光纤测井（精选3篇）
光纤测井 篇1
摘要：随着信息技术的飞速发展, 光纤传感器技术也得到了飞速的发展, 当前光纤传感器因其它具有重量轻, 抗干扰能力强等优点, 已在石油测井当中得到了实际的应用。本论文基于光纤传感器技术的测量原则, 综述了其在测井当中的具体应用, 最后对光纤传感器技术的前景做出了展望。
关键词：光纤传感器,测井技术,石油测井
在全球的石油工业当中, 石油测井是一项非常基础的工作, 同时也是影响石油开采最关键的一个环节, 特别是油气井下的温度和压力等数据更是重中之重。所以当前必须通过相关的技术手段来对这些数据进行实时准确监测, 以期望能及时获得相关的油气井下信息, 这对地下石油的开采具有非凡意义。从工作实践来看, 以往传统的电子基传感器在井下的测试数据不准, 主要是受到了高温、高压条件的影响, 以及相关地磁地电的干扰。随着当前信息技术的发展, 出现了新的光纤传感器可以解决在高温、高压等极端条件下测试数据不准的问题。具有广阔的应用前景, 值得推广。
一、光纤传感器测井原理
1. 流量测量
光具有很多的特性, 例如波长、强度、频率以及相位等, 所以在光纤传输时, 会被流量所调制, 如果通过某种手段将调制量变成电信号, 可以计算出流体流量, 光纤流量计就是这样运作的。和以往的流量传感器进行比较, 这种传感器更加灵敏, 也更加的精确, 可以抗干扰, 也不需要电子线路, 占地面积小, 比较安全。多相流光纤流量计可以及时的测量压力、温度、流量和滞留量, 通过对流速和有关声速, 参考流体的压力、声速、温度能可以获得各相流量。
2. 温度及压力测量
DTS也叫做分布式光纤测量系统, 主要的原理就是光纤的温度效应, 实时测量光纤的温度场, FBG型以及EFPI型光纤传感器的类型属于波长编码型, 它通常比较灵敏, 可以在同一个时间里对温度、压力等一些参量进行测量。
3. 声波测量
VSP地震测井的工作原理是将检波器至于井里, 通过井里流体流动以及地面地震波形成的微震动, 让检波器获取信号。永久井下光纤3分量地震测量比较有方向性, 而且很灵敏, 可以形成精度很好的空间图像, 不但可以形成井眼附近的图像, 还可以形成井眼附近的地层图像, 涵盖几千公里的范围。它对环境没有过高的要求, 而且不需要井下电子设备以及可移动设备, 能够抵御很强的震动以及冲击, 对于完井管柱特别小的空间, 是最适用的。
二、光纤传感器在测井上的应用
1. 储层参数监测
(1) 压力监测
在光纤压力检测领域, 美国一家公司的研究成果是最先进的, 这家公司的专家发现, 布喇格光纤光栅传感器可以对压力做出反应。已经研发出来的传感器可以在175℃的条件下使用, 而现在还在进一步研发可以在200℃以及更好的温度下使用的传感器, 具体的目标是250℃。因为受到压力以及温度的影响, 所形成的测量偏差, 在某个范围内, 是达不到6.89k Pa的, 水平和电子测量系统差不多。美国一家公司研究中心的某些人长时间的研究利用布喇格光纤光栅传感器实现检测的情形, 他们开发出的侧孔布喇格光纤光栅传感器受到温度影响很小, 温度最高可以达到300℃, 测量压力最高可以达到82MPa, 在测量压力很高的情况下, 很少受到温度的影响, 比较适合对井下压力进行测量。
(2) 温度监测
对于井下监测来说, 应用的比较广泛的光纤传感器包括喇曼反向散射分布式温度探测器, 这种探测仪主要应用于对井简温度剖面的测量。英国Sensa公司在光纤分布式温度传感器系统方面属于领军人物, 开发了很多相关产品, 并且和各个知名石油公司联合, 深入的研究光纤分布式温度传感器在井下的工作情况。对光纤温度传感器进行研究的是Ci DRA公司, 现阶段, 这家公司的技术指标是:准确度是1℃, 测量范围是0℃到175℃, 分辨率是0.1℃。现阶段, 光纤压力以及温度传感器还有一个弊端, 那就是具有交叉敏感的特点, 而我们目前主要就是研究如何避免或利用好这种特点。
