探讨光纤传感器在石油测井中的应用

张亚旭

摘 要：石油测井属于石油开发中最基本最重要的环节，其测井效果直接决定着油田开发的后续工作，所以有必要重视石油测井。传统的石油测井方式得到的结果准确度较低，而且不稳定、成本大、效率低。为了解决这些问题，研发了一种光纤传感器，这种传感器具有体积小、稳定性强、准确率高、效率快、重量轻等优势，于是能够提高石油测井的效果。文章主要分析了光纤传感器在石油测井中的应用，首先对光纤传感器的工作原理进行分析，然后分析光纤传感器在石油测井中的原理，最后分析光纤传感器在石油测井中的几种基本应用。希望有助于提高光纤传感器在石油测井中的使用范围。

关键词：光纤传感器;石油测井;应用

中图分类号：TP212;TE151  文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0127-05

Discussion on the Application of Optical Fiber Sensor in Oil Well Logging

Zhang Yaxu

（Yan an Vocational and Technical College， Yan an 716000， China ）

Abstract：Oil well logging is the most basic and important link in oil development， and its logging effect directly determines the follow-up work of oilfield development， so it is necessary to pay attention to oil well logging. The results obtained by traditional oil logging methods are not only less accurate， but also unstable， costly and inefficient. In order to solve these problems， an optical fiber sensor is developed， which has the advantages of small volume， strong stability， high accuracy， fast efficiency， light weight and so on， so it can improve the effect of oil logging. This paper mainly analyzes the application of optical fiber sensor in oil well logging， first analyzes the working principle of optical fiber sensor， then analyzes the principle of optical fiber sensor in oil well logging， and finally analyzes several basic applications of optical fiber sensor in oil well logging. Hope to help improve the application range of optical fiber sensor in oil logging.

Key words：optical fiber sensor; oil well logging; application

在石油工業中石油测井属于非常重要的步骤，工作完成的好坏直接会影响到石油工业的后续进程，所以有必要重视石油测井工作。在石油测井过程中，需要利用先进的技术手段对相关参数进行测量和监控，比如流量、温度和压力等[1]。由于技术手段的不断发展和更新，普通电子基传感器已经不能适用于高要求的物理量测量，随之产生了光纤传感器，这种传感器具有更加稳定的测量结果，对电磁的干扰非常小，所以该技术应用于石油测井中能够获得更加准确的物理量。文章为了提高石油测井的效率和质量，探讨了光纤传感器在石油测井中的应用。

1 光纤传感器工作原理

光纤就是光导纤维，属于光纤传感器的核心部分，其主要组成部分有纤芯、包层和保护层，其中纤芯是一个细玻璃丝，具有比较高的折射，将光封闭到纤芯中，光将会以轴向进行传播。由于在传播过程中，光纤传感器容易受到外界环境的影响，所以就会导致光在光纤中传播时，其光波特征参数量就会发生变化，对这些变化的量进行检测，于是就可以获得相关的量。

有一种新型的光纤传感器为光纤光栅传感器，这种传感器更加灵敏，能够提高相关物理量的测量准确度。光纤光栅的结构和传输特性如图1所示，主要利用Bragg光纤光栅的波长对相关参数具有非常敏感的特点，当光经过光纤光栅时，会存在不同的波长，其中满足光纤光栅布拉格条件的波长就会产生反射，即称为反射谱，其他的波长就会继续往前传输，该波长称为透射谱[2]。其中光纤光栅的透射谱或者反射谱会应为温度、压力和应变发生变化，通过对透射谱和反射谱的变化进行检测，即可得到相关的压力、温度等物理量。

2 光纤传感器在油田测井中的原理

在油田测井中会涉及到流量、温度、压力、密度等物理量的测量，对不同物理量使用光纤传感器测量的原理也会存在差别。通过对这些原理的了解，能够更加明白光纤维传感器在油田测井中的应用。于是接下来将分别对不同的物理量测量原理进行分析。

（1）流量测量。光的特性在光纤传输过程中会受到流量因素影响使其发生变化，于是通过光的检测方式将这个变化转换为一种电信号，就可以对流体的流量进行测量，这属于光纤流量计测量流量的工作原理[3-4]。与传统的流量传感器相比，使用光纤流量计对流量进行测量的准确度和灵敏度更高，而且还具有安全性高、稳定性强、质量轻、抗干扰能力强等特点。对流量进行测量的光纤传感器的种类不止一种。多项流光纤流量计能够对不同的量进行测量，比如温度、流量和压力等，然后通过这些信息数据的测量，能够得到流体的各项流量。光纤多普勒流速计可以不需要对流体进行接触，然后高精度测量其流量，这种光纤传感器主要基于多普勒效应，通过测量频差得到流体速度。光纤涡轮流量计是在传统能能够的流量计上进行改进，将其中多模光纤替代内磁式传感器，从而具有更好的抗干扰能力[6]。这几种光纤传感器在测量流量时具有不同的特点，相比于传统的流量测量方式获得的结果更加准确。

