光纤传感器在石油测井中应用进展.docx

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1、光纤传感器在石油测井中应用进展摘要：光纤传感器在测井中得到了广泛的应用。到H前为止光纤传感器已经能够进行井下参数（压力、温度、多相流）的监测、声波览测、激光光纤核测井等，有一部分光纤测井技术已经商业应用。本文综述了光纤传感器在石油测井中的最新探讨与应用进展，最终指出了光纤测井的应用前景.关键词：光纤传感器：测井；井卜.监测一、前言光纤传感技术是20世纪70年头伴随光纤通信技术的发展而快速发展起来的新型传感技术，国外一些发达国家对光纤传感技术的应用探讨已取得丰硕成果，不少光纤传感系统己好用化，成为替代传统传感耀的商品在油田的开发过程中，人们须要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的具体

2、资料，这就要用到石油测井，其牢靠性和精确性是至关肃要的，而传统的电子战传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、裔压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感裾可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压（几卜兆帕以上）以及剧烈的冲击与振动.可以高精度地测量井筒和井场环境参数t同时,光纤传感器具有分布式测St实力，可以测腑被测量的空间分布，给出剖面信息。而且，光纤传感器横截面积小，外形短，在井筒中占据空间微小。光纤传感器在地球物理测井领域取得了长足的进步，全世界各大石油生产公司、测井服务公司以及各种光纤传感器研发机构和企业都参与了探讨、开发过程。为广开拓光纤传感器的应用领域，本文

3、综述光纤传感器在地球物理测井领域的探讨与进展，希里其探讨能够对进一步提而石油开发的水平作出贡献.二、光纤传腐器在测井上的探讨进展(一)储值参数监测1 .压力监测由于开发方案的须要，对油敏压力的管理须要特殊逆慎，这样做的目的是削减因在低于泡点压力的状态下开采所造成的原油损失，削减在注气过程中因油藏超压将原油挤入含水层所造成的原油损失。传统的井下压力监测采纳的传感密生要有应变压力计和勺英晶体压力计，应变式压力计受温度影响和滞后影响，而石英压力计会受到温度和压力急剧改变的影响。在压力监测时，这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题0井下光纤传感耦没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰实力强等

4、优点,而这些正是井下监测所必需的。美国CiDRA公司的在光纤压力监测探讨方面处于前沿，他们的科研人员发觉了布喇格光纤光栅传感器对压力的线性响应。已开发的传感黯能够工作到175C,200C和稍高温度的产品正在开发，250C是研发的卜.一个目标。不同温度和压力卜的压力测量误差，在测试范圉(0MPa-34.5MPa)内，均小于6.89kPa,相当于电子测址系统的最好的水平。目前,Cn)RA公司的光纤压力传感器的指标为:测程OTO3MPa,过压极限129MIa,精确度41.3kPa,辨别率2.06kPa,长期稳定性34.5kPa/yr(连续保持150-C),工作温度范围25C175C,1999年该公司

5、在加利福尼亚的Haker油田进行压力监测系统的试验，结果表明该系统具芍特别高的精度,目前已经交付商业销售。2001年该公司的压力传感器在英国BP公司的儿口井下安装,监测应力改变，结果表明其具有足够的牢旅性。美国斯伦贝谢油田服务公司Do1.1.探讨中心的TSUtOmUYamate等人对用布喇格光纤光栅传感器实行井下监测进行了长期的探讨，他们研制成种对温度不敏感的厕孔布喇格光纤光栅传感器.最高工作温度为300C,最高测量压力82MPa,在最高测量压力下，对温度的灵敏度微小,可以适用于井下的压力监测.2 .温度监测分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来供应一条监测生产和油乂的

6、新途径的潜力.因为井的温度剖面的改变可以与其它地面采集的资料（流量、含水、井口压力等）以及裸眼测井曲线对比，从而为操作在供应有关出现在井下的改变的定性和定量信息。传统的测温工具只能在任何给定时间内测量某个点的温度，要测试全范用的温度，点式传感器只能在井中来回移动才能实现，不行避开地对井内环境平衡造成影响。光纤分布式温度传感盟的优势在于光纤无须在检测区域内来回移动，能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被置于毛细钢管内，因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器测试。最广泛地应用于井卜.监测应用的光纤传感器之一就是喇曼反向散射分布式温度探测器，这种方法已经在测量井筒温度剖面（