2. 声波测量
水久井下光纤3分量地震测量方向性很强, 也很灵敏, 可以形成精度很好的空间图像, 不但可以形成井眼附近的图像, 还可以形成井眼附近的地层图像, 在有些条件下, 可以测量几千英尺的范围。它不会受到环境的影响, 使用周期和油井的寿命周期差不多, 而且不需要井下电子设备以及可移动设备, 外层有2.5厘米的外壳所保护, 可以抵抗强烈的震动以及冲击, 比较适合在完井管柱等狭窄的空间里安装。同时, 这个系统信号频带比较宽, 动态范围也很广, 信号频带宽度达到3Hz至800Hz之间, 对于不同频率都可以记录。
3. 激光光纤核测井技术
对于井下传感器的研发来说, 光纤技术以及激光技术是很重要的, 可以在充有泥浆以及原油的井里应用。激光光纤核传感器的基础是光纤传感器以及光纤通信, 其原理是光致发光与光致损耗等物理反应, 和一般的核探测器比较起来, 优势更多。光纤核测井技术在某种意义上来说, 就是也是条件下的核探测技术, 它具有的优势是: (1) 应用的范围比较广, 对象可以是各种能级的核探测, 开发敏感探头。 (2) 如果利用了光致发光原理, 可以将探头置于几千米的井里, 通过传输光缆的连接, 光电倍增管可以放在井上, 不用考虑井下的恶劣条件, 这样可以延长寿命。 (3) 光纤的速率是非常高的, 而且具有较强的传输能力, 同时可以承载其他种类的井下仪器信号。
总结
综上所述, 因为光纤传感器独有的特征, 可以在声波检测、石油天然气井下的参数检测以及激光光纤核方面进行应用, 有利于天然气以及是有公司更好的了解储层, 从而合理的开采以及维护油气田。
参考文献
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[2]黄玉亮.基于传感器的测井技术在石油测井中的应用[J].化工管理, 2013, 14:88.
光纤测井 篇2
随着石油勘探需求水平的不断提高，高速测井信息传输技术在测井领域得到了广泛应用。它不仅能够提高油田测井数据的实时传输特性，而且支持信息密集型的高分辨测井仪器，极大地提高了测井工作的效率和可靠性，保证了钻井作业进度并减少了相应的资金投入。现有的测井传输技术主要有泥浆脉冲传输、电磁波传输、声波传输、电缆传输和光纤传输等。光纤传输技术具有传输距离远、频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等诸多优点。通过改进光纤涂层、封装并加装铠甲，不但解决了光纤耐高压、抗腐蚀以及高抗张强度等问题，还能承受一定的机械应力冲击，使光纤很好地替代了原有的电缆[1,2]。光纤传输技术是在钻杆的动力线缆中装入耐高温光纤，再利用井上、井下连接的光收发模块来实现高达几Mbit/s的远距离数据传输。本文设计了一种高温测井信息光纤传输方案，并进行了相应的温度数据采集和通信测试。
1 光纤测井传输的总体方案
鉴于井下工作环境的特殊性，在设计筛选器件时需要考虑到各种不利因素。例如，光收发器和电路板都会安放在钻杆连接棒内部的狭窄空间内，这对物理尺寸的要求相当严格，所选器件的空间体积应当尽量小，特别是横截面的最大直线距离不能大于连接棒内部空心孔的直径。同时，在井下高温和散热不佳的情况下，必须选用能够适应高温环境的光器件，也可以通过加装保温瓶，使得器件能够在高温环境下正常运行一定的时间。光纤应选用性能稳定的耐高温光纤，该光纤能够长时间工作在-55～300℃温度下，并且能够适应恶劣的测井环境。
总体方案可划分成3个部分：井下接口部分、光纤通信部分和井上接口部分。通过对各部分的分析，按照由简单到复杂的顺序完成各项工作，最后将3个部分组合起来进行模拟测试。光纤传输方案原理图如图1所示。
(1)井下接口部分
