光纤光栅多相流技术

一、光学法测量井下多相流中气相流量的方法研究

宋红伟郭海敏戴家才

【摘要】：在传统的三相流测井中,流量测量是油气水三相的总体响应,无法直接获得分相流量,给测井资料的解释带来很大困难。采用光学多普勒-反射波法,利用光学多普勒效应测量流体中气相的流速,利用反射光波强度测量持气率;通过非集流的方式,在基本不改变流体流动状态的情况下,实现井下多相流中气相流量测量。测量数据反映了被测流动截面上不同介质的光学特性,由计算机根据特定算法将其转化为图像像素,进而重建和显示气相截面图像。该测量方法可实现同一界面上多点测量和多界面测量,可以获得多相流体流动截面的相态分布和速度分布的清晰图像,实现真正的流动成像测量。

【作者单位】：长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室;长江大学地球物理与石油资源学院;

【关键词】：多普勒效应光学成像分相流量生产测井多相流体流动持气率光学法测量流量测量反射率反射光【基金】：湖北省自然科学基金资助项目“光纤传感技术及其在油气井多相流动监测中的应用研究”(2007ABA077)中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金资助项目“基于光纤传感技术的油藏动态监测理论研究”(06E1027)

【分类号】：TH814

【DOI】：CNKI:SUN:SYJI.0.2009-10-003

【正文快照】：

0引言生产测井是监测油气田开发动态的主要技术手段。油气田开发动态监测的重要途径是测量采油井和注水井内的流体流动剖面,测量的目的是了解生产井段产出或吸入流体的性质和流量,对油井生产状况和油层生产性质做出评价。油、气、水三相流测量不仅是世界性难题,而且是世界范

二、光纤传感技术在多相流体参数检测中的应用

论述了一种新型多相流体参数测试方法，传感机理为弯曲光纤的传输光功率随外界介质折射率变化，在分析光纤弯曲波导输光能损耗与弯曲半径，外界折射率等因素关系的基础上，提出一种U型结构的光纤传感器系统，并将其应用于多相流体参数测试仪器中，进行了初步研究和探讨，该系统以U型光纤传感头和微控制器，可编程外围芯片为核心，构成的数字化，小型化光纤传感系统，能不分相地，实时地，连续地对阵列式分布的传感器进行数据采集，分析，求统计平均值来获得多相流体的流动参数，分布状况，本系统抗干扰能力强，具有开机自检，过程报警，通信接口等功能，可与过程控制网络连接，支持流行的现场总线协议。

三、用于永久性井下监测的光纤多相流量计

2003-08-14 09:48:15

中国石油网消息：实时井下多相流量数据对于生产优化极具价值，特别是对于那些高成本的深水开发和多分支井更具有重要意义。现在已研制了一种用于井下永久监测的全光纤多相流量计，井下流动数据的应用包括：（1）确定各产层的产量；（2）识别生产异常，确定发生异常的产层段位置；（3）直接确定生产指数；（4）确定混合流体的产量；（5）减少地面测试的次数。（6）减少地面测试设施。

1.光纤流量计独特的设计

新的永久井下光纤流量计提供实时井下测量，包括压力、温度、流量和各相流体的体积分数（即持率）。该流量计包括分布在一根光纤上的布拉格光栅传感器阵列，提供覆盖全井眼的多种全光学测量。测量设备是在完井时和生产油管柱一起下入井中。流量计的测量系统由两个模块组成：上部总成包括光纤压力传感器和温度传感器；下部总成包括光学流量传感器和相体积分数传感器。可以用一根光纤测量压力、温度和流量。

2.工作原理

(1)声速测量。为了测量混合流体的声速，流量计根据不稳定压力测量生产油管中流体流动时产生的噪声。噪声可能来自任何与生产相关的声源，包括射孔孔眼中流体的流动、节流阀、气泡破裂声、电潜泵及气举阀等。

