專利名稱：波紋膜片式管外壓力傳感器和油水井套管外壓力監(jiān)測裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種波紋膜片式管外壓力傳感器和油水井套管外壓力監(jiān)測裝置及方 法，屬于光纖傳感技術領域。
背景技術：
油水井套管損壞不僅會給油田帶來經(jīng)濟上的損失，還會對油田開發(fā)方案和提高采 收率措施的應用帶來不利影響，因而直接影響到石油的開采和油田的發(fā)展，目前，油水井套 管損壞的問題已成為我國油田亟待解決的問題，為了提前預防和減緩油水井套管的損壞， 對套管進行管外壓力監(jiān)測具有重要意義。目前，油水井井下壓力的測試多數(shù)采用機械式和電子存儲式的測試方式，這種方 式需要在油水井關井后由鋼絲懸吊相關檢測設備下井，測試一段時間后再將設備取出，不 能做到實時測井，數(shù)據(jù)解釋嚴重滯后于測井過程，且影響油井的正常生產(chǎn)；同時它只能在套 管內(nèi)進行單點管內(nèi)壓力監(jiān)測。相關的測量方式還有永久式電子測量設備，即將儀表永久安 裝在井下，通過電纜引出信號至地面，這種測量方式采用的設備不能夠方便的取出，在井下 高溫高壓的條件下測量設備易出現(xiàn)漂移、老化等問題，使測量數(shù)據(jù)不準確，設備維護和校準 非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有油水井套管的壓力監(jiān)測只能在管內(nèi)單點進行并且 無法實時在線監(jiān)測的問題，提供一種波紋膜片式管外壓力傳感器和油水井套管外壓力監(jiān)測 裝置及方法。本發(fā)明所述的波紋膜片式管外壓力傳感器，所述的波紋膜片式管外壓力傳感器包 括波紋膜片、壓力觸頭、FRP智能筋、光纖布拉格光柵、光纖、基座和脹緊螺栓，基座的中心空腔內(nèi)設置光纖和光纖布拉格光柵，光纖布拉格光柵位于所述中心空 腔的中心位置，光纖布拉格光柵的兩端分別設置光纖，光纖和光纖布拉格光柵的外圓表面 上均封裝FRP智能筋，F(xiàn)RP智能筋在基座內(nèi)兩端固支，基座的兩端分別通過脹緊螺栓將智能 筋夾固，基座的一個側壁中心位置開有一個觸頭孔，與該側壁相對的基座的另一個外側壁 為固定面，所述觸頭孔內(nèi)設置壓力觸頭，壓力觸頭上與光纖軸向平行的兩端分別具有一個 觸點，所述兩個觸點觸接在FRP智能筋上，兩個觸點縱向跨在光纖布拉格光柵的兩端，所述 觸頭孔的端口處設置波紋膜片，波紋膜片的內(nèi)波紋狀表面與壓力觸頭的外壁表面之間的間 隙相等。本發(fā)明所述的基于上述裝置的油水井套管外壓力監(jiān)測裝置，它包括波紋膜片式管 外壓力傳感器、激光器、光耦合器和數(shù)據(jù)采集處理電路，所述波紋膜片式管外壓力傳感器的光信號輸入端連接光耦合器的光信號輸出端，光耦合器的光信號輸入端連接激光器的光信號輸出端；所述波紋膜片式管外壓力傳感器的 光信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集處理電路的光信號輸入端。本發(fā)明所述的實現(xiàn)油水井套管外壓力監(jiān)測的方法，實現(xiàn)壓力監(jiān)測的過程為步驟一將一個或多個波紋膜片式管外壓力傳感器固定在所述油水井套管外需要 監(jiān)測壓力處，使所述波紋膜片式管外壓力傳感器的固定面與油水井套管外壁緊密接觸，將 由激光器、光耦合器和數(shù)據(jù)采集處理電路組成的FBG解調(diào)儀安裝于所述油水井井口處的地 面上；步驟二 控制激光器輸出光束，使所述光束經(jīng)光耦合器輸出至光纖，并傳輸至光纖 布拉格光柵，由數(shù)據(jù)采集處理電路采集光纖輸出的光信號，計算獲得所述油水井套管外受 到的壓力。