[发明专利]膜片式光纤智能井压力与温度传感器

说明书

技术领域

本发明属于智能井技术领域，特别涉及通过光缆与地面的解调器，可以实时读取油井内不同位置或不同油层的温度与压力的全光纤传感器。

背景技术

智能井技术始于20世纪90年代，在当时全球石油工业提高油藏产能的大趋势下，智能井技术得以发展并商业化。这一技术的研发使许多原来不能开采的边际油田得到开发，为深水、海上、边远地区及老油田的开发带来了希望。所谓智能井就是在井中安装了可获得井下油气生产信息的传感器、数据传输系统和控制设备，并可在地面进行数据收集和决策分析的井。通过智能井可以进行远程控制，达到优化产能的目的。应用智能井技术可以通过一口井对多个油藏流体的流入和流出进行远程控制，避免不同的油藏压力带来的交叉流动。对于多油层合采，智能完井的应用允许交替开采上部和下部产层，加快了整个井的生产速度，也提高了油井的净现值。油藏的远程管理使得作业人员无需对井进行物理干预，减少了潜在的修井作业的成本。在钻机时间(尤其是在深水或海底)成本昂贵的条件下，修井成本的降低会带来显著的效益，同时也弥补了由于修井而损失的产量。另外，应用智能完井的注入井可以更好地进行注水控制，提高油井的最终采收率。同时，应用智能井系统也可以减少地面基建设施成本。智能井技术的目的是提高油井开采率，提高油田自动化控制水平，降低油田操作成本与设备成本，从而实现长远的经济效益。

智能井技术中的核心部件是永久式油井传感器，它负责向地面提供压力温度数据。随着油田的不断开采，油气井的深度不断增加，传感器的工作环境温度也越来越高。传统电子传感器已经难以满足需要。根据国外统计，井下温度每升高18℃，电子传感器的故障率就提高1倍。壳牌石油在1987-1998年间对952个电子永久性油井传感器的分析表明，在低于100℃的连续工作环境下，12％的传感器在1年内失效，31％在5年内失效。美国Quartzdyne公司对其超过450个高温电子传感器在180℃环境下进行测试，3个月内超过60％的传感器失效，在6个月内，全部传感器失效。因此，电子传感器一般用于低于100℃的油井中。一些深海油井的温度已经达到200-250℃，而稠油注气井的温度高达300℃。在这些应用环境中，电子传感器完全无法满足要求。

与电子传感器相比，光纤传感器的优点是耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰、使用安全不打火、体积小。这些优点使得它在20世纪90年代末逐渐在油田中展开应用。2002年8月，Norsk Hydro ASA公司完成了业内第一口多光纤传感器智能井。光纤测量系统安装在北海挪威海域Oseberg东部的E-11C井，包括在井内安装多个光纤压力和温度传感器及地面操纵智能完井流量控制装置。所有光纤传感器都由Weatherford公司生产。目前国外进行智能井光纤压力温度传感器传感器开发的公司有还有美国Sabeus公司，美国Baker-Hughs公司，加拿大FISO公司，巴西Gavea公司等等。这些公司目前的产品都是面向智能井单点测温测压应用的。

目前，智能井单点压力和温度光纤传感器的结构主要是基于一种以光纤光栅和光纤法布里-帕罗干涉腔相隔一定距离依次串联在同一根光纤上的级联结构。其中，光纤光栅用于测量环境温度，光纤法布里-帕罗干涉腔用于测量环境压力。由于光纤法布里-帕罗干涉腔具有较大的温度串扰，因此需要用光纤光栅测量出的环境温度来补偿光纤法布里-帕罗干涉腔的压力测量结果，从而得到正确的环境压力值。

这种结构存在以下两个主要问题：1.由于智能井光纤传感器采用的都是高相干性、长相干距离的激光光源，因此如果光纤光栅与光纤法布里-帕罗干涉腔的间距过小，则光纤光栅的反射光与光纤法布里-帕罗干涉腔的反射光在同一根光纤中将发生干涉，极大的影响温度测量精度，进而影响压力环温补偿的精度，从而影响压力值的精度。为了避免两个传感器之间的干涉，必须使得两个传感器之间的间距大于激光光源的相干距离，其典型值为600mm。但是当两个传感器相隔一定距离，则无法保证两个传感器感受到的环境温度为同一值。因此，对光纤压力传感器的环温补偿会出现偏差，从而影响压力值的精度；2.光纤法布里-帕罗干涉腔是基于石英玻璃以及金属材料的，因此可以长期工作在较高温度，如300℃。光纤光栅的工作原理是基于用紫外线固化在光纤中的一种折射率周期性调制的结构。而这种折射率的结构在长期的高温运行中会弱化以至于消失，大大的降低了传感器的信噪比，从而影响测温测压精度。因此光纤光栅可以长期工作的最高温度一般不超过150℃。