作为数据采集和测控的微处理器，不仅需要实现一些简单的传感测控功能，还需要有足够的通信速度和I/O(输入/输出)扩展接口。随着测井工作的进行，同一个测控单元在后期可能需要挂接其他的测井仪器，会占用单片机的其他I/O口。
(2)光纤通信部分
为了实现测井系统的控制和数据采集，我们需要设计一个基于耐高温光纤的双向传输通道。为了达到几公里的传输距离，对光源要设置一个合理的偏置电压，可以在达到传输距离的同时让光器件的老化速度达到一个合理水平[3,4]，间接提高整个传输系统的工作寿命。
(3)井上接口部分
由于PC自带的串口使用的是RS-232电平，与光模块的TTL(晶体管逻辑电路)电平不能直接相连，因而需要制作一个双向稳定工作的电平转换器件，实现光模块到计算机的互连接口。同时，要实现对井下采集数据的分析以及将上位机的测控信息下传，需要利用Microsoft Visual C++(VC++)软件来开发一个管理和显示界面，既可以发送命令，又可以显示测井信息。
2 测井信息光纤传输方案设计
2.1 井下微处理器
选用可蓄电池供电的超低功耗MSP430系列单片机。利用该单片机自带的温度传感器可采集井底的环境温度，同时，通过单片机的I/O口也可以扩展其他类型的传感器，比如压力传感器、放射线传感器和磁敏传感器等，还可以通过其自带的数/模转换器实现对钻机行进速度和方向的控制。
2.2 光模块和光纤
在井下高温高压的环境下，需要选用军工级的光源和PD(光电二极管)来制作光发送模块(工作温度范围为-55～125℃)。在光模块制作完成后，利用数字信号源产生的TTL方波(频率为1MHz)对其进行测试，并在示波器上显示其传输波形结果[5]，如图2所示。图中，顶部曲线为信号源方波，底部曲线为光接收模块所接收到的传输波形。测试所选用的光纤必须是经过特殊涂覆处理的耐高温光纤，有较好的传输物理特性并能适应恶劣的高温环境。
2.3 驱动器和波形整形器
发送端可采用并联的3个与非门，以获得足够的电流来驱动光源。接收端用施密特触发器来对PD输出波形进行整形，这有利于单片机对通信数据的正确判断。
2.4 设计过程和要求
基于选好的各类光电器件，开始完成系统的软硬件设计工作。首先，利用VC++中的开发功能制作上位机，可通过它向井下发送测井命令，也可将测井信息动态地显示出来;然后，利用电路设计软件，遵循对空间的严格要求，设计出布局紧凑的光收发模块;最后，在钻棒内部空心所容纳的范围内，制作以MSP430系列单片机为核心的低功耗测控系统和外围电路。
3 高温环境下的温度数据采集和传输测试结果分析
方案搭建完成后，先在常温下进行基本功能测试，再放入模拟的高温测井环境中验证方案的可行性及可靠性[2,6]。实验结果表明，在室温环境下，测井通信系统可以在8h内正常进行，常温(27℃)下的温度采集结果如图3所示，实现了设计的基本工作要求。
在进行的模拟高温环境下的温度信息采集试验中，首先将编写好的程序烧写入井下测控核心并将模块安装到钻杆连接棒内，然后和光模块一起移至多功能恒温箱中并搭建起测试链路，关闭箱门并进行模拟高温环境下的温度数据采集和传输测试。根据实验计划，先调节好恒温箱内部的相对湿度，同时设定模拟试验的环境温度(分别为60、70、80、90、100、105和110℃)和工作时间(分别为3h)，连接好各类跳线并接通电源，开始温度传感数据的采集和传输测试。
测试结果表明，在所有预设的高温下，测井通信系统都可以在设定的时间内将所采集到的温度传感信息上传到计算机并显示出来。图4所示为110℃时持续测试3h的实验结果。它表明上位机能够实时、准确地获取井下温度传感信息，收发过程未出现码元错误的情况。
对于高速测井系统来说，通信的速率、质量和距离是关键的技术指标。该方案能够在110℃高温环境下长时间工作，传输带宽最高可达2Mbit/s(对应的距离约为500m)，与某些正在使用的500kbit/s传统电缆数据传输系统相比有很大的提升。在电磁干扰较强的环境中测试后，利用相关软件分析接收的数据可发现传输误码率并没有改变，表明该设计在复杂电磁环境下仍有很好的通信质量。试验结果充分体现了光纤传输系统的优势。
