在石油化工系統(tǒng)中,由于井下環(huán)境具有高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強等特點,使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮作用。然而光纖本身不帶電,體小質(zhì)輕,易彎曲,抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用,因此光纖傳感器在油井參數(shù)測量中發(fā)揮著不可替代的作用,它將成為可應(yīng)用于油氣勘探及石油測井等領(lǐng)域的一項具有廣闊市場前景的新技術(shù)。
1、光纖傳感器在油氣勘探中的應(yīng)用
光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡(luò)、分布式的感應(yīng)能力,以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點,使得在勘探鉆井方面尤其獨特的優(yōu)勢。
應(yīng)用光纖傳感器可以制成井下分光計,分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業(yè)要求的產(chǎn)品。
?。?/font>1)井下分光計
流體分析儀可用于了解初期開發(fā)過程中的原油組成成分。它由兩個傳感器合成:一個是吸收光譜分光纖,另一個是熒光和氣體探測器。井下流體通過地層探針被引入出油管,光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計則提供了原位井下流體分析,并對地層流體的評估加以改進。
?。?/font>2)分布式溫度傳感器
光纖分布式溫度傳感器是井下應(yīng)用最為流行的光纖傳感器。應(yīng)用實例是監(jiān)測注水蒸氣重油開采系統(tǒng)。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度,使稠油能夠開采出來。井下蒸汽溫度可高達(dá)250℃以上。
(3)壓力傳感器
側(cè)孔光纖式壓力傳感器目前正在研發(fā)中,其主要致力于超高溫和井下壓力監(jiān)測任務(wù)。目前基于光纖傳感器已經(jīng)出現(xiàn)其他商業(yè)產(chǎn)品,例如,用于多相流測量和分布式動態(tài)應(yīng)變測量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術(shù)優(yōu)勢是光纖產(chǎn)品在油田應(yīng)用上取得成功的關(guān)鍵因素。
2、光纖傳感器在石油測井中的應(yīng)用
石油測井是石油工業(yè)最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量,通過先進的技術(shù)手段對這些量進行長期的實時監(jiān)測,及時獲取油氣井下信息,對石油工業(yè)具有極為重要的意義。
光纖傳感器對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件,包括高溫、高壓以及強烈的沖擊與振動,可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數(shù),同時,光纖傳感器具有分布式測量能力??梢詼y量被測量的空間分布,給出剖面信息。而且,光纖傳感器橫截面積小,外形短,在井筒中占據(jù)空間極小。而這些特性都是傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境下所不具備的。利用光纖傳感器可以進行井下流量測量、溫度測量、壓力測量、含水(氣)測量、密度測量、聲波測量等。
(1)流量測量
由于光的強度、相位、頻率、波長等特性在光纖傳輸?shù)倪^程中會受到流量的調(diào)制,利用一定的光檢測方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號,就可以求出流體的流量,這就是光纖流量計的工作原理。
(2)溫度及壓力測量
分布式光纖測量系統(tǒng)(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng),可以對光纖所在的溫度場進行實時監(jiān)測,EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纖傳感器為波長編碼型傳感器,具有靈敏度高、可同時測量壓力、溫度、應(yīng)力等多個參量的特點。
光纖熱色溫度傳感器是由白光源、多模光纖組成的反射式溫度傳感器;光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量,其非接觸,可測瞬問溫度,響應(yīng)速度快,不需要熱平衡時間,可用于高溫測量;半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導(dǎo)體材料的吸收邊波長隨著溫度的增加而向較長波長位移的特性,選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管,使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域,這樣透過半導(dǎo)體的光強就隨著溫度的增加而減少。
(3)含水(氣)率及密度測量
U型光纖的傳輸功率隨外界介質(zhì)折射率變化而變化,光波作為信息載體,與混合流體電阻率、流型及水質(zhì)無關(guān),基于該原理的光纖持率/密度傳感器從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率存在的高含水無分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用問題,對于多相流體油、水、氣的折射率各不相同,因而混合流體的折射率會隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調(diào)制型光纖傳感器不僅能測流體持率,可同時測流體密度,其精度較高。
(4)聲波測量
地震波在不同的介質(zhì)中傳播,接收到的地震波波形就會不同,根據(jù)不同的地震波形態(tài),可識別地層沉積序列和沉積構(gòu)造,為儲層定位、判斷竄槽、檢測套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測井,就是把檢波器放人井中,通過地面擊發(fā)的地震波或利用井中流體流動等產(chǎn)生的微震動,由井中的檢波器接收地震信號。永久井下光纖三分量地震測量具有高的靈敏度和方向性,能產(chǎn)生高精度的空間圖像,不僅能提供近井眼圖像,而且能提供井眼周圍地層圖像,測量范圍能達(dá)數(shù)千公里。它能經(jīng)受惡劣環(huán)境條件,且沒有可移動部件和井下電子器件,能經(jīng)受強的沖擊和震動,可安裝在復(fù)雜的完井管柱極小的空間。
(5)激光光纖核測井技術(shù)
激光技術(shù)和光纖技術(shù)可以用于研制井下傳感器,用于在充有原油和泥漿等非透明流體的井中進行測井。對于激光光纖核傳感器的研究在國外比較盛行,美國、德國、俄羅斯和比利時等國均有大量的有關(guān)研究論文。
激光光纖核傳感器是在光纖通信和光纖傳感器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,它利用了光致?lián)p耗和光致發(fā)光等物理效應(yīng),比常規(guī)核探測器具有更多的優(yōu)越性,是典型的學(xué)科交叉。光纖核測井技術(shù),實際上就是在特定的環(huán)境下的核探測技術(shù),其典型的優(yōu)點為:
(1)可以針對不同的核探測的能級范圍,研制在該范圍的敏感探頭。
(2)因為應(yīng)用了光致發(fā)光效應(yīng),可使探頭位于千米的井下,而光電倍增管由傳輸光纜相連置于井上,遠(yuǎn)離了惡劣的井下環(huán)境(高溫高壓),從而延長其的使用壽命。
(3)光纖具有高速率、大容量傳輸能力,還能搭載其他井下儀器信號。
然而,激光光纖核探測器也有缺點,主要表現(xiàn)在耐高溫和承受高壓的保護涂層、傳輸光纜的機械強度以及耐輻射的傳輸光纜低衰減損耗。