（2）流体含水率和密度测量。油田测井中对流体的含水率和密度进行了解，能够有利于产层特性的评价、油气产量的提高等。传统的测量仪器不能分辨高含水等问题，而光纤持率/密度传感器应用于油田测井中能解决这些问题，而且测量精度较高。对于混合流体，由于其中每种流体折射率存在差别，所以综合折射率会随着油、水、气的比例不同而发生不同的变化[7-8]。于是光纤传感器在油田测井中测量密合和含水率时的原理是U型弯曲光纤的传输功率会随着混合介质折射率不同而发生一定的变化，正式由于这种变化规律，于是通过使用光纤传感器能够对流体含水率和密度进行测量。

（3）流体温度和压力测量。在石油测井中对压力和温度进行测量属于必不可少的环节，而且在工程的开挖过程中，井下的温度和压力都会发生变化，当深度越深时，温度和压力会随之增加。由于传统的测量方式可靠性比较弱，容易出现测量不准确等问题。通过使用光纤传感器对温度和压力进行测量能够发幅度提高测量精确度。井温测井属于生产测井方法中非常重要的测量方法之一，能够在油田开发中发挥不同的作用，比如产出层的划分、漏失情况判断、压后评估等。如今常用的井下温度测量仪的类型比较多，比如电阻式温度仪、石英晶体温度传感器、热电偶温度仪等;同样压力测量也非常必要，属于油田测井中的基础测量参数，常用的压力计有石英晶体压力计和应变压力计等。这些温度测量仪器和压力计都存在自身的优缺点，需要根据油田测井的实际情况进行选择，并且都存在测量精度不够、安装较为复杂等问题。由于光纤传感器不需要设置井下电子线路，所以在安装比其他的传感器更加方面，而且光纤传感器的体积小、抗干扰能力强，对井下温度和压力的测量更加精准，于是相比于其他的传感器，将光纤传感器应用于井下温度和压力的测量更为合适。

光纤传感器在油田测井中进行温度和压力测量的种类有分布式光纤测量系统、半导体吸收式光纤温度传感器、光纤热色温度传感器、光纤辐射式温度传感器等，每种传感器的工作原理不同，使用性能也会存在差别。其中分布式光纤测量系统主要是使用光纤向后拉曼散射的温度效应，于是能够对现场的温度进行实时监测，在分布式光纤测量系统中存在不同型号的传感器，其中FBG型、EFPI型光纤传感器属于一种波长编码型传感器，这种传感器能够对多个参量进行测量，比如压力、应力和温度等，而且其测量准确度较高、灵敏度高。半导体吸收式光纤温度传感器的工作原理就在于其半导体材料的吸收波边长会随着温度的变化而变化，当温度升高时，吸收边波长会向较长波长位移，在选择半导体发光二极管时，需要选择合适的二极管，从而能够满足光谱范围正好在吸收边的区域，于是当温度升高时，光强会随之降低，于是可以根据这种变化测量出温度[9-10]。光纤热色温度传感器属于一种发射式温度传感器，其中主要由白光源、多模光纤组成。光纤辐射式温度传感器属于一种性能优异的传感器，其中主要使用黑体辐射能量对温度进行测量，不需要接触就可以测量，并且具有响应速度快、测量准确等优势，能够对高温进行测量。

（4）声波测量。由于钻井环境变得更加复杂，需要對其进行深入测量才能够得到准确的地层构造图，当前使用的地质测量方式虽然能够得到相关的测量，但是这种方式容易受到环境的约束、作业成本较高，而且难以实现油藏动态监测。但是通过使用光纤地震检波器系统能够解决上述问题，使用安装较为方便，最重要的是能够获得更加准确的结果。光纤传感器进行声波测量时，其主要原理在于地震波在传播过程中，由于介质的不同，地震波的波形就会发生变化，于是通过这种变化，就可以判断地层积序列和沉积构造。对声波测量的方式有垂直地震剖面测井技术、永久井下光纤三分量地震测量等，其中垂直地震剖面测井技术简称VSP地震测井，这种方式就是将检波器放到井中，然后在地面上发出地震波，或者使用井中流体流动产生的微振动，产生振动波之后，井下的接收器将会接收到信号，通过对这些信号进行分析，即可获得声波测量。永久井下光纤三分量地震测量相对于很多声波检测方式具有更好的灵敏度和方向性，最后获得结果精度很高，而且还具有测量范围非常广泛、稳定性较强，安装灵活等优势[11]。

（5）伽马射线测量。在油田测井中使用自然伽马测井属于非常基本的方式，通过使用伽马射线探测器沿着井眼进行测量，由于地层具有放射性，并且地层在不断的开挖过程中放射性物质会出现异常，于是通过自然伽马测井能够获得伽马射线测量，即伽马测井曲线，该曲线的主要作用能够对岩性进行划分，对地层进行对比、对泥质含量进行获取、对射孔进行跟踪定位等，其作用非常多，所以能够在油田测井中发挥重要作用。传统的核传感器在油田测井中的应用效果比较差，而且价格昂贵、使用时间短、稳定性较差。但是通过使用激光光纤传感器能够解决上述问题，这种传感器通过使用光致损耗和光致发光等物理效应，所以相比于上述的探测器具有更多的优势。激光光纤核传感器的主要优势有：①有利于提高传感器的使用寿命;②稳定性更强，不会受到磁场的干扰;③传感头的体积非常小，使用更加方便;④通过光纤传输，具有更快的传输速度和更大的容量;⑤能够实现多点探测，测量精度较高。

