井下多點(diǎn)光纖測(cè)試技術(shù)在海上平臺(tái)的應(yīng)用

石平太　苗杰　陳露

摘 要：光纖壓力計(jì)是一種利用光波傳輸壓力和溫度雙參數(shù)信息的測(cè)試工具。本文介紹了基于該壓力計(jì)的井下多點(diǎn)光纖測(cè)試系統(tǒng)的工作原理及下井工藝，并將其在海上平臺(tái)的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行了分析。應(yīng)用結(jié)果表明，采用串聯(lián)方式的多點(diǎn)光纖測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)井下壓力和溫度梯度，能為油田管理、油藏動(dòng)態(tài)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多點(diǎn)式光纖測(cè)試；壓力和溫度；海上平臺(tái)

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

隨著油氣田的不斷開發(fā)，海上平臺(tái)的深井、電加熱井和注蒸汽井等高溫高壓井逐年增加，對(duì)高溫高壓油藏測(cè)試難度也隨之增加。在油藏監(jiān)測(cè)過程中，常規(guī)的電子式壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，主要由井下傳感器、井下信號(hào)傳輸電纜和地面采集系統(tǒng)組成，受電子元器件和電纜工藝耐溫等級(jí)的影響，如果井溫超過190℃，電子式傳感器將很難長(zhǎng)期正常工作，不能滿足這些特殊井的永久性油藏監(jiān)測(cè)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(yīng)用于油田測(cè)試中，由于光纖傳感器內(nèi)部沒有電子元器件，純石英結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠突破溫度的瓶頸，耐溫可達(dá)到300℃；且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，抗干擾能力強(qiáng)，可封裝于不銹鋼殼體中，替代電子傳感器進(jìn)行高溫高壓的油藏測(cè)試。另外，通過對(duì)光纖壓力溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)單根光纜串聯(lián)多個(gè)光纖傳感器，可用于監(jiān)測(cè)油氣井中的壓力梯度和溫度梯度，為油藏決策和開發(fā)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 工作原理

多點(diǎn)式光纖式壓力和溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(hào)解調(diào)儀及上位機(jī)軟件等部分構(gòu)成。

在不銹鋼鎧裝光纜中設(shè)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(jìn)行固定，托筒隨管柱下于預(yù)定深度，在下井過程中，要在油管接箍位置安裝光纜保護(hù)器進(jìn)行光纜固定和防磕碰保護(hù)。當(dāng)需要增加新的測(cè)試點(diǎn)時(shí)，將光纜截?cái)嗪螅饫|的兩個(gè)斷點(diǎn)與新的光纖傳感器進(jìn)行續(xù)接，其中光纜中光纖與傳感器的光纖續(xù)接，光纜的鎧層與傳感器的殼體連接。目前已實(shí)現(xiàn)4支光纖傳感器的串聯(lián)，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(hào)解調(diào)儀按照采樣間隔定期向井下光纖中發(fā)出1510nm～1590nm連續(xù)波長(zhǎng)的激光信號(hào)，激光信號(hào)到達(dá)光纖傳感器后，經(jīng)過傳感器內(nèi)部的測(cè)溫測(cè)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(hào)解調(diào)儀接收反射光譜后轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)并發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的壓力溫度值，然后進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等操作。當(dāng)?shù)孛婀庑盘?hào)解調(diào)儀完成一根光纖的信號(hào)收發(fā)工作后，自動(dòng)切換至下一根光纖進(jìn)行信號(hào)收發(fā)，如此反復(fù)循環(huán)。

2 設(shè)計(jì)原理

串聯(lián)型光纖測(cè)溫測(cè)壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，傳感器內(nèi)部利用一根光纖串聯(lián)著一個(gè)FBG溫度傳感元和一個(gè)F-P腔壓力傳感元，傳感器內(nèi)部的預(yù)留光纖被預(yù)埋在單獨(dú)的通道中，用于連接傳感器前后端的測(cè)試光纜，后端的測(cè)試光纜再和其他光纖傳感器進(jìn)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(jié)構(gòu)，以保證高壓和防腐的特性。

FBG溫度傳感元件用于測(cè)試傳感器位置的環(huán)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(dāng)寬光譜光經(jīng)過光柵時(shí)，一部分光會(huì)被反回，返回光的波長(zhǎng)與溫度呈函數(shù)關(guān)系，通過監(jiān)測(cè)返回光的波長(zhǎng)可以解析出環(huán)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(dǎo)壓孔。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起F-P腔的腔長(zhǎng)變化，從而引起地面光信號(hào)的反射光譜特性發(fā)生變化，地面系統(tǒng)接收反射光譜后根據(jù)壓力標(biāo)定數(shù)據(jù)可以解析出環(huán)境的壓力值。

在同一個(gè)光纖傳感器內(nèi)部，將FBG溫度傳感元件和F-P腔壓力傳感元通過光纖串聯(lián)，對(duì)光信號(hào)采用波分和空分復(fù)用方法，即可以實(shí)現(xiàn)溫度和壓力的同時(shí)測(cè)量。

3 技術(shù)參數(shù)

3.1 光纖F-P腔壓力傳感元件技術(shù)參數(shù)

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(zhǎng)期穩(wěn)定性： 0.5%F.S/年。

3.2 光纖FBG溫度傳感元件技術(shù)參數(shù)

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(zhǎng)期穩(wěn)定性： 0.3%F.S /年。

4 應(yīng)用情況

在海上平臺(tái)試驗(yàn)井井成功下入了一根光纜串聯(lián)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(xù)工作8個(gè)月，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，可以確切反應(yīng)油井生產(chǎn)時(shí)內(nèi)部溫度壓力數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2所示。

（下轉(zhuǎn)第74頁）

（上接第75頁）

5 總結(jié)

在油藏監(jiān)測(cè)過程中，電子式壓力和溫度傳感器應(yīng)用較為廣泛，這些傳感器很難實(shí)現(xiàn)高溫溫度剃度和壓力剃度的測(cè)試，難以滿足井下永久性監(jiān)測(cè)的需要。光纖測(cè)試傳感器屬于機(jī)械型傳感器，沒有電子器件，封裝于不銹鋼外殼中可以實(shí)現(xiàn)高溫高壓的測(cè)試，通過對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)單根光纜串聯(lián)多個(gè)光纖傳感器，為油藏決策和開發(fā)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

本文通過論述基于該壓力計(jì)的井下多點(diǎn)光纖測(cè)試系統(tǒng)的工作原理及下井工藝，并將其在海上平臺(tái)的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行了分析。應(yīng)用結(jié)果表明，采用串聯(lián)方式的多點(diǎn)光纖測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)井下壓力和溫度梯度，能為油田管理、油藏動(dòng)態(tài)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：石平太（1982-），甘肅靖遠(yuǎn)人，本科，從事測(cè)試技術(shù)工作。