7、特殊是在蒸汽驮井）中，得到了广泛的应用。分布式温度传感器要综合考虑测量的点数和连接器衰减，遇到的问题和解决方法为： 1）光纤以及连接密对信号的衰减问题,解决的方法为尽量削减连接罂的数目、采纳布明格光纤光栅传感器以及改进连接器的性能： 2）井下安装时简单损坏，解决的方法为配备娴熟工人、光纤传感器须要外部爱护屋、减小应力（包括射孔和温度引起的应力）。对于光纤分布式温度传感器系统，英国SenSa公司始终处于技术领先地位，有一系列产品问世，而且与各大石油公司合作，主动探窕光纤分布式湿度传感瑞在石油井下的应用.CiDRA公司也始终在探讨光纤温度传感器，目前该公司的温度传感器技术指标为：测量范用Oc175

8、U,精确度1C.辨别率0.1*C长期稳定性1.Cyr（150C下连续运用）。目前的光纤温度、压力传感隅的最主要的缺点之一就是温度压力交叉敏感特性，如何消退或者利用这种交叉敏感特性是探时的热点。多相流监测为了做好油藏监控和油田管理，最关键的环节是获得生产井和注水井稔定可信的总流饿剖面和各相流体的持率。然而，大多数油井分值开采，每屋含水狂不同，而且有时流速较大，给利用常规生产测井设备测量和分析油井的生产状况带来了巨大的困难。液体在油管中的摩阻和从油藏中向井筒内的喷射使得压差密度仪器无法精确测量，电子探头更是无法探测到液体中的小油气泡。光纤测址多相流有两种方法，第一种是美国斯伦贝谢公司的持气率光纤传

9、感仪，该仪器能干脆测域多相流中持气率。其四个光纤探头匀称地分布在井筒的横剖面中，其空间取向方位可用一个集成化的相对方位传感器精确测量1.在气液混合物中，通过探头反射的光信号来确定持气率和泡沫数出（这二者与气体流量相关联）.此外，利用每个探头的测量值来建立一种井中气体潦涧的图像，这些图像资料特殊适用于斜井和水平井,可以更好地了解多相流流型以及说明在倾斜条件下这些潦型固有的相分别。最近，这种仪器已在世界各地胜利地进行了测井试验。它供应的资料能干脆测定和量化多相混合物中气体和液体，能精确诊断并眼问题，并有助于生产调整。仪器通过了三口井的现场测试。其次种是通过测珏声速来确定两相混合流的相组分，因为混合

10、流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性，而这个相关性普遍存在于两相气/液和液/液混合流体系统中,同时也适用于多相混合流系统。依据混合流体的声速确定各相流体的体积分数，就是测量流过流量计的各单相体枳分数（即持率测量）。某一流体相持率是否等于该相流淌体枳分数，取决于该相相对于其它相是否存在严峻的滑脱现象。对于不存在严峻滑脱的油水两相混合流系统，可以用匀称流淌模型进行分析：对于存在严竣滑脱现象的流淌状态，则必需应用更完善的滑脱模型来说明潦域计测状的数据，才能精确地确定各相的流散。经流淌循环试验表明：对于油水混合流体，流量计的长波长声速测量可以确定各相体积分数（即持率），而不受流淌非均质性（如乂

11、状流淌）的影响.CiDRA公司挖掘了光纤传感器内在的优势，开发了井卜.光相多相流传感器。目前的样品只局限在测量准匀称流体：如油、水两相或油、水、气三相（气相体积份数小于20%）。为了考察这种新型的光纤多相流传感器在生产井中测量油、水、气三相的性能，CiDRA最近在一门测试并进行了试验。在测试井中混合了油、水和气体，混合物包括粘度为32AP1.的油、7%矿化度的水和矿厂自然气（甲烷），测试温度100oF,压力2.75Mpa。在0%.To0%含水率范围内，仪器测量:误差小丁士5%,精度满意要求该流员计能够确定原油和盐水混合物中的持水率，在持水率全址程中其误差为5%以内，满意生产要求。而且除J能够测

12、量持水率之外，该仪器还测试了三相中气体的体积含量，只是测试中油水的比例已知。结果表明，该仪器能够求出以泡沫流流出型出现的液体中的气体体积百分数。 -）声波测垃与过去相比，勘探开发公司如今面临更大的风险和更困难的钻井环境，因此获得精确的地层构造图和油藏机理具有重要意义。目前运用的地凄测量方法，如拖曳等浮电缆检波器组、临时海底布放地爬检波瑞和井下电缆布放地表检波器等，能供应目的产油区域的测量，但这些方法具有相对离的作业费用，不能下入井内或受环境条件的限制等，而且供应的图像不全面、不连续，辨别率不是很高，因此难T实现连续实时油藏动态监测“基于光纤的井下地飕检波器系统能够解决这些问题，它能供应整个油井