激光光纤核传感器作为一种激光传感器，在油田测井中的优势非常明显，能够实现伽马射线测量，有利于油田测井的开展。

3 光纤传感器在油田测井中的应用

中国对光纤传感器的研发相对于国外较晚，发展至今，已经能够在油田测井使用光纤传感器发挥测井作用，尤其在国外，很多油田井中已经安装了永久性光纤传感器，能够对流量、压力和温度等指标进行实时在线监测，所以相对于国外，中国对光纤传感器的研究还需要进行深入，争取能够在更多的油田中发挥实际应用效果。通过综合国内外对光纤传感器在油田测井中应用，主要应用有对油田测井中的温度、流量、持气率、压力、含水率等参数进行测量，上文中主要对光纤传感器在油田测井中的工作原理进行了分析，该应用原理在一定程度上能够反映出光纤传感器在油田测井中的应用。本文为了更加清楚明了的分析油田测井中光纤传感器的应用，于是接下来将对光纤传感器的具体应用进行分析。

（1）应用于含水率测量。光纤传感器能够对油田测井中含水率进行测量，并且相比于传统的电容测量法具有更加准确的测量结果，另外，光纤传感器的功能更加多，不仅能够对含水率进行测量，还能够对油和气的持率进行测量。油田测井中对含水率的准确测量有利于油田的开发，降低油田开发的危险性。所以通过在油田测井中使用光纤传感器之后将更有助测量结果。光纤传感器属于一个复杂的系统，其基本组成结构如图2所示，光纤传感系统对含水率进行测量时，其光源使用半导体激光器通过聚焦纤维透镜将光注入到光纤中，然后系统会依据光纤的弯曲损耗原理，最后实现对油田测井的含水率进行计算。

（2）应用于持气率测量。在油田测井中，持气率属于油田生产剖面评价的一个重要流动参数，有助于找准产水层位，能够提高油气产量，所以提高持气率的测量结果至关重要。持气率是管內单位体积的液体流动悬持的气体体积。使用光纤传感器对持气率进行测量时，其中需要使用一个对液体光学指数敏感的光传感器来完成。然后将光纤传感器应用石油测井中测量持气率时的光学系统示意图如图3所示，从图中可以看出，光源为发光二极管发射，然后进入一根光纤中，最终传送到蓝宝石探头中。在这样一个系统中，即可通过光纤测量持气率，并且相比于其他的测量方式，采用光纤传感器不仅安装简单、成本较低，而且还可以提高持气率测量的准确度，所以在油田测井中使用光纤传感器更为合适。

（3）应用于温度、压力测量。由于光纤传感器中的光纤Bragg光栅只会反射Bragg波长光，所以该光栅能够有Bragg反射滤波片的用途，不会受到其他波长光的影响，然后Bragg波长存在一个特点，就是与外界温度、压力的变化成正比关系，即当外界温度或者压力不断增大时，Bragg波长也会随着增加，通过这种特点，就可实现油田测井中温度和压力的测量。使用这种传感器应用于油田测井中最重要的优势在于Bragg波长和光纤应变之间存在一一对应的关系，于是就可以通过这种特点精确测量出应变[12]。比如，当一个峰值波长设置为1535.05nm时，温度从25℃升高到35℃，传感器的峰值波长会增加到1535.15nm，如图4所示，从而可说明波长和温度之间的变化关系[13]。

（4）应用于声波测量。光纤传感器中的光纤水听器主要应用于声波测量，光纤水听器的种类不止一种，其中干涉型光纤水听器的测量灵敏度最好，所以将其应用到油田测井中的效果更好。光纤声波传感器还具有其他优势，比如能够提高声波探测的径向深度和轴向测量分辨率，能够提高声波测量的可靠性、实现多探头列阵探测等优势。但是在使用这种传感器时，由于其中的探测频率为50Hz～3kHz，所以光纤声波传感器还需要进一步深入研究和设计。光纤声波传感器的一般结构如图5所示，这种设计方式主要优势在于使用光纤bragg光栅F-P结构，将该结构作为声波敏感单元能够提高测量分辨率、提高诊断能力、扩展声波测井的技术等优势，进而能够在油田测井中实现更好的应用效果。

4 结语

综上所述，相比于传统的传感器，光纤传感器能够对温、压力、声波、含水率、持气率等指标进行测量，这些指标在油田井的开发中至关重要，直接决定着油田井的施工效果和油井开采量，所以通过文章研究的光纤传感器能够提高对这些测量指标的准确度，所以最终会有利于油田的开采效果。由于中国对光纤传感器的研究较晚，导致光纤传感器还没能全面的进行使用，在一定程度上限制了油田测井的效果。于是在今后的研究中，为了进一步提高中国油田的开采效率，有必要深入研究光纤传感器，并将其广泛应用到油田测井中。

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