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光纤传感器在石油行业中的应用

导读: 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术,国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果,不少光纤传感系统已实用化,成为替代传统传感器的商品。

  一、前言

  光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术,国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果,不少光纤传感系统已实用化,成为替代传统传感器的商品。

  在油田的开发过程中,人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料,这就要用到石油测井,其可靠性和准确性是至关重要的,而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感器可以克服这些困难,其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件,包括高温、高压(几十兆帕以上)以及强烈的冲击与振动,可以高精度地测量井筒和井场环境参数,同时,光纤传感器具有分布式测量能力,可以测量被测量的空间分布,给出剖面信息。而且,光纤传感器横截面积小,外形短,在井筒中占据空间极小。

  光纤传感器在地球物理测井领域取得了长足的进步,全世界各大石油生产公司、测井服务公司以及各种光纤传感器研发机构和企业都参加了研究、开发过程。为了开拓光纤传感器的应用领域,本文综述了光纤传感器在地球物理测井领域的研究与进展,希望其研究能够对进一步提高石油开发的水平作出贡献。

  二、光纤传感器在测井上的研究进展

  1、储层参数监测

  (1)压力监测

  由于开发方案的需要,对油藏压力的管理需要特别谨慎,这样做的目的是减少因在低于泡点压力的状态下开采所造成的原油损失,减少在注气过程中因油藏超压将原油挤入含水层所造成的原油损失。传统的井下压力监测采用的传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计,应变式压力计受温度影响和滞后影响,而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测时,这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题。井下光纤传感器没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰能力强等优点,而这些正是井下监测所必需的。

  美国CiDRA公司的在光纤压力监测研究方面处于前沿,他们的科研人员发现了布喇格光纤光栅传感器对压力的线性响应。已开发的传感器能够工作到175oC,200oC和稍高温度的产品正在开发,250oC是研发的下一个目标。不同温度和压力下的压力测量误差,在测试范围(0MPa~34.5MPa)内,均小于±6.89kPa,相当于电子测量系统的最好的水平。目前,CIDRA公司的光纤压力传感器的指标为:测程0~103MPa,过压极限129MPa,准确度±41.3kPa,分辨率2.06kPa,长期稳定性±34.5kPa/yr(连续保持150oC),工作温度范围25oC~175oC。1999年该公司在加利福尼亚的Baker油田进行了压力监测系统的试验,结果表明该系统具有非常高的精度,目前已经交付商业销售。2001年该公司的压力传感器在英国BP公司的几口井下安装,监测应力变化,结果表明其具有足够的可靠性。

  美国斯伦贝谢油田服务公司Doll研究中心的TsutomuYamate等人对用布喇格光纤光栅传感器实行井下监测进行了长期的研究,他们研制成一种对温度不敏感的侧孔布喇格光纤光栅传感器,最高工作温度为300oC,最高测量压力82MPa,在最高测量压力下,对温度的灵敏度极小,可以适用于井下的压力监测。

  (2)温度监测

  分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。因为井的温度剖面的变化可以与其它地面采集的资料(流量、含水、井口压力等)以及裸眼测井曲线对比,从而为操作者提供有关出现在井下的变化的定性和定量信息。传统的测温工具只能在任何给定时间内测量某个点的温度,要测试全范围的温度,点式传感器只能在井中来回移动才能实现,不可避免地对井内环境平衡造成影响。光纤分布式温度传感器的优势在于光纤无须在检测区域内来回移动,能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被置于毛细钢管内,因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器测试。

  最广泛地应用于井下监测应用的光纤传感器之一就是喇曼反向散射分布式温度探测器,这种方法已经在测量井筒温度剖面(特别是在蒸汽驱井)中,得到了广泛的应用。分布式温度传感器要综合考虑测量的点数和连接器衰减,遇到的问题和解决方法为:

  a.光纤以及连接器对信号的衰减问题,解决的方法为尽量减少连接器的数目、采用布喇格光纤光栅传感器以及改进连接器的性能;

  b.井下安装时容易损坏,解决的方法为配备熟练工人、光纤传感器需要外部保护层、减小应力(包括射孔和温度引起的应力)。对于光纤分布式温度传感器系统,英国Sensa公司一直处于技术领先地位,有一系列产品问世,而且与各大石油公司合作,积极探索光纤分布式温度传感器在石油井下的应用。CiDRA公司也一直在研究光纤温度传感器,目前该公司的温度传感器技术指标为:测量范围0℃~175℃,准确度±1℃,分辨率0.1℃,长期稳定性±1℃/yr(150℃下连续使用)。

  目前的光纤温度、压力传感器的最主要的缺点之一就是温度压力交叉敏感特性,如何消除或者利用这种交叉敏感特性是研究的热点。

  (3)多相流监测

  为了做好油藏监控和油田管理,最关键的环节是获得生产井和注水井稳定可信的总流量剖面和各相流体的持率。然而,大多数油井分层开采,每层含水量不同,而且有时流速较大,给利用常规生产测井设备测量和分析油井的生产状况带来了巨大的困难。液体在油管中的摩阻和从油藏中向井筒内的喷射使得压差密度仪器无法准确测量,电子探头更是无法探测到液体中的小油气泡。

 

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