13、寿命期间永久高辨别率四维油藏图像，极大便利了油藏管理。这种井下地膜加速度检波第能接收地罐波，并将其处理成地层和流体前线图像。永久井卜光纤3重量地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度空间图像，不仅能供应近井眼图像，而且能供应井限四周地层图像.在某些状况卜.测量范围能达数千英尺。它在油井的整个寿命期间运行，能经受恶劣的环境条件（温度达175.压力达IQOMPu）,且没有可移动部件和井下电子踞件，被封装在直径2.5Cm的爱护外壳中，能经受强的冲击和振动，可安装到困难的完井管柱及小的空间内.此外，该系统还具有动态范围大和信号频带宽的特点，其信号频带宽度为3Hz800Hz,能记录从极低到极高频率的

14、等效响应。（三）激光光纤核测井技术激光技术和光纤技术可以用丁研制井下传感器，用F在充有原油和泥浆等非透亮流体的井中进行测井对丁激光光纤核传感器的探讨在国外比较盛行，美国、籍国、俄罗斯和比利时等国均有大量的有关探讨论文。激光光纤核传感器是在光纤通信和光纤传感器的础上产生的，它利用了光致损耗和光致发光等物理效应，比常规核探测器具有更多的优越性，是典型的学科交叉.光纤核测井技术，事实上就是在特定的环埴下的核探测技术，其典型的优点为：1 .可发针对不同的核探测的能级范树，研制在该范围的敏感探头。2 .因为应用了光致发光效应，可使探头位r米的井下，而光电倍增管由传输光缆相连重于井上，远离了恶劣的井下环境

15、（高温高压），从而延长其的运用寿命，3 .光纤具有高速率、大容量传输实力，还能搭载其他井下仪器信号。然而，激光光纤核探测器也有缺点，主要表现在耐高温柔承受高压的爱护涂层、传输光缆的机械强度以及耐幅射的传输光缆低衰减损耗。三、结论与展里从本文的分析可以看出，光纤传;器以其独特的优势，可以广泛应用于石油自然气井下的储层参数监测（包括温度、压力和多相流）、声波检测和激光光纤核测井之中，极大地丰富J石油和自然气公司对储层的解.便于优化油气田开采和维护。值得一提的是，该系统能够刚好得到注采的注水压力和温度，从而推断压力是否超标，从而预防由下压力超标导致的套管损坏，这是个全新的领域,国内外关于此方面尚未有

16、报道和介绍.到目前为止，全世界各大石油生产和服务公司都投入了巨资来探讨和开发光纤传感器在储层评价中的应用，还有相当多的光纤传感器研发机构也致力于这一新兴领域的工作。可以设想，卜.一代光纤传感器在克服自身的缺点和劣势以后，将大面枳推广，能更有效地帮助实时了解油气开采动态的水平。各大油I1.1.公司能够充分利用这些有利的信息，实现和维持油田的最优化生产，从而使油藏达到最高的采收率.同时，由T因特网的飞速发展，光纤监测的井况参数可以刚好传递，这使得石油行业相关的生产和服务公司能够更有效地分析和评价全世界的资产。油罐温度监测系统随着国民经济的飞速发展，石油及石油产品在生产、生活中的应用越来越广泛，各类

17、油库,加油站日益增多，而油遽是储存散装油料最为重要的设备,油罐储油是当前应用最普遍的一种储油方式。油罐内储存的各种油品般都具仃易挥发、易流失、易燃烧、易爆炸等性质，一1.1.发生火灾，必将造成重大的损失。所以对油罐实行合适的监控措施，防患于未然具有重大的实际意义。油罐温度是关系油选平安的最干脆的因素，所以温度监测是比较干脆有效的方法。传统的油遵温度监测中，一般都采纳电类仪表，不易组网，很难实现智能监控。光纤光栅(FBG)传感器作为“90年头光纤传感领域最重要的独创”。可以用来测址多个物理垃，包括应变，应力，温度，振动，压力，以及些化学量。其应用领域特别的广泛。FBG是种全光纤器件，其牢咏性好，