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明結構簡單，易于制造；通過在油水井套管外需要監(jiān)測壓 力的位置布設波紋膜片式管外壓力傳感器，實現(xiàn)了準分布式油水井套管的管外壓力監(jiān)測； 所述的波紋膜片式管外壓力傳感器靈敏度系數(shù)高，能達到實用性能要求；并且本發(fā)明方法 在對油水井套管進行壓力監(jiān)測的過程中，不影響油井的正常生產(chǎn)，實現(xiàn)了實時在線測量。當油水井套管外壓力作用到波紋膜片后，波紋膜片產(chǎn)生壓力方向的位移帶動壓力 觸頭壓彎FRP智能筋，F(xiàn)RP智能筋的彎曲使得FRP智能筋中的光纖布拉格光柵發(fā)生變形，導 致光柵中心波長的變化，通過數(shù)據(jù)采集處理電路采集反射光譜中光柵中心波長的變化，計 算獲得光柵中心波長變化與管外壓力大小的關系。


圖1為本發(fā)明所述的波紋膜片式管外壓力傳感器在測量油水井套管外壓力時與 被測套管的相對位置示意圖；圖2為波紋膜片式管外壓力傳感器的結構示意圖；圖3為光纖布拉格光柵封裝FRP智能筋的橫截面圖；圖4為光纖的橫截面圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式所述的波紋膜片式 管外壓力傳感器，其特征在于所述的波紋膜片式管外壓力傳感器4包括波紋膜片4-1、壓 力觸頭4-2、FRP智能筋4-3、光纖布拉格光柵4-4、光纖4_5、基座4_6和脹緊螺栓4_7，基座4-6的中心空腔內(nèi)設置光纖4-5和光纖布拉格光柵4-4，光纖布拉格光柵4_4 位于所述中心空腔的中心位置，光纖布拉格光柵4-4的兩端分別設置光纖4-5，光纖4-5和 光纖布拉格光柵4-4的外圓表面上均封裝FRP智能筋4-3，F(xiàn)RP智能筋4_3在基座4_6內(nèi)兩 端固支，基座4-6的兩端分別通過脹緊螺栓4-7將智能筋4-3夾固，基座4-6的一個側壁中心位置開有一個觸頭孔，與該側壁相對的基座4-6的另一 個外側壁為固定面，所述觸頭孔內(nèi)設置壓力觸頭4-2，壓力觸頭4-2上與光纖4-5軸向平行 的兩端分別具有一個觸點，所述兩個觸點觸接在FRP智能筋4-3上，兩個觸點縱向跨在光纖 布拉格光柵4-4的兩端，所述觸頭孔的端口處設置波紋膜片4-1，波紋膜片4-1的內(nèi)波紋狀 表面與壓力觸頭4-2的外壁表面之間的間隙相等。
5
壓力觸頭4-2的外壁表面根據(jù)波紋膜片4-1的形狀進行仿形設計，使壓力觸頭4-2 的外壁表面具有與波紋膜片4-1的表面相吻合的波紋狀，不僅能夠承受波紋膜片4-1的壓 力，同時具有保護波紋膜片4-1的功能，防止波紋膜片4-1因承受壓力過大而產(chǎn)生無法恢復 的變形。壓力觸頭4-2與FRP智能筋4_3兩點接觸，可保證在應用于井下環(huán)境時，有效的將 油水井套管外的壓力轉(zhuǎn)換為封裝在FRP智能筋4-3中的光纖布拉格光柵4-4的軸向應變。 壓力觸頭4-2的兩個接觸點與FRP智能筋4-3相接觸，能夠保證與壓力觸頭4-2中間部分 相對應的光纖布拉格光柵4-4除軸向力外不受任何方向的作用力，因此能夠保證將外界壓 力完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣饫w布拉格光柵4-4的軸向應變。
具體實施方式