(2)混合流体的总速度。光纤流量计应用互相关技术确定总的流体速度。在理想情况下，下部传感器与上部传感器的测量信号有一个时间延迟。因此测定轴向上上、下两个测量信号的时间差就能确定流体速度，进而推算出体积流量。

(3)各相流体的体积分数。流量计通过测量声速来确定两相混合流的相组分。混合流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性。这个相关性普遍存在于两相气/液和液/液混合流体系统中，而且也适用于多相混合流系统。光纤流量计通过声速差别来区分混合流体中两相组分。

3.混合流体中各相流体的流量

根据混合流体的声速确定各相流体的体积分数，就是测量流过流量计的各单相体积分数（即持率测量）。某一流体相持率是否等于该相流动体积分数，取决于该相相对于其它相是否存在严重的滑脱现象。对于不存在严重滑脱的油水两相混合流系统，可以用均匀流动模型进行分析。对于存在严重滑脱现象的流动状态，则必须应用更完善的滑脱模型来解释流量计测量的数据，才能准确地确定各相的流量。流动循环实验表明：对于油水混合流体，流量计的长波长声速测量可以确定各相体积分数（即持率），而与流动非均质性（如层状流动）无关。

4.流量计的安装

2000年10月，光纤流量计首次被安装到壳牌公司在墨西哥湾的马斯A-18井中。在油井产油期间，流量计提供了压力、温度和体积流量数据，与测试分离器的参考测量数据具有很好的一致性。2001年6月在阿曼的利牧尔油田的两口井中首次将光纤流量计用于为期两周的油田现场实验。在其中一口井中，流量计安装在完井管柱中电潜泵（ESP）的下方；在另一口井中，流量计安装在梁式泵的下方。在地面用一个科利奥斯质量流量计作参考测量。在梁式泵抽油井中，用作监测井下流量的无源监听技术不适合该井的间歇自喷和梁式泵相对高的噪声环境，因此光纤流量计在该井中的测量结果无法与地面测量的流量相比较。在电潜泵井中，井下光纤流量计测量的流量与持水率数值与地面科利奥斯质量流量计测量的结果具有较好的一致性，持水率测量值误差在±2%范围内，总流量的测量误差在±3%范围内，都达到了技术规范标准。

四、光纤传感器在石油测井中应用进展

光纤传感器在测井中得到了广泛的应用。到目前为止光纤传感器已经能够进行井下参数(压力、温度、多相流)的监测、声波监测、激光光纤核测井等，有一部分光纤测井技术已经商业应用。本文综述了光纤传感器在石油测井中的最新研究与应用进展，最后指出了光纤测井的应用前景。

五、新颖的光纤流体界面传感器

https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,/china/make_art.asp?id=29420

我们将介绍一种探测透明和不透明的两种流体之间（如原油和水或者原油和空气）以及折射率完全不同的两种透明流体之间（例如水、卸妆油或空气）的界面位置的传感器。在每种情况下，传感器的结构相同，尽管两种不同形式的探测依赖于不同的原理。作为一个光学传感器，该设备不受EMI影响，并且不会在潜在的爆炸环境中产生火花。

该设备已经由美国Sandia国家实验室申请了专利。在石油行业及其他行业的很多应用中都需要界面传感。尽管实验室原型遵从我们在此讨论的论证原理，但是必须针对特殊的应用对传感器进行改造和实地测试，Sandia期待与行业伙伴合作来实现这一目标并特许该项技术。