4 结束语
测井信息光纤传输方案以其良好的传输性能在油田遥传系统中有着广泛的应用前景。在该传输方案中，上位机通过下行光纤向井下测井系统发送控制命令，测控系统读取命令后通过上行光纤将采集的数据传送上来，实现了井下温度信息的光纤传输。在110℃高温下持续测试3h，传输系统仍然能正常工作，因此上述方案对于实现高温环境下的高速、远距离测井信息的传输具有重要参考价值。但在设计中也有一些技术难题，诸如传输方案在井下长时间工作的稳定性、钻杆/连续管/套管钻机在不同场合下的应用等，这些都需要做进一步设计和试验。
参考文献
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光纤测井 篇3
油气水三相流中的含气率是指流体中气相所占的比例,是多相流体流动的重要参数。由于该参数与流型、压力、流速和流动方向等密切相关,目前理论计算模型还有较大的局限性,实验测量是研究含气率的主要手段,也是研究油气水三相流动的重要手段。国内外发展了多种测量含气率的方法,如:快关阀门法、电导探针法、电容法、射线法、超声波法、高速摄影法等,但这些方法本身各有各的局限性和一定的针对性。利用光纤探针进行油气水三相流局部含气率的测量,是一种较为先进的测量手段,具有损耗低、频带宽、线径细、重量轻、不导电、抗电磁干扰、耐腐蚀、去湿效果好、灵敏度高、数据处理方便等诸多优点,足以满足油井井下油气水三相流体实际测量的需要[1,2]。
1 基于光纤传感器的持气率测量系统
随着我国各大油田纷纷进入中晚期开发阶段,多数油井由自喷转向机械采油。根据抽油机井工艺要求,测井仪器只能通过油管和套管之间的环形空间进入需要测试的目的产层,此时要求仪器的最大外径不能超过28mm。根据该要求,设计了集流型光纤探针持气率测量仪,主要由伞式集流器、光纤探针传感器及装有传感器驱动电路的电路筒组成,结构如图1所示。油井套管内径为125mm,而传感器内径仅为20mm,如果不使用集流器,仅有少量的油气水三相流体从电导传感器内部流过,传感器内的流体会趋于静止,此时持气率测量的结果不具有代表性。为了增大传感器内部流过流体的流量,通常采用集流的测量方式,即在光纤探针传感器底部安装伞式集流器。当测井仪器位于指定测点后,使集流器张开,以封堵套管和测井仪器之间流体的流动通道,迫使流体全部或绝大部分流经光纤传感器,并经上出液口重新流回井筒。
图1 集流型光纤探针持气率测量仪(参见右栏)
2 光纤探针持气率测量原理
光纤探针法的测量原理基于气相和液相对光的折射率不同,如图2所示,当光纤探针与气相接触时,入射光在棱镜上发生全反射,经反射光纤投射到光电转换器上,光电转换器输出高电平;当光纤探针和水或油相接触时,入射光在棱镜上被折射出去,无足够强度的光投射到光电转换器上,光电转换器输出低电平。随着油气水三相流体交替流过光纤探针,光电转换器输出随时间连续变化的电压信号,将此信号经过处理,便可得到光纤探针所在位置的局部截面含气率。
以i表示探针头曲面上任一点(r,θ,z)处的入射光,当油气水三相流交替流过探针时,点(r,θ,z)处的瞬时局部含气率α(r,θ,z)为:
油气水三相流是一种非定常流动,因此α(r,θ,z)将随时间而发生变化。实验表明,油气水三相流一般具有平稳随机特性,有:
式中,T为积分时间长度,为平均局部含气率。定义瞬时截面含气率和平均截面含气率分别为:
式中,R为管道半径。由式可得:
对于油气水三相管道流动,瞬时容积含气率和平均容积含气率可分别定义为:
式中,L为管道长度。由式可得:
若在管长区间(0,L)内,气体沿流动方向的体积膨胀可以忽略,因此,工程上一般认为平均容积含气率与平均截面含气率等价,可得:
