專利名稱：光纖壓力、溫度雙參數(shù)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感器在油井壓力和溫度測量中的應(yīng)用技術(shù)，具體地說是能夠?qū)崿F(xiàn)井下溫度和壓力雙參數(shù)實(shí)時監(jiān)測的光纖壓力、溫度雙參數(shù)傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著油田的不斷開采，油氣井深度的不斷增加，電子類傳感器很難滿足工程環(huán)境的需要。國內(nèi)外1W石油業(yè)界的工程實(shí)踐表明井下溫度每升高18℃，電子產(chǎn)品的故障率就會增大1倍。即使全部采用軍品級的電子元器件，也只能用于溫度不超過125℃的油氣井中，而稠油注氣井的開采溫度高達(dá)300℃以上，這樣傳統(tǒng)的電子類傳感器根本無法滿足要求，由于無法對油氣井的井下參量進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確地監(jiān)測，堵蠟、入水、出沙等故障導(dǎo)致的關(guān)井現(xiàn)象時有發(fā)生，這就造成油氣井的采收率較低，資源浪費(fèi)，從而導(dǎo)致整個生產(chǎn)成本偏高。
為改變這一現(xiàn)狀，各石油大國均投入大量的人力和物力，研究新型的傳感器件以替代電子類傳感器件，在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)，導(dǎo)致了“智能井”技術(shù)的問世和飛速發(fā)展?！爸悄芫奔夹g(shù)是以最大限度地提高采收率、獲取長遠(yuǎn)的最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的。從原理上分析，“智能井”可視為一閉環(huán)控制系統(tǒng)地面控制設(shè)備根據(jù)永久安裝于井下的壓力、溫度等傳感器所讀取的測量數(shù)據(jù)，通過氣動、液動或電動方式實(shí)時控制井下節(jié)流閥、滑套、封隔器、層間控制閥等執(zhí)行器，及時調(diào)整產(chǎn)出量和采取相應(yīng)的預(yù)防措施，保證開采作業(yè)的安全、高效運(yùn)行。
“智能油井”的關(guān)鍵是耐高溫、高壓、腐蝕的高性能傳感器；光纖溫度、壓力、流量等傳感器在油井的實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測對于優(yōu)化采油方式和條件具有重大潛力。光纖傳感器具有靈敏度高，體積小，電絕緣性能好，耐高溫，抗電磁干擾，頻帶寬，可實(shí)現(xiàn)不帶電的全光型探頭等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)式或空間連續(xù)分布式測量。
自1993年挪威的AlcatatelKabel公司開展光纖傳感器的油氣井應(yīng)用研究以來，先后有挪威Optoplan A.S.公司、美國Virginia理工大學(xué)、Cidra公司、Sabeus公司，以及BP，Chlumberger，Weatherford等跨國石油公司開展了相應(yīng)研究。其中有特色的工作有1993年，挪威Optoplan A.S公司在1993-1999年間，共有10套井下光纖測量系統(tǒng)投入到實(shí)際應(yīng)用中，證實(shí)了光纖傳感技術(shù)在油氣井下環(huán)境中應(yīng)用的可行性；1997-1999年，英國的Sensor dynamics公司制作出了油氣井用SD2000系列馬赫一澤德(M-Z)光纖干涉型壓力傳感器，壓力測量范圍達(dá)0-110MPa，并采用低相干光干涉技術(shù)構(gòu)建了多傳感器復(fù)用測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本偏高。1998年～2003年，Virginia理工大學(xué)開展了基于非本征型Fabry-Perot光纖干涉儀(EFPI)的油氣井下溫度、壓力、流量、地震波測量研究工作，他們采用干涉法和強(qiáng)度法相結(jié)合的自校正解調(diào)(SCAB)方式，驗(yàn)證了EFPI用于該領(lǐng)域的可行性，并制作出了傳感器樣品，該項(xiàng)目組也在繼續(xù)開展工程技術(shù)方面的研究。2000年，Schlumberger石油公司研發(fā)出了用于高溫注氣井溫度監(jiān)測的DTS測量系統(tǒng)，在全球內(nèi)先后有數(shù)百套DTS測量系統(tǒng)投入使用，該系統(tǒng)是基于拉曼(Raman)散射原理工作的，只能實(shí)現(xiàn)溫度的高精度分布測量，無法對壓力、流量等參量進(jìn)行測量。