二 下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式與實施方式一的不 同之處在于所述波紋膜片式管外壓力傳感器4還包括固緊螺帽4-8和橡膠墊片4-9，所述波 紋膜片4-1通過固緊螺帽4-8固定在觸頭孔的端口處，所述波紋膜片4-1和固緊螺帽4-8 之間設置橡膠墊片4-9。其它組成及連接關系與實施方式一相同。本實施方式中所述的橡膠墊片4-9為標準件。采用固緊螺帽4-8和橡膠墊片4-9對波紋膜片4_1進行固定，具有兩個功能一是 能對波紋膜片4-1起到密封作用，在應用于井下環(huán)境時將井下的油液與波紋膜片式管外壓 力傳感器4內(nèi)部隔離，使內(nèi)外產(chǎn)生壓差從而精確地監(jiān)測油水井套管外的壓力；二是能使波 紋膜片4-1在受壓后不發(fā)生周邊翹曲現(xiàn)象，橡膠墊片4-9能夠緩解波紋膜片4-1由于周邊 應力集中產(chǎn)生的膜片損壞，使波紋膜片4-1能夠經(jīng)受反復的彈性擠壓力。
具體實施方式
三下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一或 二的進一步說明，所述基座4-6的中心空腔內(nèi)設置有一個凹槽，所述凹槽與觸頭孔相對設 置，并且該凹槽沿光纖4-5的軸向長度大于所述觸頭孔沿光纖4-5的軸向長度。其它組成 及連接關系與實施方式一或二相同。本實施方式所述的結構特點使基座4-6的耐久性強、可靠性好并且性能穩(wěn)定，能 夠保證檢測精度。
具體實施方式
四本實施方式為對實施方式三的進一步說明，所述波紋膜片4-1 的材質(zhì)為型號為316L的不銹鋼。其它組成及連接關系與實施方式三相同。型號為316L的不銹鋼的彈性模量約為200 X IO9Pa,在200°C以下是恒定值，線膨 脹系數(shù)為10. 8 XIO-V0C，相對于其他金屬不算大，可使測量數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。
具體實施方式
五下面結合圖2說明本實施方式，本實施方式為對實施方式三的 進一步限定，所述波紋膜片4-1的波紋狀表面呈正弦曲線狀。其它組成及連接關系與實施 方式三相同。正弦曲線狀的波紋膜片4-1的膜片靈敏度好，且不容易產(chǎn)生應力集中。
具體實施方式
六本實施方式為對實施方式三的進一步限定，所述波紋膜片4-1 的厚度為1mm，波峰到波谷之間的距離為2mm，所述波峰或波谷所在曲線的有效半徑為 21mm。其它組成及連接關系與實施方式三相同。本實施方式中所述的具體尺寸是通過有限元分析比較得到的。對不同膜厚的波紋 膜片4-1的壓力-撓度曲線進行分析可知，相同壓力點膜厚為0. 5mm的模型的中心撓度要 比膜厚分別為Imm及1. 5mm的模型的中心撓度大，而且線性度最好。這說明膜厚越小，膜片的變形對壓力越敏感，即波紋膜片4-1的靈敏度越高。從不同波紋深度的波紋膜片4-1的壓 力-撓度曲線中可以看出，波紋深度即波峰到波谷之間的深度越小，波紋膜片的靈敏度越 高，線性越好。但是波紋深度越大，波紋膜片4-1所受應力就越小，通過對有限元結果的分 析同時結合工程實際中對傳感器量程的要求，本實施方式中選定上述參數(shù)的波紋膜片4-1 作為傳感器的彈性元件，對波紋膜片4-1進行加載，得到載荷從IMI^a至30MPa加載過程中 產(chǎn)生的變形、應力和應變結果，實驗結果表明，波紋膜片式管外壓力傳感器4的量程、精度 以及波紋膜片4-1的屈服強度符合實際工程要求。
具體實施方式
