井下多點光纖測試技術在海上平臺的應用

石平太　苗杰　陳露

摘 要：光纖壓力計是一種利用光波傳輸壓力和溫度雙參數信息的測試工具。本文介紹了基于該壓力計的井下多點光纖測試系統的工作原理及下井工藝，并將其在海上平臺的應用結果進行了分析。應用結果表明，采用串聯方式的多點光纖測試系統能夠實時、準確地監測井下壓力和溫度梯度，能為油田管理、油藏動態分析提供數據依據。

關鍵詞：多點式光纖測試；壓力和溫度；海上平臺

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.062

隨著油氣田的不斷開發，海上平臺的深井、電加熱井和注蒸汽井等高溫高壓井逐年增加，對高溫高壓油藏測試難度也隨之增加。在油藏監測過程中，常規的電子式壓力和溫度監測系統應用較為廣泛，主要由井下傳感器、井下信號傳輸電纜和地面采集系統組成，受電子元器件和電纜工藝耐溫等級的影響，如果井溫超過190℃，電子式傳感器將很難長期正常工作，不能滿足這些特殊井的永久性油藏監測的需要。

近年來，光纖式壓力溫度傳感器作為新型傳感器已逐步應用于油田測試中，由于光纖傳感器內部沒有電子元器件，純石英結構設計，能夠突破溫度的瓶頸，耐溫可達到300℃；且結構簡單，體積小，抗干擾能力強，可封裝于不銹鋼殼體中，替代電子傳感器進行高溫高壓的油藏測試。另外，通過對光纖壓力溫度傳感器內部結構進行改進，可以實現單根光纜串聯多個光纖傳感器，可用于監測油氣井中的壓力梯度和溫度梯度，為油藏決策和開發提供數據依據。

1 工作原理

多點式光纖式壓力和溫度監測系統主要由井下光纖傳感器和配套固定托筒、不銹鋼鎧裝光纜、地面光信號解調儀及上位機軟件等部分構成。

在不銹鋼鎧裝光纜中設有多根光纖，每根光纖可以連接一支光纖傳感器，光纖傳感器安裝于配套的托筒上并進行固定，托筒隨管柱下于預定深度，在下井過程中，要在油管接箍位置安裝光纜保護器進行光纜固定和防磕碰保護。當需要增加新的測試點時，將光纜截斷后，光纜的兩個斷點與新的光纖傳感器進行續接，其中光纜中光纖與傳感器的光纖續接，光纜的鎧層與傳感器的殼體連接。目前已實現4支光纖傳感器的串聯，光纜中多余的光纖可以作為冗余備用。

基本工作原理：地面光信號解調儀按照采樣間隔定期向井下光纖中發出1510nm～1590nm連續波長的激光信號，激光信號到達光纖傳感器后，經過傳感器內部的測溫測壓裝置形成反射光譜，不同的壓力和溫度反射的光譜不一樣，地面光信號解調儀接收反射光譜后轉化成數字信號并發送給上位機，上位機對信號進行解調并計算出對應的壓力溫度值，然后進行顯示、存儲、報警等操作。當地面光信號解調儀完成一根光纖的信號收發工作后，自動切換至下一根光纖進行信號收發，如此反復循環。

2 設計原理

串聯型光纖測溫測壓傳感器的結構示意圖如圖1所示，傳感器內部利用一根光纖串聯著一個FBG溫度傳感元和一個F-P腔壓力傳感元，傳感器內部的預留光纖被預埋在單獨的通道中，用于連接傳感器前后端的測試光纜，后端的測試光纜再和其他光纖傳感器進行連接。殼體采用不銹鋼封裝，傳感器前后端與鋼管光纜連接位置采用全金屬密封結構，以保證高壓和防腐的特性。

FBG溫度傳感元件用于測試傳感器位置的環境溫度，是采用紫外激光工具刻制在光纖上具有折射率周期性變化的特殊裝置，當寬光譜光經過光柵時，一部分光會被反回，返回光的波長與溫度呈函數關系，通過監測返回光的波長可以解析出環境的溫度值。

F-P腔壓力傳感元通過壓力緩沖裝置連接至殼體的導壓孔。當外界壓力發生變化時，會引起F-P腔的腔長變化，從而引起地面光信號的反射光譜特性發生變化，地面系統接收反射光譜后根據壓力標定數據可以解析出環境的壓力值。

在同一個光纖傳感器內部，將FBG溫度傳感元件和F-P腔壓力傳感元通過光纖串聯，對光信號采用波分和空分復用方法，即可以實現溫度和壓力的同時測量。

3 技術參數

3.1 光纖F-P腔壓力傳感元件技術參數

工作壓力： 0-15000psi；

工作溫度： 300℃；

精度： 0.025% F.S；

分辨率： 0.025% F.S；

長期穩定性： 0.5%F.S/年。

3.2 光纖FBG溫度傳感元件技術參數

工作壓力： 0-15000psi；

工作溫度： 300℃；

分辨率： 0.3%F.S ；

精度： 0.3%F.S ；

長期穩定性： 0.3%F.S /年。

4 應用情況

在海上平臺試驗井井成功下入了一根光纜串聯的四支光纖傳感器，旨在觀察水平井段的溫度梯度。分別置于2829.65m，2794.63m，2676.19m，2652.23m的位置。連續工作8個月，測試數據準確、穩定，可以確切反應油井生產時內部溫度壓力數據，部分數據如圖2所示。

（下轉第74頁）

（上接第75頁）

5 總結

在油藏監測過程中，電子式壓力和溫度傳感器應用較為廣泛，這些傳感器很難實現高溫溫度剃度和壓力剃度的測試，難以滿足井下永久性監測的需要。光纖測試傳感器屬于機械型傳感器，沒有電子器件，封裝于不銹鋼外殼中可以實現高溫高壓的測試，通過對內部結構改進，可實現單根光纜串聯多個光纖傳感器，為油藏決策和開發提供數據依據。

本文通過論述基于該壓力計的井下多點光纖測試系統的工作原理及下井工藝，并將其在海上平臺的應用結果進行了分析。應用結果表明，采用串聯方式的多點光纖測試系統能夠實時、準確地監測井下壓力和溫度梯度，能為油田管理、油藏動態分析提供數據依據。

參考文獻：

[1]申銥國，張鐵強.光電子學[M].北京：兵器工業出版社，1994.

[2]秦子雄，曾慶科等.大調諧范圍的等強度梁光纖光柵波長調節器[J].光學學報，2001（12）：1421-1425.

[3]于清旭，王曉娜，宋世德，趙業衛，崔士斌.光纖F2P腔壓力傳感器在高溫油井下的應用研究[J].光電子·激光，第18卷第3期2007年3月.

作者簡介：石平太（1982-），甘肅靖遠人，本科，從事測試技術工作。