此外，該公司還開展了在包層中帶有兩個側(cè)孔(Side-hole)的高雙折射光纖上刻寫FBG傳感器并用于油氣井下壓力測量的工作，該技術(shù)具有同時進(jìn)行溫度和壓力檢測的潛力；在高溫測量方面，美國的Sabeus光子公司開發(fā)出了LS DTS-250型油氣井下溫度監(jiān)測系統(tǒng)，在12000m的單井中實(shí)現(xiàn)了100個FBG溫度傳感器的波分復(fù)用測量，設(shè)計(jì)和適用壽命可達(dá)10年之久。在FBG壓力傳感方面，該公司已有單點(diǎn)式產(chǎn)品問世，多點(diǎn)準(zhǔn)分布式壓力監(jiān)測系統(tǒng)的研制工作仍在進(jìn)行中；美國的Weatherford公司開發(fā)出了一系列用于智能井監(jiān)控的壓力、溫度、多相流量、地震波測量儀器，在光纖傳感油氣勘探和開發(fā)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，但該系統(tǒng)成本非常高，很難在我國產(chǎn)量普遍較低的油井推廣應(yīng)用。在我國，自上世紀(jì)90年代中期以來，清華大學(xué)，浙江大學(xué)，天津大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，西安石油大學(xué)，中科院西安光機(jī)所、南開大學(xué)等單位都開展了光纖傳感器以及對油氣井下壓力、溫度測量的研究工作，在理論和試驗(yàn)方面都取得了重要進(jìn)展。但是，能夠滿足油井高溫，高壓，腐蝕環(huán)境下的光纖測量系統(tǒng)還未實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。
2005年9月20日申報的高性能光纖壓力傳感器(專利申請?zhí)?00510044743.X)采用了一根光纖測量壓力信號，一根光纖布拉格光柵測量溫度信號，并通過檢測的溫度對壓力進(jìn)行補(bǔ)償。在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明重新設(shè)計(jì)了傳感器探頭結(jié)構(gòu)，整體尺寸實(shí)現(xiàn)了小型化，極大滿足了現(xiàn)場測井安裝空間狹小的要求，采用了一根光纖布拉格光柵實(shí)現(xiàn)了壓力溫度同時測量，并能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；簡化了封裝設(shè)計(jì)。該光纖光柵壓力溫度傳感器在石油化工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡單的光纖光柵壓力、溫度雙參數(shù)傳感器設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)壓力溫度的同時測量，并帶有溫度補(bǔ)償功能，適用于油田、化工等領(lǐng)域的壓力測量。本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的光纖壓力溫度傳感器測試原理如圖1所示，從大功率寬帶自發(fā)輻射光源(ASE)發(fā)出的光經(jīng)1550nm單模光纖環(huán)行器、數(shù)公里高溫光纜傳輸?shù)焦饫w光柵壓力溫度傳感器探頭，從探頭反射回的帶有壓力溫度信號的光進(jìn)入模塊化的小型光譜儀探測，其輸出的數(shù)字信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，再用自編軟件實(shí)時計(jì)算出琺-珀腔的長度和溫度波長的變化量，并分別將琺-珀腔的長度和溫度波長的變化量轉(zhuǎn)換為當(dāng)前壓力和溫度值。
光纖光柵壓力溫度傳感器探頭的設(shè)計(jì)如圖2所示，首先是感應(yīng)外界壓力的圓筒式膜片的設(shè)計(jì)，圓筒會發(fā)生彈性變形，底部平膜片中心產(chǎn)生微位移，光纖端面與平膜片中心之間的距離變化從而反映出外界壓力的變化。而溫度的響應(yīng)是通過在同一根光纖上刻寫的布拉格(Brag)光柵受溫度變化時其反射波長移動來反映的。
傳感器探頭分壓力膜片和壓力基座兩部分，均采用低膨脹恒彈合金T12制作。我們采用了激光焊接技術(shù)將壓力膜片和壓力基座連接為整體。激光焊接是將高強(qiáng)度的激光輻射至金屬表面，通過激光與金屬的相互作用，金屬吸收激光轉(zhuǎn)化為熱能使金屬熔化后冷卻結(jié)晶形成焊接。其主要優(yōu)點(diǎn)有焊縫窄、穿透性強(qiáng)、焊縫兩邊平行、熱影響區(qū)??；在真空或局部真空中進(jìn)行，穿透能力強(qiáng)；焊接速度快，焊縫窄且熱影響區(qū)小，因而變形小。這就保證了傳感器材料的單一性和在高壓下的密封性。