七下面結合圖1至圖4說明本實施方式，本實施方式所述的基于實 施方式一所述波紋膜片式管外壓力傳感器的油水井套管外壓力監(jiān)測裝置，它包括波紋膜片 式管外壓力傳感器4、激光器1、光耦合器2和數(shù)據(jù)采集處理電路3，所述波紋膜片式管外壓力傳感器4的光信號輸入端連接光耦合器2的光信號輸出 端，光耦合器2的光信號輸入端連接激光器1的光信號輸出端；所述波紋膜片式管外壓力傳 感器4的光信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集處理電路3的光信號輸入端。所述油水井套管外的壓力首先作用到波紋膜片4-1上，波紋膜片4-1產(chǎn)生的壓力 方向位移使壓力觸頭4-2將FRP智能筋4-3壓彎，F(xiàn)RP智能筋4_3所承受的壓力使得封裝在 其內(nèi)的光纖布拉格光柵4-4發(fā)生軸向變形，此時，油水井套管外的壓力變化表現(xiàn)為光柵中 心波長的變化。激光器1輸出的光信號經(jīng)光耦合器2后被耦合到光纖布拉格光柵4-4中，數(shù) 據(jù)采集處理電路3采集獲得反射光譜中光柵中心波長的變化，由壓力性能標定實驗，可得 到光纖光柵中心波長變化與管外壓力大小的關系，進而獲得油水井套管的管外壓力。FRP智 能筋4-3是一種纖維增強復合塑料，具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕性能好、電性能好、熱性能良好、 可設計性好及工藝性優(yōu)良等優(yōu)點，對光纖4-5及光纖布拉格光柵4-4能起到很好的保護作 用。脹緊螺栓4-7的作用是將FRP智能筋4_3與基座4_6進行密封和夾緊，脹緊螺栓 4-7在使用時可涂密封膠，既能起到夾緊作用又能起到密封作用。所述波紋膜片式管外壓力 傳感器4的外觀為矩形，根據(jù)井下的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可選擇波紋膜片式管外壓力傳感器4的量程 為30MPa。光纖布拉格光柵4-4的中心波長可選擇為1530. 452nm ；激光器1、光耦合器2和 數(shù)據(jù)采集處理電路3組成FBG解調(diào)儀，即光纖布拉格光柵解調(diào)儀，所述FBG解調(diào)儀可采用美 國Micron Optics公司生產(chǎn)的SI-720型FBG解調(diào)儀，該儀器的波長分辨率為1pm，掃描范圍 為1520nm 1570nm，掃描頻率為5Hz。
具體實施方式
八下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式與實施方式七的不 同之處在于它還包括一個或多個波紋膜片式管外壓力傳感器4，所述一個或多個波紋膜片 式管外壓力傳感器4與原波紋膜片式管外壓力傳感器4通過光纖串聯(lián)連接。其它組成及連 接關系與實施方式七相同。多個波紋膜片式管外壓力傳感器4可實現(xiàn)對油水井套管外多個位置的壓力狀態(tài) 監(jiān)測。
具體實施方式
九下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的采用實施方 式七或八所述的油水井套管外壓力監(jiān)測裝置實現(xiàn)管外壓力監(jiān)測的方法，實現(xiàn)壓力監(jiān)測的過 程為步驟一將一個或多個波紋膜片式管外壓力傳感器4固定在所述油水井套管外需要監(jiān)測壓力處，使所述波紋膜片式管外壓力傳感器4的固定面與油水井套管外壁緊密接 觸，將由激光器1、光耦合器2和數(shù)據(jù)采集處理電路3組成的FBG解調(diào)儀安裝于所述油水井 井口處的地面上；步驟二 控制激光器1輸出光束，使所述光束經(jīng)光耦合器2輸出至光纖4-5，并傳 輸至光纖布拉格光柵4-4，由數(shù)據(jù)采集處理電路3采集光纖4-5輸出的光信號，計算獲得所 述油水井套管外受到的壓力。