油气井中光纤传感器的应用及发展趋势.pdf

第 3 3 卷第5 期 2 0 1 4 ． 0 5 仪表 电气 油气井中光纤传感器的应用及发展趋势 邓 显 林 重庆电子工程职业学院 摘要光 纤传感器主要 以光纤作 为原材料 ，其 中光纤主要 由纤芯、包层、涂覆层组成 ，成 分是二氧化硅 。光纤温度传感器常见类型有 支架型、流体型、吊坠型。其 中支架型采用了光纤 弯曲半径 系数 大的原理 ，在 高温复杂地形情况下 ，可以任意 弯曲，并且半径节点分布不均 匀， 可以对 多个设置点进行测量。随着近几年石 油行 业的不断发展 ，对光 纤设备 的需求量也呈现 高 速增长趋势 ，2 0 0 6 2 0 0 9 年光纤传感器用于石油行业的成本就高达2 4 亿美元。 关键词光纤传感器器；光线刺激；光电转换；流量；测量 d o i l O ． 3 9 6 9 d ． i s s n ． 1 0 0 6 6 8 9 6 ． 2 0 1 4 ． 5 ． 0 4 0 1 工作原理 光纤传感器主要以光纤作为原材料，其中光纤 主要 由纤芯 、包层 、涂覆层组成 ，成分是二氧化硅 。 在实际工作中，通常有3 种波长的光纤用于光线传 输 中，即0 ． 8 5、1 ． 3 1 和 1 ． 5 5 m。在用 到 1 ． 3 l I- t m 波长的光纤时 ，其色散的程度为零 ，一般用于单模 光纤 ，传输距离较长 ；用 到 1 ． 5 5 ii 3 波长 的光纤 时，其折射率最小，一般用于多模光纤当中，传输 距离较短 ；0 ． 8 5 m波长的光纤用到的概率较小 。 光纤和其他半导体材料相比，具有更高的折射 率 ，当光源从内部传送时，可以无损耗 的从用户输 出端传出。光纤是一个感应器件，在其中注人一束 光线 时 ，相 应的传感器显示屏上会显示 出光线波 油管流量感测设备中将来会产生故障或者检测出有 可能产生瓶颈问题的能力 ，以便于管理人员对相关 问题做好预防工作。嵌人式油管流量感测管理软件 不但要管理 网络嵌入式油管流量感测设备硬件 ，还 要管理设备 中的数据 ，而且在实际应用 中，后者更 为重要。一般来说，使用网络嵌入式油管流量感测 管理软件进行管理主要针对以下 2 个方面 1 嵌入式油管流量感测管理 。 嵌入式油 管 流量感测管理软件主要针对磁盘 、磁盘子系统 以及 磁带等硬件设备进行健康性 、 性能以及配置隋况等 方面的监控 ，这样就能够简化嵌入式油管流量感测 管理过程 ，从而为油管流量感测提供优化策略 。它 是对物理和逻辑层上感测 的过程进行监控 。 2 资源管理 。 网络嵌入式油管流量感测 资 源和单机状态下 的资源管理有所不 同，它主要是针 对网络节点进行相关的操作 。例如在嵌入式油管流 量感测网络 中增加或删除节点 ，对嵌入式油管流量 感测节点的相关信息进行编辑等操作。 3 结语 目 前油管流量感测网络上的设备众多，在整个 网络嵌入式油管流量感测系统中存在各种不同的操 作 系统 、文件 格式 的嵌入式油 管流量感测 和客 户 端 。从读取数据的两种方式来看 ，物理层上查看数 据比较困难 ，因为众多的嵌入式油管流量感测系统 不可能都采用相 同的文件格式。因此方案就集中在 如何从逻辑层上去访 问数据 。一般来说 ，从逻辑上 解决这个问题主要有以下两种方法 第一种是在各 种操作系统和文件系统中加入中间件模块 ，由这种 软件的中间件来把文件转换成一种统一的格式 ；第 二种方法是选择一种平台及其文件系统，然后在其 他种类 的操作系统上安装选定平台的代理 ，这样就 能在其他平 台上把其文件 的格式转换成选定平台所 支持的格式 。 参考文献 [ 1 ] 刘松，赵忠，孙学磊．基于G S M的远程家庭智能监控系统设计[ J ] ． 电子测量技术 ，2 0 0 9 1 8 8 9 1 ． [ 2 】 孙书诚，郎朗，王虎．基于路径识别的寻迹智能车设计与实现[ J ] ． 安徽工程大学学报 ，2 0 1 2 1 6 0 - 6 3 ． [ 3 ] 滕志军 ，滕志华 ，张淑艳．一种远程智能防盗报警装置 的研制 f J 1 _ 东北电力学院学报 ，2 0 0 1 4 7 7 8 0 ． [4 】 孙铁波 ，刘奎武，李宏．基于模糊控制的机器人寻线控制系统 改进设计[ J 】 _电力电子 ，2 0 0 9 1 1 3 2 3 3 ． [ 5 ] 孙宗海．油气 田仪表及控制系统工程设计[ J J _油气田地面T 程 ，2 0 1 2 ．3 1 1 1 6 8 - 6 9 ． 栏 目主持关梅君 油气田地面工程 h t t p ／ ／ w w w．y q t d r n g c ． c o rn 一6 1 第 3 3 卷第 5 期 2 0 1 4 ． 0 5 仪表 电气 长 、相位 、色散值 。当受到外界温度 、亮度 、电磁 波等一系列的干扰时 ，传感器上的光线的波长 、相 位 、传播速度就会发生相应的变化。 2 技术 应用 2 ． 