由于安裝尺寸有限，在探頭整體直徑一定的情況下，為了保證在高壓下不產(chǎn)生塑性變形，膜片中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3，可將圓筒底部膜片看作周邊固支的平膜片，在均布壓力P作用下，其撓度Y為
Y=3P(1-μ2)16Eh3(a2-r2)2]]>①式中E、a、r、μ、h分別為彈性模量、平膜片的有效半徑及任一點(diǎn)的半徑、泊松比、厚度。在平膜片的中心(r＝0)處，可以得到最大撓度Ymax=3Pa4(1-μ2)16Eh3]]>②即D-Do=3Pa(1-μ2)16Eh3]]>③其中D為P壓力下膜片中心與光纖端面之間的距離，D0為初始壓力P0作用下膜片中心與光纖端面之間的距離。
膜片的厚度為h=33Pa4(1-μ2)16Ymax]]>④在一定的壓力作用下，圓筒底部中心的位移可以分為三部分進(jìn)行計(jì)算(1)底部的圓板的中心撓度由式②得出；(2)圓筒壁的拉伸變形產(chǎn)生的形變Δl；(3)圓筒的法蘭部分受壓時產(chǎn)生的撓度ω2。第二部分圓筒壁的軸向應(yīng)變所產(chǎn)生的形變?nèi)纰芩?，其中pa內(nèi)壓；pb-外壓Δ=lE(b2-a2)[paa2-2μ(paa2-pbb2)]]]>⑤另外，圓筒的法蘭部分的最大撓度ω2可近似為ω2=α12Pa2Eh3]]>⑥α12-撓度系數(shù)(與b/R有關(guān))，且當(dāng)b/R≥0.8時，α12＝0.
由以上分析可知，圓筒底部中心的總位移應(yīng)為②、⑤⑥三式之和。考慮到加工因素，法蘭邊的厚度和圓筒壁厚遠(yuǎn)大于圓筒底部膜片的厚度，所以⑤⑥引起的位移基本上可以忽略不計(jì)。
當(dāng)傳感探頭被置于一定的壓力環(huán)境中，由于膜片始終在其彈性范圍內(nèi)形變，所以壓力與膜片撓度之間為線性關(guān)系P＝k·(D-D0)+P0式中，P為某一時刻的環(huán)境壓力；k為兩者之間的線性系數(shù)；P0為初始壓力值。
當(dāng)溫度變化(ΔT)時，由于熱脹效應(yīng)使光纖光柵伸長而改變其光柵周期，即ΔΛΛ=α·ΔT]]>式中Λ為光柵周期(紫外光照射光纖時對纖芯折射率進(jìn)行調(diào)制的周期，所謂調(diào)制，就是使沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化，當(dāng)芯層折射率受到均勻周期性調(diào)制后，即成為光纖布拉格光柵(FBG))，nm；ΔΛ為FBG周期變化，nm；α為材料的膨脹系數(shù)，℃-1；ΔT為溫度變化值，℃。另一方面，由于熱光效應(yīng)使光柵區(qū)域的折射率發(fā)生變化，即Δneffneff=-1neff·dneffdV·dVdT·ΔT,---(2)]]>式中V為光纖的歸一化頻率，是一個與光波頻率和光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的參量，通常用它表示光纖所傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)；neff為光柵有效折射率；T為溫度。溫度變化引起的光纖光柵波長漂移主要取決于熱光效應(yīng)，它占熱漂移的95％左右，可以表示為ϵ=-1neff·dneffdV·dVdT---(3)]]>式中ε為熱光系數(shù)，℃-1，。所以，溫度對光纖光柵波長漂移總的影響為λ-λ0λ0=(α+ϵ)·(T-T0),---(4)]]>式中λ0為光柵的中心波長；λ為受溫度影響后的光柵中心波長，nm。由上式可以看出光纖光柵波長變化量與溫度變化量呈線性關(guān)系。
T-T0＝β·(λ-λ0)式中β=1λ·(α+ϵ),]]>T為變化后的環(huán)境溫度；T0為變化前的環(huán)境溫度。
所以T＝T0+β·(λ-λ0)按照上述光纖光柵壓力溫度傳感器探頭的設(shè)計(jì)，琺珀腔腔長對溫度有一定的敏感性。利用光纖光柵壓力溫度傳感器探頭實(shí)時檢測的溫度就能夠達(dá)到對壓力測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> P＝P0+k[(D-θ(T-T0))-D0]P＝P0+k[(D-θ·β·(λ-λ0)-D0]θ為探頭材料的熱膨脹系數(shù)若令γ＝θ·β，則P＝P0+k[(D-γ·(λ-λ0)-D0]


圖1、光纖光柵壓力溫度傳感器測量系統(tǒng)框2、光纖光柵壓力傳感器壓力膜片結(jié)構(gòu)示意3、光纖光柵壓力溫度傳感器壓力基座結(jié)構(gòu)示意4、光纖光柵壓力溫度傳感器壓力溫度探頭結(jié)構(gòu)示意5、實(shí)測帶有壓力溫度信號的光譜曲線