透明和不透明流体在最基本的形式中（图1），不透明的流体漂浮

在透明流体上，传感器利用掺杂了荧光剂的光纤，后者在受到短波长光

的激发时会在特定的光谱区发光。在左侧的光纤名为“主光纤”，当受到

泵浦光中的蓝光激发时会发出绿色荧光。在右侧的光纤名为“副光纤”，

当受到绿光的激发时，产生的荧光位于红色光谱区。纯净的光纤与光学

探测器相互传送信号，而光源作为电组件，可以被放置在较远的地方。

操作的基本原理很简单。荧光的发射是各向同性的，因此绝大多数Array光是从光纤发射出的，而不是沿着光纤被引导来的。就主要光纤来说，不能控制的部分穿过一个透明的裂缝被传送到次级光纤，那里它激发出第二荧光。光能量的一部分由次级光纤引导到光电探测器。如果两根光纤之间的媒介在感兴趣的光谱区域是透明的，那么它们之间的光学耦合很高，会产生强信号。如果两个光纤之间的媒介是不透明的，光耦合很低，并且信号弱。因此，随着原油和水之间的界面从传感器顶端移动到底端，光电探测器的输出将从最大值逐渐减小到零。

要注意一些额外的事项。首先，图表展现了位于每根光纤末端的镜子，它们有助于增强信号，无论界面位于哪个位置。第一面镜子反射泵浦光，使它反射到主要光纤的远端，产生更多的荧光。第二面镜子反转了次级荧光的方向，之前该荧光正

在远离探测器。在光纤间的耦合效率方面，图1中的结构效率低下，因为主要荧光射到次级光纤上的太少了。我们可以通过

利用反射镜和增加主要光纤周围的次级光纤的数量来提高耦合效率。另一方面，如果两根光纤位于椭圆形的焦距处，周围包有反射性外罩，那么我们可以仅利用这两根光纤就能够增强耦合效率。我们利用Saint-Gobain聚苯乙烯制造的便宜的塑料荧光光纤。然而，所谓的边发射光纤也可以从Intelite等公司得到。这些硅光纤的缺陷导致光在没有经过任何波长变化的情况下就散射出核心。相反的，它们可以将光散射到光纤中（不幸的是，部分光又散射出去）。因此，成对的边发射光纤将被用

于双荧光光纤的地方，降低对波长选择的顾虑。在一个给定的传感器中混合两种类型的光纤也是可行的。

不同折射率的两种透明流体 对这种界面的探测使用来自主要光纤的增强

的外散射光，它由匹配程度决定，匹配存在于主要光纤的反射率（n ）以及将

其与次级光纤上隔离的媒介之间（图2）。主要荧光在一个假定折射率为1.5

的材料中以一系列角度发射。如果在主要光纤与次级光纤之间的媒介是空气，

那么反射到主要光纤的主要荧光的角度大于临界角（θc ），41.8°。如果媒介是

水，折射率为1.333，那么临界角是62.7°。如果是油，其折射率是1.47，临界

角就是78.5°。由于主要光纤耦合的光能量随着干涉媒介折射率的增加而增加，

如果两种流体是透明的油和水，信号将会随着界面从传感器的顶部到底部而单

调增加。

实验安排 我们搭建并测试实验室原型来决定传感器在理想的状态下如何响应。为了

简便，我们将所有的源和探测器直接安装在传感器上，然后我们利用一个可移

动的阻片来模拟不透明的流体，后者产生完美的不透明性和界面。透明的流体

是空气。由两根铝柱组成的模型（图3）大约1.5m 长，柱上有较长的矩形凹槽。主要光纤被安置在一个凹槽中，次级光纤位于另一凹槽中—两根光纤直径都是5mm — 并且它们被封装到光学环氧树脂中