18、测量精度高,线性度好,测量范围大，而且抗电磁干扰：同时FBG传感器阵列最大的优势在于可以实现分布式的传感网络。对物体进行多点测量。提取相关的信号，进行状态分析。达到示警以及故障诊断的目的。MO1.公司生产的光纤光栅测温系统，主要包括光纤光栅传感分析仪，温度传感头以及通讯光缆组成。传感分析仪S1.nI25系列具有50此的动态范围，可实现50km以上距离的监测。由传感网络是全光信号，在监测区域内不存在任何光信号，可以做到本征防爆.传感分析仪可实现软件报警.及扩展声光报警功能。可对监测点进行预警温度、报警温度及温升报警温度设置，可有效的做到有效推断，刚好实行有效措施。温度传感器采纳专利技术封装，具有

19、精度高，温度实时性好，运用寿命长等特点。是传统传感器良好的替代产品.假如大家仃爱好，请联系我，我将把更详尽的资料发给大家,感谢！光纤传感器的应用近年来，传感器在朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和才智化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这个传感耀家族的新成员倍受育眯。光纤具有许多优异的性能，例如：抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能.绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐嬴温、耐腐蚀的化学性能等，它能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用，而1还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纤传感器是最近几年出现的新技术，可以

20、用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测地任务.在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的实力。目前光纤传感器已经有70多种，大致上分成光纤自身传感器和利用光纤的传感器。所谓光纤自身的传感器，就是光纤自身干脆接收外界的被测量。外接的被测量物理地能够引起测量臂的长度折射率、直径的改变，从而使得光纤内传输的光在振幅、相位、频率、偏振等方面发生改变测量鹘传输的光与参考博的参考光相互干涉（比较），使输出的光的相位（或振幅）发生改变,依据这个改变就可检测出被测量的改变。光纤中传输的相位受外界影响的灵敏度很高，利用干

21、涉技术能够检测出10的负4次方弧度的微小相位改变所对应的物理量。利用光纤的绕性和低损耗，能够将很长的光纤盘成直径很小的光纤网，以增加利用长度，获得更高的灵敏度。光纤声传感器就是一种利用光纤自身的传感器。当光纤受到一点很微小的外力作用时，就会产生微弯曲，而其传光实力发生很大的改变，声音是一种机械波，它对光纤的作用就是使光纤受力并产生弯曲，通过弯曲就能够得到声音的强弱。光纤陀螺也是光纤自身传感溺的一种，与激光陀螺相比，光纤陀螺灵敏度高，体枳小，成本低，可以用于飞机、舰船、导弹等的高性能惯性导航系统。如图就是光纤传感器涡轮番量计的原理。另外一个大类的光纤传感器是利用光纤的传感器。其结构大致如下：传感

22、器位于光纤端部，光纤只是光的传输线，将被测量的物理量变换成为光的振幅，相位或者振幅的改变.在这种传感瑞系统中，传统的传感器和光纤相结合.光纤的导入使得实现探针化的遥测供应可能性。这种光纤传输的传感器适用范围广，运用简便，但是精度比第一类传感器梢低。光纤传感平安监测系统系统的工作方式系统工作流程为:首先通过光纤传感器，将被测对象的参量改变转换为光脉冲信号，并通过光纤传送给光电转换器:其次光电转换器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，井进行放大整形，传给二次仪表;然后二次仪表对光电转换器输出的电脉冲信号进行线性化处理，并进行仪表的量程、灵敏度等调整，以数字形式显示被测参址，二次仪表采纳出行通讯方式(RS

23、232和RS485)同监测系统采臾机相连，监测系统采集机应用组态软件MCGS对二次仪表传送过来的信息进行处理，并实现对被监测参量的显示、报警、计量、报表处理等功能，从而实现对被测参地的自动监测。监测系统采集机通过网卡，并应用TCP/IP网络协议将监测信息传送给局域网，形成平安监测信息网络系统，进而实现各办公室和值班室共享监测信息2251。现场测木部分(I)液位检测器件为GY-n光纤液位计。经过细心设计、制作、安装调试，其测量精度可达到，而且本质防爆。(2)GYB一J光纤液位高位报警器能对油送储油高油位进行硬报警.起到双保险作用，同时作为限制油泵停机的连锁信号(3)G私1温度测量器件作为光纤温度传感器，其作用是测量油域的当前温度，当前温度也是当前密度的计算参量。室内监控部分由计算机组成的室内监控部分包括上位机和卜位机。卜位机负力信号的采集、处理:上位机为人机界面，负贵信号的显示、监控、报表、打印、组成网络等功能。研华工控机1PC610.512M内存,80G硬盘HPIOIo打印机UPS（不间断电源）