油井探测光纤传感系统发展与应用综述

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1、油井探测光纤传感系统发展与应用综述四川汇源光通信有限公司秦要武摘要本文介绍了油井探测光纤传感系统，主要从光纤传感系统、传感系统用光纤、传感系统用光缆几个方面来综合论述油井探测传感系统的发展和应用现状。关键词：油井探测传感发展应用引言随着石油资源不断减少，价格的高涨，催生石油开采技术的不断发展，以提高油井的产量，最大限度发掘资源的利用率。其中用于辅助石油开采的重要技术油井探测传感光缆及系统应用市场日益受到关注，在油田的开发过程中，人们需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详细资料，以及注蒸汽井的

2、吸汽剖面测试和采油过程中的井筒热场分布状态，从而科学指导油藏开发和生产管理这就要用到油井探测，其可靠性和准确性是至关重要的，而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感系统可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压（几十兆帕以上）以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤传感系统具有分布式测量能力，可以测量被测量的空间分布，给出剖面信息。而且，光纤传感系统横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小。随着技术不断

3、进步和成熟，光纤传感系统在油井探测领域获得广泛的应用，石油公司、测井服务公司、光缆公司、光纤传感器公司都参加了研究、开发、应用过程。本文综述了光纤传感系统在油井探测领域的发展与应用，总结在系统逐步商用中存在的一些问题。一光纤传感器系统光纤传感系统利用光纤很多优异的性能，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、耐高温、耐腐蚀的化学性能等构成一类新的传感系统，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，而且还能超越人的

4、生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。在油井探测领域应用最多的是光纤光栅传感系统和DTS分布式光纤传感系统。光纤光栅传感系统的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现准分布式传感，加上光纤光栅具有普通光纤的许多优点外，且本身的传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响的特点，因此光纤光栅传感系统能够较为

5、准确的对油井中的温度、压力进行测试。DTS分布式光纤传感系统最常用和技术较为成熟的是基于拉曼效应的分布式光纤传感技术，光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光．斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度的关系可由下式表示：R(T)=(λa/λs)4e(hcv0/kT)　　　　　(1)式中　λa、λs分别为斯托克斯光和反斯托克斯光波长；h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数；v0为入射光频度；T为绝对温度，即：1/T=-

6、k/hcv0[lnR(T)+4ln(λa/λs)](2)对于固定的温度(恒温槽内定标温度)有：1/T0=-k/hcv0[lnR(T0)+4ln(λa/λs)](3)由(2)，(3)式可以得到：1/T=1/T0-k/hcv0[lnR(T)-lnR(T0)](4)由(4)式可以看出探测反斯托克斯光与斯托克斯光强度之比就可得到测量温度。与光时域反射技术(即OTDR技术)结合就可构成分布式传感器。采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响，目前最好空间分辨力和温度分辨力分别能达到

7、1m、1℃，测量范围为4～8km。DTS分布式传感系统和光纤光栅传感技术有所不同，DTS光纤传感系统是基于光强度信号探测，而拉曼散射中的反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，因此通过探测反斯托克斯光的强度来探测温度，在实际应用中，由于反斯托克斯光非常微弱，因此需要足够的光强度和百万数量级的采样次数才能探测到温度，由于光在光纤中的传输速度是无法改变的，因此采用DTS传感系统测温在考虑定位精度、测温精度、反应灵敏度、空间分辨率等方面必须综合考虑，在反应时间和测温精度方面DTS技术较光纤光栅传感技术要稍显劣势，但

8、是DTS技术可以连续大长度上分布式进行测试，这是即使多套光纤光栅串联构成的准分布式系统也无法比拟的，还有DTS技术不需要解决光栅与光缆的连接密封技术难题，直接利用多层不锈钢管密封构成的光缆作为传感器以抵御井下高温、高压、高酸腐蚀等恶劣环境并保持长期工作。这两种技术各有优劣，要根据油井具体的环境和采集数据的应用需求综合评估后再选择合适的系统。二光纤传感器系统用光纤在油井中最常用的是DTS分布式传感系统和光纤光栅传感