进行保护和维持机械稳定。在每个栅格上的浅槽使得可移动的栅格沿着它们中间滑动。矩形凹槽引起光纤之间的最佳光学耦

合这一点并不明确；但它们是最简单的设计；V 型槽或者椭圆部分或许可能更完美。除了利用绿色激光指示器的案例外，光

源是由Phillips Lumileds 光学公司制造的Luxeon LED ，而硅光电探测器则是由OSI 光电公司制造的。

荧光光纤的特征

荧光光纤的特点在于同时具有吸收光谱和辐射光谱。光纤在一系列波长

范围内吸收光线（吸收光谱），并在一系列波长范围内辐射光线（辐射光谱）。

如图4所示，全部四种光谱很宽，并且在这个图表中，只有特定光谱中的相

对值具有定量重要性。绿色荧光光纤大量吸收蓝光光谱，并辐射大量的绿色

光谱。此外，红色荧光光纤吸收一定范围内的波长，包括绿光，并主要辐射

红光。该光纤的辐射和吸收光谱在550-670nm 之间有一个重叠区。这意味着

在该光谱范围内大量辐射的光线将自吸收并在产生后很短的距离内消失。

实验结果

透明区域和不透明区域的界面 在实验的早期，我们发现光源的光谱范

围以及次级荧光光谱的属性在决定传感器的响应方面很重要。幸运的是，我

们可以利用标准光组件来设计光谱，从而产生想要的针对传感器的响应曲

线。

考虑到绿色荧光光纤的吸收光谱特性，我们首先选择了峰值波长在455nm 和470nm 处的LED 作为泵浦光源发射光，因为我们认为它们可以产生出足够的荧光能量来满足当前的目的。这些波

长接近光纤吸收光谱的最长波长，但是它们在低于LED 峰值波长20nm 处产生可测量的光能量。两根光纤末端处反射镜的

成效显示在图5中。出乎意料的是，吸收非常高效，以至于所有的泵浦能量在传感器第1个5-10cm 范围内被吸收。在这个

图中很难看到，但是这是470nm LED 这种情况就没有这么准了。显然，荧光剂的标准浓度对于这个应用来说太高了，但是

低浓度光纤可以提供宽响应并且以特定顺序获得。利用505nm 和530nm 波长的LED 提供越来越好的结果。但是，这些波长

仍位于光纤的辐射光谱内。显然，在光线的辐射和吸收光谱之间有足够的残余重叠，530nm 的LED 满足对于当前的目标来

说很有效。

图2、感应不同折射率的透明流体之间界 面基本传感原理

我们决定利用来自Schott Glass 公司的长通吸收滤波器之间滤出530nm

LED 光谱中更多的短波区域，继续这个过程。此外，我们利用一个相似类型的

长通滤波器消除辐射和吸收光谱之间的重叠区域，滤除次级荧光光谱。我们还

利用绿色激光指示器（在532nm 处急剧地辐射）来获得数据，而不需要额外的

滤波。结果显示在图6中。符号“OG550”是指一个长通滤波器，它在550nm 处

具有50%的传输率并且在60nm 的范围内传输率从0上升到98%。滤波器

OG505、OG530以及OG570同时也位于光源前方，但在标准化传输中并不产生显著差异。滤波器RG665位于探测器的前面，其50%的传输点位于655nm 并且有相似的上升势头，而且在响应中该滤波器产生了重要的改进。

当我们使用障碍物在水中移动时，更好地模仿了原油和水之间的界面，传

感器的响应曲线在本质上未变。

两种透明流体之间的界面（水和空气） 图7显示了利用相同的滤波器对

空气下方的所谓纯净水（n=1.333）的测试结果。传感器响应的形状没有变化，

但是当水充满两个光纤之间的空间时，信号的量级增加了2.25倍。这一增长是

由于之前讨论的影响导致的。利用糖水（n=1.444）进行类似的实验产生了3.25

的倍增因数。这些数字都可以利用相关联的临界角的值准确地计算出来。

空间上可分辨的荧光测量方法 总体来说，传感器的响应在80%的范围内都是相对线性的。但是，即使在光学滤波后，传感器响应仍旧包含在传感器长度的最后几厘米距离内的快速增长，并且这个增长的微弱影响发

