油气井中光纤传感器的应用及发展趋势

邓显林 重庆电子工程职业学院

1 工作原理

光纤传感器主要以光纤作为原材料，其中光纤主要由纤芯、包层、涂覆层组成，成分是二氧化硅[1]。在实际工作中，通常有3种波长的光纤用于光线传输中，即0.85、1.31和1.55μm。在用到1.31μm波长的光纤时，其色散的程度为零，一般用于单模光纤，传输距离较长；用到1.55μm波长的光纤时，其折射率最小，一般用于多模光纤当中，传输距离较短；0.85μm波长的光纤用到的概率较小。

光纤和其他半导体材料相比，具有更高的折射率，当光源从内部传送时，可以无损耗的从用户输出端传出。光纤是一个感应器件，在其中注入一束光线时，相应的传感器显示屏上会显示出光线波长、相位、色散值。当受到外界温度、亮度、电磁波等一系列的干扰时，传感器上的光线的波长、相位、传播速度就会发生相应的变化。

2 技术应用

2.1 光强度测量

当光感应器受到一束较强的光线刺激时，就会引起传感器的变化[2]。首先在内部元件中经过光电转换，把光信号转变成电信号，然后在三极管上采用二级分光进行信号放大。之后光感应器接收端处理光信号来源，判断是否符合实际需求。

2.2 流量测量

当用光纤流量感应指针测定井下流体的流速时，只是通过井内单质流体和其他掺杂混合流体的密度、压强及流速来计算出相对流量。光纤悬浮流量感应指针通常在失重的情况下采用，该设备是在原有的基础上加上内悬浮感应装置[3]，光纤由原来的单模单股改为多模多股光纤，使光纤纤芯色散减少，抗电磁干扰的能力增强，并且测定距离范围增大。用光纤流量感应指针技术设计的流量计曾在大庆油气井下做过实验，按照流量与流速成正比的测定标准，与原有流量计相比较，其精确值相差0.03%，虽然相差并不多，但足以证明该流量计确实在技术上更胜一筹。

2.3 流体温度及压力测量

在石油管道中，流体与管壁之间的摩擦必然会使表皮温度升高，温度可高达400~500℃，显然超出了一般温度计的测量范围。目前小型油井温度测量计测定范围为200℃左右，无法测量大型油井以及深层油井。在一些密集度较大的油田中，为了便于监测温度，一般使用火烧的方法来提高温度[4]。

光纤温度传感器常见类型有支架型、流体型、吊坠型。其中支架型采用了光纤弯曲半径系数大的原理，在高温复杂地形情况下，可以任意弯曲，并且半径节点分布不均匀，可以对多个设置点进行测量。

2.4 流体含水量及密度的测定

在石油生产工艺中，石油原液中掺杂着少量的水分，测定含水量可作为石油纯度划分标准。含水量是以一升石油原液为单位，水分占原液的百分比来表示。由于油和水的密度不同导致两种物质存在分层现象，因此在油井管道内要找准两种物质的分界面。光纤密度传感器可实现这一目的，从根本上识别混合密度掺杂物的成分。在生产中若测定水、空气、油这三种物质的成分含量，就要了解三种物质在这种环境的折射率。经过测定检测，油的折射率为1.21；水的折射率为1.19；空气的折射率为1.23。密度相对大的折射率就相对较小。

光纤传感器的设计原理是根据光纤传输信号的功率随着物质在流体内折射率的改变而发生相应改变这一特性，其中在传输过程中是以光波作为信息的载体，与物质在管道内的流速、摩擦温度以及流向无关。在经过测定判断后，反馈回来的信息在经过加工之后，便能提供精细化的答案，即各成分的相对密度及占总体成分的含量。

2.5 其他方面的测定及应用

光纤传感器除了应用于以上几个领域外，在其他领域中也得到广泛应用。例如测定油井内有害气体的酸碱性、是否具有爆破性以及检测石油原液中砂石粒的成分，确定开采地点岩石中的主要成分。一般在测定酸碱度时会用到专业的测量仪器，但是在温度高、压强大的情况下，普通的仪器难以承受几百摄氏度和几十兆帕压强的恶劣环境，因此就可应用新一代传感器来进行测定。在大西北科技工业园中，制定了关于测定气体pH值以及主要成分的光纤传感器的设计方案，并研制出了测定各种气体pH值的光纤传感器。这种传感器不仅能检测pH值，并且还具有吸收有毒气体、净化空气的作用，实现检测和吸收双重的功能。

3 发展前景

随着近几年石油行业的不断发展，对光纤传感器的需求量也呈现高速增长趋势，2006~2009年光纤传感器用于石油行业的成本就高达24亿美元，并且还可应用于化工行业、冶金行业、钢铁行业等，其需求也占到市场的一定份额，据统计近3年内市场的占有率已达到47%。光纤传感器将监测信息传送到中央处理机上，检测员根据传送来的信息进行数据整理，便可以对整个系统进行统一化的管理，提高产业链的生产效益。

[1]杨三青．井下光纤式压力温度复合传感器设计[J]．仪表技术与传感器，2000，21（3）：6-7.

[2]曹宇欣，陈贵庆，张祥．光纤温度传感器在井温测井仪器中应用初步研究[J]．国外测井技术，2004，19（3）：43-44.

[3]郭团，乔学光，贾振安，等．光纤光栅传感技术及在石油工业中的应用[J]．测试技术学报，2004，18（3）：208-213.

[4]刘立成，姜汉桥，赵业卫．应用分布式光纤温度测试技术评价井间热连通[J]．西南石油大学学报，2007，29（5）：18-20.