將FBG解調(diào)儀安裝在井口處的地面上，將波紋膜片式管外壓力傳感器4下到油井 中，并固定在需要進行壓力監(jiān)測位置的油水井套管外壁，將基座4-6的固定面固定于所述 水井套管外壁上，使光纖4-5的軸向與所述水井套管的軸向相平行，激光器1輸出的光信號 經(jīng)光耦合器2后耦合到光纖布拉格光柵4-4中，數(shù)據(jù)采集處理電路3采集的數(shù)據(jù)隨反射光 譜中光柵中心波長的變化而變化，通過光柵中心波長變化與套管外壓力大小的關系，由光 柵中心波長的變化計算得到套管外壓力的大小。根據(jù)需要在油水井套管外需要監(jiān)測壓力的位置分別安裝波紋膜片式管外壓力傳 感器4，獲得外界對油水井套管的壓力數(shù)值，實現(xiàn)了油水井套管外壓力的準分布式實時在線測量。
具體實施方式
十下面結合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式為對實施方式 九的進一步說明所述步驟二中計算油水井套管外受到的壓力的方法為根據(jù)麥克斯韋經(jīng)典方程，結合光纖耦合模理論，得到公式λΒ = 2neffA ,式中λ Β為光纖布拉格光柵4-4的中心波長；neff為光纖布拉格光柵4-4的有效折射率；A為光纖布拉格光柵4-4的柵格周期；光纖布拉格光柵4-4柵格周期的改變Δ Λ為Δ A = Δ ε · Λ，式中△ ε為光纖布拉格光柵4-4受到軸向應力作用產(chǎn)生的軸向應變；光纖布拉格光柵4-4的有效折射率變化Δ neff為
權利要求
1.一種波紋膜片式管外壓力傳感器，其特征在于所述的波紋膜片式管外壓力傳感器 (4)包括波紋膜片G-1)、壓力觸頭G_2)、FRP智能筋G-3)、光纖布拉格光柵0-4)、光纖 G-5)、基座(4-6)和脹緊螺栓0-7)，基座G-6)的中心空腔內(nèi)設置光纖(4- 和光纖布拉格光柵G-4)，光纖布拉格光柵 (4-4)位于所述中心空腔的中心位置，光纖布拉格光柵G-4)的兩端分別設置光纖G-5)， 光纖(4- 和光纖布拉格光柵G-4)的外圓表面上均封裝FRP智能筋G-3)，F(xiàn)RP智能筋 (4-3)在基座G-6)內(nèi)兩端固支，基座G-6)的兩端分別通過脹緊螺栓(4-7)將智能筋 (4-3)夾固，基座G-6)的一個側壁中心位置開有一個觸頭孔，與該側壁相對的基座G-6)的另一 個外側壁為固定面，所述觸頭孔內(nèi)設置壓力觸頭G-2)，壓力觸頭(4- 上與光纖(4-5)軸 向平行的兩端分別具有一個觸點，所述兩個觸點觸接在FRP智能筋(4- 上，兩個觸點縱 向跨在光纖布拉格光柵(4-4)的兩端，所述觸頭孔的端口處設置波紋膜片G-1)，波紋膜片 (4-1)的內(nèi)波紋狀表面與壓力觸頭G-2)的外壁表面之間的間隙相等。
2.根據(jù)權利要求1所述的波紋膜片式管外壓力傳感器，其特征在于所述波紋膜片式 管外壓力傳感器(4)還包括固緊螺帽(4-8)和橡膠墊片G-9)，所述波紋膜片(4-1)通過固 緊螺帽G-8)固定在觸頭孔的端口處，所述波紋膜片(4-1)和固緊螺帽(4-8)之間設置橡 膠墊片(4-9)。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的波紋膜片式管外壓力傳感器，其特征在于所述基座 (4-6)的中心空腔內(nèi)設置有一個凹槽，所述凹槽與觸頭孔相對設置，并且該凹槽沿光纖 (4-5)的軸向長度大于所述觸頭孔沿光纖G-5)的軸向長度。