生在其最初的几厘米内。这些特征在某些应用中会很有用。该影响是主

要光纤输出的荧光（结合了次级光纤输出的荧光）空间相关性的结果。

这些关系曲线被绘制在图8中，还配有如何获得它们的动画。对主要光

纤的输出空间分解测量结果的形状好似浴缸，x = 152附近处的边沿高度

是x = 0 cm 处的几倍。但是，并不是很清楚为什么它是这种形状的，就

好象反过来的指数衰减曲线。

结论

我们已经演示了有望在很多工业应用中使用的光学界面传感器的实验室原型。它已经准备好应用于其中的工业场景中。

图4、主要光纤和次级光纤的辐射和吸收光

谱(数据来自Saint-Gobain)。

图5、标准化信号与不透明-透明界面的

位置的关系图，利用峰值波长分别为455 nm 、470nm 、505nm 、530nm 的LED 。

图7、标准化信号与水-空气界面的位置的

关系图，利用530nm 光发射二极管和两根光纤。

图8、主要和次要荧光的空间分解测量

结果，以及一个演示如何获得测量结果

的动画。LED和探测器都在图6中被除去。

六、基于光纤传感器的油气水三相流持气率测井仪

https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,/article/85/126/2010/20100413215728.html

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。

0 引言

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 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。

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问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。

(t，r，θ，z)为：

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：

对于油气水三相管道流动，瞬时容积含气率αv(t)和平均容积含气率可分别定义为：

若在管长区间(O，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而含气率是可行的。

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：苍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，θ0为入射角，θf为折射角，n0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：

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：

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度β须满足：

标准条件下空气的折射率ng=1．000，油的折射率n0=1.48～1.50，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；I C1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汕气水三相流含气率。

七、光纤传感器在石油测井中的应用进展

2007-06-27 15:01

光纤传感器在石油测井中的应用进展

基金项目：大庆石油管理局钻探事业部资助项目（B04006025）；大庆石油管理局重大科研资助项目（DQKJZB200318）

摘要：光纤传感器在测井中得到了广泛的应用。到目前为止光纤传感器已经能够进行井下参数（压力、温度、多相流）的监测、声波监测、激光光纤核测井等，有一部分光纤测井技术已经商业应用。本文综述了光纤传感器在石油测井中的最新研究与应用进展，最后指出了光纤测井的应用前景。

关键词：光纤传感器；测井；井下监测

中图分类号：TP212.14 文献标识码：A

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[2~11]。

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175 oC，200 oC和稍高温度的产品正在开发，250 oC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2.06kP a，长期稳定性±34.5kPa/yr（连续保持150oC），工作温度范围25 oC ~175 oC。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[2]。

美国斯伦贝谢油田服务公司Doll研究中心的Tsutomu Yamate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300 oC，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[3]。

（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[4]。

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：

（1）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；

（2）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）[ 2]。

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。

光纤测量多相流有两种方法，第一种是美国斯伦贝谢公司的持气率光纤传感仪，该仪器能直接测量多相流中持气率。其四个光纤探头均匀地分布在井筒的横剖面中，其空间取向方位可用一个集成化的相对方位传感器准确测量，在气液混合物中，通过探头反射的光信号来确定持气率和泡沫数量（这二者与气体流量相关联）。此外，利用每个探头的测量值来建立一种井中气体流动的图像，这些图像资料特别适用于斜井和水平井，可以更好地了解多相流流型以及解释在倾斜条件下这些流型固有的相分离。最近，这种仪器已在世界各地成功地进行了测井实验。它提供的资料能直接测定和量化多相混合物中气体和液体，能准确诊断井眼问题，并有助于生产调整。仪器通过了三口井的现场测试[5]。

第二种是通过测量声速来确定两相混合流的相组分，因为混合流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性，而这个相关性普遍存在于两相气/液和液/液混合流体系统中，同时也适用于多相混合流系统。根据混合流体的声速确定各相流体的体积分数，就是测量流过流量计的各单相体积分数（即持率测量）。某一流体相持率是否等于该相流动体积分数，取决于该相相对于其它相是否存在严重的滑脱现象。对于不存在严重滑脱的油水两相混合流系统，可以用均匀流动模型进行分析；对于存在严重滑脱现象的流动状态，则必须应用更完善的滑脱模型来解释流量计测量的数据，才能准确地确定各相的流量。经流动循环实验表明：对于油水混合流体，流量计的长波长声速测量可以确定各相体积分数（即持率），而不受流动非均质性（如层状流动）的影响。

