油氣井中光纖傳感器的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

鄧顯林 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院

1 工作原理

光纖傳感器主要以光纖作為原材料，其中光纖主要由纖芯、包層、涂覆層組成，成分是二氧化硅[1]。在實際工作中，通常有3種波長的光纖用于光線傳輸中，即0.85、1.31和1.55μm。在用到1.31μm波長的光纖時，其色散的程度為零，一般用于單模光纖，傳輸距離較長；用到1.55μm波長的光纖時，其折射率最小，一般用于多模光纖當(dāng)中，傳輸距離較短；0.85μm波長的光纖用到的概率較小。

光纖和其他半導(dǎo)體材料相比，具有更高的折射率，當(dāng)光源從內(nèi)部傳送時，可以無損耗的從用戶輸出端傳出。光纖是一個感應(yīng)器件，在其中注入一束光線時，相應(yīng)的傳感器顯示屏上會顯示出光線波長、相位、色散值。當(dāng)受到外界溫度、亮度、電磁波等一系列的干擾時，傳感器上的光線的波長、相位、傳播速度就會發(fā)生相應(yīng)的變化。

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 光強度測量

當(dāng)光感應(yīng)器受到一束較強的光線刺激時，就會引起傳感器的變化[2]。首先在內(nèi)部元件中經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，然后在三極管上采用二級分光進行信號放大。之后光感應(yīng)器接收端處理光信號來源，判斷是否符合實際需求。

2.2 流量測量

當(dāng)用光纖流量感應(yīng)指針測定井下流體的流速時，只是通過井內(nèi)單質(zhì)流體和其他摻雜混合流體的密度、壓強及流速來計算出相對流量。光纖懸浮流量感應(yīng)指針通常在失重的情況下采用，該設(shè)備是在原有的基礎(chǔ)上加上內(nèi)懸浮感應(yīng)裝置[3]，光纖由原來的單模單股改為多模多股光纖，使光纖纖芯色散減少，抗電磁干擾的能力增強，并且測定距離范圍增大。用光纖流量感應(yīng)指針技術(shù)設(shè)計的流量計曾在大慶油氣井下做過實驗，按照流量與流速成正比的測定標準，與原有流量計相比較，其精確值相差0.03%，雖然相差并不多，但足以證明該流量計確實在技術(shù)上更勝一籌。

2.3 流體溫度及壓力測量

在石油管道中，流體與管壁之間的摩擦必然會使表皮溫度升高，溫度可高達400~500℃，顯然超出了一般溫度計的測量范圍。目前小型油井溫度測量計測定范圍為200℃左右，無法測量大型油井以及深層油井。在一些密集度較大的油田中，為了便于監(jiān)測溫度，一般使用火燒的方法來提高溫度[4]。

光纖溫度傳感器常見類型有支架型、流體型、吊墜型。其中支架型采用了光纖彎曲半徑系數(shù)大的原理，在高溫復(fù)雜地形情況下，可以任意彎曲，并且半徑節(jié)點分布不均勻，可以對多個設(shè)置點進行測量。

2.4 流體含水量及密度的測定

在石油生產(chǎn)工藝中，石油原液中摻雜著少量的水分，測定含水量可作為石油純度劃分標準。含水量是以一升石油原液為單位，水分占原液的百分比來表示。由于油和水的密度不同導(dǎo)致兩種物質(zhì)存在分層現(xiàn)象，因此在油井管道內(nèi)要找準兩種物質(zhì)的分界面。光纖密度傳感器可實現(xiàn)這一目的，從根本上識別混合密度摻雜物的成分。在生產(chǎn)中若測定水、空氣、油這三種物質(zhì)的成分含量，就要了解三種物質(zhì)在這種環(huán)境的折射率。經(jīng)過測定檢測，油的折射率為1.21；水的折射率為1.19；空氣的折射率為1.23。密度相對大的折射率就相對較小。

光纖傳感器的設(shè)計原理是根據(jù)光纖傳輸信號的功率隨著物質(zhì)在流體內(nèi)折射率的改變而發(fā)生相應(yīng)改變這一特性，其中在傳輸過程中是以光波作為信息的載體，與物質(zhì)在管道內(nèi)的流速、摩擦溫度以及流向無關(guān)。在經(jīng)過測定判斷后，反饋回來的信息在經(jīng)過加工之后，便能提供精細化的答案，即各成分的相對密度及占總體成分的含量。

2.5 其他方面的測定及應(yīng)用

光纖傳感器除了應(yīng)用于以上幾個領(lǐng)域外，在其他領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。例如測定油井內(nèi)有害氣體的酸堿性、是否具有爆破性以及檢測石油原液中砂石粒的成分，確定開采地點巖石中的主要成分。一般在測定酸堿度時會用到專業(yè)的測量儀器，但是在溫度高、壓強大的情況下，普通的儀器難以承受幾百攝氏度和幾十兆帕壓強的惡劣環(huán)境，因此就可應(yīng)用新一代傳感器來進行測定。在大西北科技工業(yè)園中，制定了關(guān)于測定氣體pH值以及主要成分的光纖傳感器的設(shè)計方案，并研制出了測定各種氣體pH值的光纖傳感器。這種傳感器不僅能檢測pH值，并且還具有吸收有毒氣體、凈化空氣的作用，實現(xiàn)檢測和吸收雙重的功能。

3 發(fā)展前景

隨著近幾年石油行業(yè)的不斷發(fā)展，對光纖傳感器的需求量也呈現(xiàn)高速增長趨勢，2006~2009年光纖傳感器用于石油行業(yè)的成本就高達24億美元，并且還可應(yīng)用于化工行業(yè)、冶金行業(yè)、鋼鐵行業(yè)等，其需求也占到市場的一定份額，據(jù)統(tǒng)計近3年內(nèi)市場的占有率已達到47%。光纖傳感器將監(jiān)測信息傳送到中央處理機上，檢測員根據(jù)傳送來的信息進行數(shù)據(jù)整理，便可以對整個系統(tǒng)進行統(tǒng)一化的管理，提高產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)效益。

[1]楊三青．井下光纖式壓力溫度復(fù)合傳感器設(shè)計[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2000，21（3）：6-7.

[2]曹宇欣，陳貴慶，張祥．光纖溫度傳感器在井溫測井儀器中應(yīng)用初步研究[J]．國外測井技術(shù)，2004，19（3）：43-44.

[3]郭團，喬學(xué)光，賈振安，等．光纖光柵傳感技術(shù)及在石油工業(yè)中的應(yīng)用[J]．測試技術(shù)學(xué)報，2004，18（3）：208-213.

[4]劉立成，姜漢橋，趙業(yè)衛(wèi)．應(yīng)用分布式光纖溫度測試技術(shù)評價井間熱連通[J]．西南石油大學(xué)學(xué)報，2007，29（5）：18-20.