增敏型的光纖光柵溫度壓力傳感器，并建立了壓力分析模型，對傳感器封裝和測試進(jìn)行了詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器能夠在150 ℃、80 MPa環(huán)境中穩(wěn)定工作，壓力靈敏度最高可達(dá)?50.02 pm/MPa，且壓力響應(yīng)表現(xiàn)出很好的線性度。通過引入?yún)⒖脊鈻牛瑢?shí)現(xiàn)對溫度和壓力雙參量解調(diào)。這種光纖壓力傳感器有望應(yīng)用于油氣井下的開采，同時(shí)也驗(yàn)證了這種碳纖維復(fù)合材料在油氣井苛刻環(huán)境下作為傳感器應(yīng)用的可行性。