CiDRA公司挖掘了光纤传感器内在的优势，开发了井下光相多相流传感器。目前的样品只局限在测量准均匀流体：如油、水两相或油、水、气三相（气相体积份数小于20%）。为了考察这种新型的光纤多相流传感器在生产井中测量油/水/气三相的性能，CiDRA最近在一口测试井进行了实验。在测试井中混合了油、水和气体，混合物包括粘度为32API的油、7%矿化度的水和矿厂天然气（甲烷），测试温度100oF，压力<2.75MPa。在0%~100%含水率范围内，仪器测量误差小于±5%，精度满足要求。该流量计能够确定原油和盐水混合物中的持水率，在持水率全量程中其误差为±5%以内，满足生产要求。而且除了能够测量持水率之外，该仪器还测试了三相中气体的体积含量，只是测试中油水的比例已知。结果表明，该仪器能够求出以泡沫流流出型出现的液体中的气体体积百分数。

2、声波测量

与过去相比，勘探开发公司如今面临更大的风险和更复杂的钻井环境，因此获得准确的地层构造图和油藏机理具有重要意义。目前使用的地震测量方法，如拖曳等浮电缆检波器组、临时海底布放地震检波器和井下电缆布放地震检波器等，能提供目的产油区域的测量，但这些方法具有相对高的作业费用，不能下入井内或受环境条件的限制等，而且提供的图像不全面、不连续，分辨率不是很高，因此难于实现连续实时油藏动态监测。

基于光纤的井下地震检波器系统能够解决这些问题，它能提供整个油井寿命期间永久高分辨率四维油藏图像，极大方便了油藏管理。这种井下地震加速度检波器能接收地震波，并将其处理成地层和流体前缘图像。

永久井下光纤3分量地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度空间图像，不仅能提供近井眼图像，而且能提供井眼周围地层图像，在某些情况下测量范围能达数千英尺。它在油井的整个寿命期间运行，能经受恶劣的环境条件(温度达175℃，压力达100MPa)，且没有可移动部件和井下电子器件，被封装在直径2.5cm的保护外壳中，能经受强的冲击和振动，可安装到复杂的完井管柱及小的空间内。此外，该系统还具有动态范围大和信号频带宽的特点，其信号频带宽度为3 Hz～800Hz，能记录从极低到极高频率的等效响应。

3、激光光纤核测井技术

激光技术和光纤技术可以用于研制井下传感器，用于在充有原油和泥浆等非透明流体的井中进行测井。对于激光光纤核传感器的研究在国外比较盛行，美国、德国、俄罗斯和比利时等国均有大量的有关研究论文。

激光光纤核传感器是在光纤通信和光纤传感器的基础上产生的，它利用了光致损耗和光致发光等物理效应，比常规核探测器具有更多的优越性，是典型的学科交叉。光纤核测井技术，实际上就是在特定的环境下的核探测技术，其典型的优点为：

(1)可以针对不同的核探测的能级范围，研制在该范围的敏感探头。

(2)因为应用了光致发光效应，可使探头位于千米的井下，而光电倍增管由传输光缆相连置于井上，远离了恶劣的井下环境（高温高压），从而延长其的使用寿命。

(3)光纤具有高速率、大容量传输能力，还能搭载其他井下仪器信号。

然而，激光光纤核探测器也有缺点，主要表现在耐高温和承受高压的保护涂层、传输光缆的机械强度以及耐辐射的传输光缆低衰减损耗。

三、结论与展望

从本文的分析可以看出，光纤传感器以其独特的优势，可以广泛应用于石油天然气井下的储层参数监测（包括温度、压力和多相流）、声波检测和激光光纤核测井之中，极大地丰富了石油和天然气公司对储层的了解，便于优化油气田开采和维护。值得一提的是，该系统能够及时得到注采的注水压力和温度，从而判断压力是否超标，从而预防由于压力超标导致的套管损坏，这是一个全新的领域，国内外关于此方面尚未有报道和介绍。