圖6、光纖壓力傳感器內(nèi)腔的距離隨壓力的變化關(guān)系圖7、光柵波長隨溫度的變化關(guān)系圖8、不同溫度下琺珀腔距離隨壓力的變化關(guān)系圖中1-大功率的自發(fā)輻射光源(ASE) 2-計(jì)算機(jī) 3-模塊化的小型光譜儀 4-1550nm單模光纖環(huán)行器 5-1550nm單模高溫傳輸光纜 6-油井 7-光纖光柵壓力溫度傳感器探頭 8-圓筒式壓力膜片 9-圓筒壁10-圓筒式膜片琺蘭部分 11-高溫光纖布拉格光柵 12-壓力基座 13-琺珀腔 14-激光焊接點(diǎn) 15-壓力膜片
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的光纖光柵壓力溫度傳感器系統(tǒng)，其中的寬帶光源使用了大功率的自發(fā)輻射光源(ASE)、1550nm單模光纖環(huán)行器、1550nm單模高溫傳輸光纜，將光纖光柵壓力溫度傳感器探頭與壓力表校驗(yàn)儀相連，在室溫下用壓力表校驗(yàn)儀給傳感器加壓，用解調(diào)儀測量光譜變化，進(jìn)而計(jì)算探頭的腔長。
本發(fā)明的光纖光柵壓力溫度傳感器，探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密封性好，并具有耐腐蝕、拋光性能好、易加工等優(yōu)點(diǎn)。對于20MPa范圍內(nèi)進(jìn)行了壓力測量，其結(jié)果基本上是線性的。較已有的技術(shù)方案簡化了封裝設(shè)計(jì)，降低了傳感器成本。該光纖傳感器在石油化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種適于油井狀態(tài)監(jiān)測的光纖壓力、溫度雙參數(shù)傳感器，其特征在于從寬帶自發(fā)輻射光源ASE(1)發(fā)出的光進(jìn)入單模光纖環(huán)行器(4)、再經(jīng)數(shù)公里單模高溫光纜(5)傳輸?shù)焦饫w壓力、溫度雙參數(shù)傳感器探頭(7)，從探頭反射回的帶有壓力、溫度信號的光再經(jīng)過單模光纖環(huán)行器(4)進(jìn)入模塊化的小型光譜儀(3)進(jìn)行解調(diào)，其輸出的數(shù)字信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(2)，再用自編軟件實(shí)時計(jì)算出琺-珀腔的長度和溫度波長的變化量，并分別將琺-珀腔的長度和溫度波長的變化量轉(zhuǎn)換為當(dāng)前壓力和溫度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適于油井狀態(tài)監(jiān)測的光纖壓力、溫度雙參數(shù)傳感器，其特征在于所述的傳感器探頭(7)分壓力膜片(8)和壓力基座(12)兩部分，均采用低膨脹恒彈合金T12制作；采用激光焊接技術(shù)將壓力膜片和壓力基座連接為整體；為了保證在高壓下不產(chǎn)生塑性變形，膜片(8)中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光纖壓力、溫度雙參數(shù)傳感器，其特征在于從寬帶光源ASE發(fā)出的光進(jìn)入單模光纖環(huán)行器、再經(jīng)高溫光纜傳輸?shù)焦饫w壓力、溫度雙參數(shù)傳感器探頭，從探頭反射回的帶有壓力、溫度信號的光再經(jīng)過單模光纖環(huán)行器進(jìn)入模塊化的小型光譜儀進(jìn)行解調(diào)，其輸出的數(shù)字信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，并分別將琺－珀腔的長度和溫度波長的變化量轉(zhuǎn)換為當(dāng)前壓力和溫度值。所述的傳感器探頭分壓力膜片和壓力基座兩部分，均采用低膨脹恒彈合金T12制作；采用激光焊接技術(shù)將壓力膜片和壓力基座連接為整體；膜片中心的最大位移不能大于膜厚的1/2～1/3。本發(fā)明較已有的技術(shù)方案簡化了封裝設(shè)計(jì)，降低了傳感器成本。該光纖傳感器在石油化工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號E21B47/06GK1904310SQ200610069658
公開日2007年1月31日 申請日期2006年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月4日
發(fā)明者朱紅, 王昌, 劉統(tǒng)玉 申請人:山東微感光電子有限公司