井下多点光纤测试技术在海上平台的应用

石平太　苗杰　陈露

摘 要：光纤压力计是一种利用光波传输压力和温度双参数信息的测试工具。本文介绍了基于该压力计的井下多点光纤测试系统的工作原理及下井工艺，并将其在海上平台的应用结果进行了分析。应用结果表明，采用串联方式的多点光纤测试系统能够实时、准确地监测井下压力和温度梯度，能为油田管理、油藏动态分析提供数据依据。

关键词：多点式光纤测试；压力和温度；海上平台

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.062

随着油气田的不断开发，海上平台的深井、电加热井和注蒸汽井等高温高压井逐年增加，对高温高压油藏测试难度也随之增加。在油藏监测过程中，常规的电子式压力和温度监测系统应用较为广泛，主要由井下传感器、井下信号传输电缆和地面采集系统组成，受电子元器件和电缆工艺耐温等级的影响，如果井温超过190℃，电子式传感器将很难长期正常工作，不能满足这些特殊井的永久性油藏监测的需要。

近年来，光纤式压力温度传感器作为新型传感器已逐步应用于油田测试中，由于光纤传感器内部没有电子元器件，纯石英结构设计，能够突破温度的瓶颈，耐温可达到300℃；且结构简单，体积小，抗干扰能力强，可封装于不锈钢壳体中，替代电子传感器进行高温高压的油藏测试。另外，通过对光纤压力温度传感器内部结构进行改进，可以实现单根光缆串联多个光纤传感器，可用于监测油气井中的压力梯度和温度梯度，为油藏决策和开发提供数据依据。

1 工作原理

多点式光纤式压力和温度监测系统主要由井下光纤传感器和配套固定托筒、不锈钢铠装光缆、地面光信号解调仪及上位机软件等部分构成。

在不锈钢铠装光缆中设有多根光纤，每根光纤可以连接一支光纤传感器，光纤传感器安装于配套的托筒上并进行固定，托筒随管柱下于预定深度，在下井过程中，要在油管接箍位置安装光缆保护器进行光缆固定和防磕碰保护。当需要增加新的测试点时，将光缆截断后，光缆的两个断点与新的光纤传感器进行续接，其中光缆中光纤与传感器的光纤续接，光缆的铠层与传感器的壳体连接。目前已实现4支光纤传感器的串联，光缆中多余的光纤可以作为冗余备用。

基本工作原理：地面光信号解调仪按照采样间隔定期向井下光纤中发出1510nm～1590nm连续波长的激光信号，激光信号到达光纤传感器后，经过传感器内部的测温测压装置形成反射光谱，不同的压力和温度反射的光谱不一样，地面光信号解调仪接收反射光谱后转化成数字信号并发送给上位机，上位机对信号进行解调并计算出对应的压力温度值，然后进行显示、存储、报警等操作。当地面光信号解调仪完成一根光纤的信号收发工作后，自动切换至下一根光纤进行信号收发，如此反复循环。

2 设计原理

串联型光纤测温测压传感器的结构示意图如图1所示，传感器内部利用一根光纤串联着一个FBG温度传感元和一个F-P腔压力传感元，传感器内部的预留光纤被预埋在单独的通道中，用于连接传感器前后端的测试光缆，后端的测试光缆再和其他光纤传感器进行连接。壳体采用不锈钢封装，传感器前后端与钢管光缆连接位置采用全金属密封结构，以保证高压和防腐的特性。

FBG温度传感元件用于测试传感器位置的环境温度，是采用紫外激光工具刻制在光纤上具有折射率周期性变化的特殊装置，当宽光谱光经过光栅时，一部分光会被反回，返回光的波长与温度呈函数关系，通过监测返回光的波长可以解析出环境的温度值。

F-P腔压力传感元通过压力缓冲装置连接至壳体的导压孔。当外界压力发生变化时，会引起F-P腔的腔长变化，从而引起地面光信号的反射光谱特性发生变化，地面系统接收反射光谱后根据压力标定数据可以解析出环境的压力值。

在同一个光纤传感器内部，将FBG温度传感元件和F-P腔压力传感元通过光纤串联，对光信号采用波分和空分复用方法，即可以实现温度和压力的同时测量。

3 技术参数

3.1 光纤F-P腔压力传感元件技术参数

工作压力： 0-15000psi；

工作温度： 300℃；

精度： 0.025% F.S；

分辨率： 0.025% F.S；

长期稳定性： 0.5%F.S/年。

3.2 光纤FBG温度传感元件技术参数

工作压力： 0-15000psi；

工作温度： 300℃；

分辨率： 0.3%F.S ；

精度： 0.3%F.S ；

长期稳定性： 0.3%F.S /年。

4 应用情况

在海上平台试验井井成功下入了一根光缆串联的四支光纤传感器，旨在观察水平井段的温度梯度。分别置于2829.65m，2794.63m，2676.19m，2652.23m的位置。连续工作8个月，测试数据准确、稳定，可以确切反应油井生产时内部温度压力数据，部分数据如图2所示。

（下转第74页）

（上接第75页）

5 总结

在油藏监测过程中，电子式压力和温度传感器应用较为广泛，这些传感器很难实现高温温度剃度和压力剃度的测试，难以满足井下永久性监测的需要。光纤测试传感器属于机械型传感器，没有电子器件，封装于不锈钢外壳中可以实现高温高压的测试，通过对内部结构改进，可实现单根光缆串联多个光纤传感器，为油藏决策和开发提供数据依据。

本文通过论述基于该压力计的井下多点光纤测试系统的工作原理及下井工艺，并将其在海上平台的应用结果进行了分析。应用结果表明，采用串联方式的多点光纤测试系统能够实时、准确地监测井下压力和温度梯度，能为油田管理、油藏动态分析提供数据依据。

参考文献：

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[2]秦子雄，曾慶科等.大调谐范围的等强度梁光纤光栅波长调节器[J].光学学报，2001（12）：1421-1425.

[3]于清旭，王晓娜，宋世德，赵业卫，崔士斌.光纤F2P腔压力传感器在高温油井下的应用研究[J].光电子·激光，第18卷第3期2007年3月.

作者简介：石平太（1982-），甘肃靖远人，本科，从事测试技术工作。