到目前为止，全世界各大石油生产和服务公司都投入了巨资来研究和开发光纤传感器在储层评价中的应用，还有相当多的光纤传感器研发机构也致力于这一新兴领域的工作。可以设想，下一代光纤传感器在克服自身的缺点和劣势以后，将大面积推广，能更有效地帮助实时了解油气开采动态的水平。各大油田公司能够充分利用这些有利的信息，实现和维持油田的最优化生产，从而使油藏达到最高的采收率。同时，由于因特网的飞速发展，光纤监测的井况参数可以及时传递，这使得石油行业相关的生产和服务公司能够更有效地分析和评价全世界的资产。

作者简介：

童茂松，高级工程师，2001年在吉林大学电子科学与技术学院获得理学博士学位，2004年从吉林大学博士后流动站和大庆油田博士后科研工作站出站，研究方向为测井方法研究与测井仪器研发。已经发表论文60余篇，其中SCI论文11篇，论著2部。

通讯地址：黑龙江大庆市（银浪）大庆测井公司研发中心邮编：163412

E-mail：tongms@https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html, 或者tongms@https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,

联系电话：0459-*******（办）；130********；

李莉，大庆石油学院化工分院邮编：163318

八、D_型光纤传感器检测流体折射率的仿真

https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,/p-46117834.html

九、光纤光栅传感解调系统的研究进展

https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,/article.asp?/sensorsnews$_$3

王宏亮，张晶，乔学光，贾振安，王瑜，马超

（西安石油大学陕西省光电传感测井重点实验室，西安７１００６５）

１引言

光纤光栅广泛应用于应变、温度、压力、磁场等多种检测领域，这些应用都基于相同的原理，即检测由于某个被测量而引起光纤光栅波长的变化。在过去２０年里，光纤光栅传感器的制作、封装、检测和多路复用技术都取得了很大的进步，使得它的应用逐渐趋于成熟。关于对光纤光栅传感技术的综述可以参考Ｋｅｒｓｅｙ［１］，Ｏｔｈｏｎｏｓ和Ｋａｌｌｉ［２］，靳伟［３］等人的相关论文。在过去的数年里，人们一直在从事光纤光栅波长检测方面的工作，包括采用各种不同的信号处理方案和算法来改善单点和多点或多路复用光纤光栅传感系统的信噪比和测量精度，然而要开发出稳定的、性价比合理的波长测量系统作为商用系统，还有较大距离。

十、光子晶体光纤流体传感装置

https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,/pages/sipo/20051001/32/ed4011e6cf31caca1a477b7363eaa96d_0.html 申请号/专利号：200510013297

本发明涉及一种光纤传感装置，特别是能够对气体、液体的浓度进行高精度实时监控与测量的光子晶体光纤流体传感装置。该传感装置由光子晶体光纤、光纤接插器、普通光纤、光源、光探测器组成，光子晶体光纤的一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤与光源连接；另一端经光纤接插器与普通光纤连接，普通光纤再与光探测器连接。基于光纤包层的微孔结构，利用表面特殊处理形成的凹陷敏感区实现流体浓度实时感测。具有测量精度高、抗电磁干扰、灵活便携、适合在恶劣环境下工作等特点。通过优化设计，改变凹陷区形状和深度，能够获得适宜的传感灵敏度，结构简洁，易与光纤系统集成。

申请日：2005年04月08日

公开日：2005年09月21日

授权公告日：

申请人/专利权

南开大学

人：

申请人地址：天津市卫津路94号

发明设计人：张伟刚;开桂云;金龙;涂勤昌;刘艳格;王志;袁树忠;董孝义

专利代理机构：天津市学苑有限责任专利代理事务所

代理人：解松凡

专利类型：发明专利

分类号：G01N21/17;G01N21/01

十一、石油测井用光纤传感器

https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,/fibersensor/blog/item/6077923508befd83a61e12f2.html