此式表明,采用光纤探针法测量管道内油气水三相流的截面含气率是可行的[3,4]。
3 光纤探头结构设计
在光纤的一端熔接一具有适当角度的光学棱镜,并套上套管,就构成了一根光纤探针。单光纤探头有一根光纤,入射光和反射光均用同一根光纤,采用分光镜或分路器来检测反射光。单纤探针头部尺寸小,容易刺破气泡,且能够检测较小的气泡,对流场干扰小,动态响应能力好。本文选用单芯锥形探针测量含气率。单芯锥形探针的结构如图3所示,一单位面积光强度为ip、总光强度为Ip的平行光束I入射到探针头的锥面上,θn为入射角,θf为折射角,nn为探针头部棱镜的折射率,nf为被测介质的折射率。β为光纤探针棱镜的角度,该角度是一个十分重要的指标,它的大小决定着能否将气相和液相区分开来,其确定主要取决于棱镜的折射率n0和被测介质的折射率nf。
根据光的折射定律有:
光线入射角θ0与棱镜角度β的关系为:
显然,区分气相和液相的临界折射角θfr=90°,此时入射光线在棱镜中发生全反射的临界折射率nfr为:
要区分气相和液相,nfr必须满足:
式中,ng和nl分别为气相和液相的折射率,单芯光纤探针棱镜角β度须满足[5]:
标准条件下空气的折射率ng=1.000,油的折射率n0=1.48,水的折射率nw=1.333,取nl=nw=1.333。光纤探针棱镜选用折射率为1.76的蓝宝石材料,根据式(14),光纤探针棱镜的角度β应满足:81.5°﹤β﹤110.8°。因此,对光纤探针蓝宝石棱镜而言,将其角度确定为β=90°是一个合适的选择。此时它对应的临界折射率nfr=1.24。此时:
故β=90°的蓝宝石棱镜可有效识别气相和液相。
4 驱动电路设计
光纤传感系统中,将光波作为载波,在输入端使用光源将电信号转换为光信号,在输出端使用光电检测器件将光信号转变成电信号。本系统光纤探针传感器驱动电路主要包括光发射模块和光接收模块。光发射模块的主要组成部分是LED发光管、光源驱动电路和自动功率控制电路;光接收模块的主要组成部分是光探测器和光电检测电路。
4.1 光源及光发射模块
光纤传感系统中,将电信号转换成光信号是由光源及以之为主体的光发射模块来完成的。半导体光源是光纤系统中最常用的也是最重要的光源,主要特点是体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、亮度高、供电电源简单等;且它与光纤容易耦合。经过综合考虑,由于油井井下工作环境温度变化较大,所以系统选择红外LED作为光源。图5为LED恒功率自动控制电路。
4.2 光探测器及光接收模块
在光纤传感器中,光探测器是光探测接收模块的基础,它的灵敏度、带宽等特性参数直接影响光纤传感器的总体性能。本文选用光电探测器探测反射光强度。
光电检测电路如图6所示。PIN光电二极管将反射光转换成电信号,受光照时光电管根据光强变化转换成电流的变化;IC1构成I/V变换器,IC2为电压放大器。由于反射光强太小,IC1输出电压信号幅度很小,因此需要用IC2进行二级放大。IC2后接一个低通RC滤波,以滤除噪声等不需要的高频分量。
5 结论
针对油气水三相流的含气率的测量问题,本文设计了集流型光纤探针含气率测井仪器,对光纤探针测量含气率的可行性做了分析,并且设计了光纤传感器测量含气率的最优探头角度和驱动电路,实验表明此系统可有效测量油气水三相流含气率。
摘要：针对测井过程中油气水三相流的含气率的测量问题,本文研究了用于测量含气率的集流型光纤探针测井仪器。首先设计了测井仪器的系统,并对光纤探针法测含气率原理做了分析,其次确定了光纤探针测量含气率的最优探头角度,最后设计了光纤探针传感器驱动电路。
关键词：光纤传感器,油气水三相流,测井仪器,持气率
参考文献
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