4.根據(jù)權利要求3所述的波紋膜片式管外壓力傳感器，其特征在于所述波紋膜片 (4-1)的材質(zhì)為型號為316L的不銹鋼。
5.根據(jù)權利要求3所述的波紋膜片式管外壓力傳感器，其特征在于所述波紋膜片 (4-1)的波紋狀表面呈正弦曲線狀。
6.根據(jù)權利要求3所述的波紋膜片式管外壓力傳感器，其特征在于所述波紋膜片 (4-1)的厚度為1mm，波峰到波谷之間的距離為2mm，所述波峰或波谷所在曲線的有效半徑 為 21mm0
7.一種基于權利要求1所述波紋膜片式管外壓力傳感器的油水井套管外壓力監(jiān)測裝 置，其特征在于它包括波紋膜片式管外壓力傳感器G)、激光器(1)、光耦合器( 和數(shù)據(jù) 采集處理電路(3)，所述波紋膜片式管外壓力傳感器(4)的光信號輸入端連接光耦合器( 的光信號輸出 端，光耦合器( 的光信號輸入端連接激光器(1)的光信號輸出端；所述波紋膜片式管外壓 力傳感器(4)的光信號輸出端連接數(shù)據(jù)采集處理電路(3)的光信號輸入端。
8.根據(jù)權利要求7所述的基于波紋膜片式管外壓力傳感器的油水井套管外壓力監(jiān)測 裝置，其特征在于它還包括一個或多個波紋膜片式管外壓力傳感器G)，所述一個或多個 波紋膜片式管外壓力傳感器(4)與原波紋膜片式管外壓力傳感器(4)通過光纖串聯(lián)連接。
9.一種采用權利要求7或8所述的油水井套管外壓力監(jiān)測裝置實現(xiàn)管外壓力監(jiān)測的方 法，其特征在于實現(xiàn)壓力監(jiān)測的過程為步驟一將一個或多個波紋膜片式管外壓力傳感器固定在所述油水井套管外需要監(jiān)測壓力處，使所述波紋膜片式管外壓力傳感器的固定面與油水井套管外壁緊密接 觸，將由激光器(1)、光耦合器( 和數(shù)據(jù)采集處理電路C3)組成的FBG解調(diào)儀安裝于所述 油水井井口處的地面上；步驟二 控制激光器(1)輸出光束，使所述光束經(jīng)光耦合器( 輸出至光纖G-5)，并 傳輸至光纖布拉格光柵G-4)，由數(shù)據(jù)采集處理電路(3)采集光纖(4- 輸出的光信號，計 算獲得所述油水井套管外受到的壓力。
10.根據(jù)權利要求9所述的實現(xiàn)油水井套管外壓力監(jiān)測的方法，其特征在于所述步驟 二中計算油水井套管外受到的壓力的方法為根據(jù)麥克斯韋經(jīng)典方程，結合光纖耦合模理論，得到公式
全文摘要
波紋膜片式管外壓力傳感器和油水井套管外壓力監(jiān)測裝置及方法，屬于光纖傳感技術領域。它解決了現(xiàn)有油水井套管的壓力監(jiān)測只能在管內(nèi)單點進行并且無法實時在線監(jiān)測的問題。波紋膜片式管外壓力傳感器基座的中心空腔內(nèi)設置光纖和光纖布拉格光柵，光纖和光纖布拉格光柵封裝FRP智能筋，基座的兩端分別通過脹緊螺栓將智能筋夾固，基座的側壁中心開有一個觸頭孔，觸頭孔內(nèi)設置壓力觸頭，壓力觸頭的兩個觸點觸接在FRP智能筋上，兩個觸點縱向跨在光纖布拉格光柵的兩端，觸頭孔的端口處的波紋膜片的內(nèi)波紋狀表面與壓力觸頭的外壁表面之間的間隙相等；油水井套管外壓力監(jiān)測裝置及方法均采用了波紋膜片式管外壓力傳感器。本發(fā)明用于壓力監(jiān)測。
文檔編號G01L11/02GK102121860SQ201010593720
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權日2010年12月17日
發(fā)明者何俊, 刑洋, 張廣玉, 潘洪亮, 程國娟, 董慧娟 申請人:哈爾濱工業(yè)大學