2009-04-22 13:53

光纤传感器测井传感器

流量测量

井下多相流光纤流量计能实时测量温度、压力、流量及滞留量，测量流速及通过流体混合物的声速，根据流体的温度、压力、密度及声速等得出流体各相流量；基于多普勒效应的光纤多普勒流速计通过测量频差来确定流体的流动速度，可实现流体运动速度的非接触高精度测量；光纤涡轮流量计在传统涡轮流量测量的原理基础上，用多模光纤代替了内磁式传感器，构成反射型光纤涡轮流量计，其线性、重复性好、抗电磁干扰能力强、测量动态范围大；光纤涡街流量计利用光纤非线性产生涡流，通过检测在涡流作用下光的强度或相位的变化来确定涡流产生的频率。

前面有激光多普勒和激光双焦点测量原理介绍

温度及压力测量

分布式光纤测量系统(DTS)利用光纤后向拉曼散射的温度效应，可以对光纤所在的温度场进行实时监测，F-P、FBG型光纤传感器为波长型传感器，具有灵敏度高、可同时测量压力、温度、应力等多个参量的特点。

dts和fbg是近些年来光纤测井传感研究的重点，fbg可以用来制作多种模式的传感器，声音，压力，温度，加速度，流速等，多种传感器可以共用同种仪器测量，并可以混合构成准分布结构，国内西安石油大学对fbg的测井研究较为透彻。

含水(气)率及密度测量

U型光纤的传输功率随外界介质折射率变化而变化，光波作为信息载体，与混合流体电阻率、流型及水质无关，基于该原理的光纤持率／密度传感器从本质上解决了现有持率存在的高含水无分辨率和放射性物质的应用问题，对于多相流体油、水、气的折射率各不相同，因而混合流体的折射率会随着油、水、气比例的改变而改变。因此这种折射率调制型光纤传感器不仅能测流体持率，可同时测流体密度，其精度较高。

国外的测井公司已有商品化产品。

声波测量

地震波在不同的介质中传播，接收到的地震波波形就会不同，根据不同的地震波形态，可识别地层沉积序列和沉积构造，为储层定位、判断窜槽、检测套管破损及断裂、射孔层位及确定流体流量等。VSP地震测井，就是把检波器放人井中，通过地面击发的地震波或利用井中流体流动等产生的微震动，由井中的检波器接收地震信号。永久井下光纤三分量地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度的空间图像，不仅能提供近井眼图像，而且能提供井眼周围地层图像，测量范围能达数千公里。它能经受恶劣环境条件，且没有可移动部件和井下电子器件，能经受强的冲击和震动，可安装在复杂的完井管柱极小的空间内。

自然伽马测量

自然伽马测井是以地层的自然放射性为基础，随着油田开发的进行，放射性物质不断被搬运、堆积，使油井水淹层、注水层、套管外窜槽等处呈现放射性异常。激光光纤核传感器是在光纤传输和光纤传感器的基础上产生的，它利用了光纤光致损和光致发光等的物理效应。其典型的优点为1)可以针对不同的核探测的能级范围，研制在该范围的敏感探头；2)应用了光致发光效应，可使探头位于千米的井下，而光电倍增管由传输光缆相连置于井上，远离了恶劣的井下环境(高温高压)，从而延长其使用寿命；3)光纤具有高速率、大容量传输能力，能搭载其他井下仪器信号。

光学电视测井

光学电视测井由井下光学电视、传输光缆、高分辨率视频设备及绞车系统等组成。

内容摘自

光纤传感器在石油测井中的应用

刘敏敏

除了上述说的以外，个人觉得还有其他的很多光纤传感方式可用于石油测井，如光纤光谱仪，光纤荧光传感器，这两种技术可以有效地测量井下物质的成分。可以说光纤传感在测井领域具备很好的前途下来要做的就是该如何来利用。

十二、光纤式质量流量计的研究https://www.wendangku.net/doc/b1845996.html,/news/Aview.asp?id=2059