高精度光纤传感系统及其在油田测井中的应用

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测井是石油工业中最基本和最关键的环节之一,通过对井下压力、温度等重要物理参量的实时监测,及时获取井下信息,对优化采油方案、提高油田开采效率等有着重要的意义。光纤传感器由于具有体积小、本质安全、灵敏度高、耐高温高压以及抗电磁干扰等优点得到了石油行业的高度关注。准确性、可靠性以及成本问题是光纤传感器在油井监测应用中最受关注的问题。本文围绕这三个问题,主要做了以下工作:对光纤EFPI传感器腔长的大范围高分辨率解调技术做了深入的研究与讨论。在详细分析现有腔长解调算法解调性能的基础上提出了游标式解调算法,该算法以傅立叶变换解调算法来跟踪腔长变化,以基于最小均方误差估计的解调算法做腔长的精细解调,实现了EFPI传感器腔长的大动态范围和高分辨率的同时解调。设计了基于光纤F-P干涉仪的微位移传感器来检验游标式解调算法的解调性能。结果表明,游标式解调算法的腔长解调范围达3mm,解调分辨率为0.084nm,相对分辨率达3×10-8。为改善光纤EFPI传感器的长期测试可靠性,设计并搭建了基于激光诱导化学气相沉积方法的碳膜生长装置,成功制作出了碳膜涂覆的光纤EFPI传感器(Carbon-coated EFPI sensor, C2EFPI sensor)。并以扫描电子显微镜及拉曼光谱分析作为检测手段分析了沉积温度、沉积压强以及气源种类等因素对碳膜质量的影响,优化了沉积参数。最后,对C2EFPI传感器做了性能测试,结果表明C2EFPI传感器碳膜的拉曼光谱R值为1.03;在九个月的时间内,C2EFPI传感器在300℃及72MPa的环境下腔长波动范围在1nm之内,迟滞误差小于0.01%F.S.,重复性误差小于0.05%F.S.,压强测量偏差优于0.05%F.S.。另外,振动试验表明C2EFPI传感器还有着很强的环境适应性及质量可靠性。针对如何降低光纤传感器测井成本的问题,对基于FBG的准分布式温度测试系统做了详细而深入的研究。详细讨论了传感器复用容量、解调精度以及高温封装等关键问题,实现了单通道26个FBG的复用测试以及耐受300℃高温的传感器封装。系统性能的实验测试结果表明在250℃的测温范围内,系统温度测量分辨率优于0.15℃,温度测量误差小于0.5%F.S.,重复性误差小于0.13%F.S.,长期漂移小于0.2%F.S.。对光纤分布式温度传感器(DTS)与EFPI压力传感器的复用技术做了详细的分析及讨论。在深入分析DTS及光纤EFPI压力传感器的工作机理的基础上提出了基于宽带光纤波分复用器的复用方案,实现了利用单根光纤来同时测试井筒分布式温度与井下定点压力的测井技术。现场测试结果表明该复用方案操作简单,长期测试性能稳定,与传统测试方案相比,可以节省一根光纤,进一步降低了光纤传感器的测井成本。
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