1 光强度测量 当光感应器受到一束较强的光线刺激时，就会 引起传感器的变化 。首先在内部元件中经过光电 转换 ，把光信号转变成电信号，然后在二 三 极管上采 用二级分光进行信号放大。之后光感应器接收端处 理光信号来源 ，判断是否符合实际需求。 2 ． 2 流 量测 量 当用光纤流量感应 指针测定 井下流体 的流速 时，只是通过井内单质流体和其他掺杂混合流体的 密度 、压强及流速来计算 出相对流量 。光纤悬浮流 量感应指针通常在失重的情况下采用，该设备是在 原有 的基础上加上 内悬浮感应装置 ，光纤 由原来 的单模单股改为多模多股光纤，使光纤纤芯色散减 少 ，抗电磁干扰的能力增强 ，并且测定距离范围增 大。用光纤流量感应指针技术设计的流量计曾在大 庆油气井下做过实验 ，按照流量与流速成正 比的测 定标 准 ，与原有 流 量计 相 比较 ，其精 确值 相差 0 ． 0 3 ％，虽然相差并不多 ，但足以证明该流量计确 实在技术上更胜一筹。 2 ． 3 流体温度及压力测量 在石油管道中 ，流体与管壁之间的摩擦必然会 使表皮温度升高，温度可高达4 0 0 5 0 0 。 C，显然超 出了一般温度计的测量范 围。 目前小型油井温度测 量计测定范围为 2 0 0。 C 左右 ，无法测量大型油井 以 及深层油井 。在一些密集度较大的油 田中，为 了便 于监测温度 ，一般使用火烧的方法来提高温度 。 光纤温度传感器常见类型有支架型 、流体型 、 吊坠型。其中支架型采用了光纤弯曲半径系数大的 原理，在高温复杂地形情况下，可以任意弯曲，并 且半径 节点分布不均匀 ，可 以对多个设置点进行 测量。 2 ． 4 流体含水量及密度的测定 在石油生产工艺中，石油原液中掺杂着少量的 水分 ，测定含水量可作为石油纯度划分标准。含水 量 是 以一升石油原液为单位 ，水分 占原液 的百分 比来表示 。由于油和水的密度不同导致两种物质存 在分层现象 ，因此在油井管道 内要找准两种物质 的 分界面。光纤密度传感器可实现这一 目的 ，从根本 上识别混合密度掺杂物 的成 分。在生产 中若测定 水 、空气 、油这 _二种物质的成分含量 ，就要 了解三 种物质在这种环境的折射率。经过测定检测 ，油的 折射率为1 ． 2 1 ；水的折射率为1 ． 1 9 ；空气的折射率 为 1 ． 2 3 。密度相对大的折射率就相对较小 。 光纤传感器的设计原理是根据光纤传输信号的 功率随着物质在流体内折射率的改变而发生相应改 变这一特性 ，其中在传输过程中是以光波作为信息 的载体，与物质在管道内的流速 、 摩擦温度以及流 向无关。在经过测定判断后，反馈回来的信息在经 过加工之后 ，便能提供精细化的答案 ，即各成分的 相对密度及 占总体成分 的含量。 2 ． 5 其他方面的测定及应用 光纤传感器除了应用于以上几个领域外，在其 他领域 中也得到广泛应用 。例如测定油井内有害气 体的酸碱性 、是否具有爆破性以及检测石油原液中 砂石粒的成分 ，确定开采地点岩石中的主要成分 。 一 般在测定酸碱度时会用到专业的测量仪器，但是 在温度高、压强大的情况下，普通的仪器难以承受 几百摄 氏度和几十兆帕压强的恶劣环境 ，因此就可 应用新一代传感器来进行测定。在大西北科技T业 园中 ，制定了关 于测定气体 p H值以及 主要成分 的 光纤传感器的设计方案，并研制出了测定各种气体 p H值的光纤传感器。这种传感器不仅能检测 p H 值 ，并且还具有 吸收有毒气体 、净化空气 的作用 ， 实现检测和吸收双重的功能。 3 发展前景 随着近几年石油行业的不断发展 ，对光纤传感 器的需求量也呈现高速增长趋势 ，2 0 0 6 2 0 0 9 年光 纤传感器用于石油行业的成本就高达 2 4 亿美元 ， 并且还可应用于化工行业 、冶金行 业 、钢铁行业 等 ，其需求也 占到市场的一定份额 ，据统计近 3 年 内市场 的占有率 已达到 4 7 ％。光纤传感器将监测 信息传送到中央处理机上，检测员根据传送来的信 息进行数据整理 ，便可以对整个系统进行统一化的 管理 ，提高产业链的生产效益。 参考文献 ⋯ 杨三青 ．井下光纤式 压力温度 复合传感 器设计【 J ] ．仪表技术 传感器 ，2 0 0 0 ，2 1 3 6 - 7 ． [ 2 ] 曹宇欣 ，陈贵庆 ，张祥．光纤温度传感器在井温测井仪器巾应 用初步研究[ J 】 ．国外测井技 术 ，2 0 0 4，1 9 3 4 3 4 4 ． [ 3 ] 郭团，乔学光，贾振安，等光纤光栅传感技术及在石油T业 中的应用 [ J 】 l测试技术学报 ，2 0 0 4 ，1 8 3 2 0 8 2 1 3 ． [ 4 】 刘 立成 ，姜汉桥 ，赵业卫 ．应用分 _布式 光纤温度 测试技术评价 井 间热连通 _ J ] ．两南石油大学学报 ，2 0 0 7 ，2 9 5 1 8 2 0 栏 目主持关梅 君 一 6 2一 油气田地面工程 h t t p ／ ／ ww w． y q t d mg c ． c o m