光纖EFPI-FBG傳感測井系統(tǒng)關鍵技術(shù)研究.pdf

1、石油作為不可再生的戰(zhàn)略性資源在當今世界尤為重要。而目前石油工業(yè)所面臨采收率低的問題一直是困擾著石油工業(yè)最為核心的問題，此問題的解決是建立在對石油井下一系列物理參數(shù)高精度、長期可靠監(jiān)測基礎之上的。然而，石油井下高溫、高壓、強化學腐蝕、強電磁干擾等一系列極端惡劣環(huán)境對傳感器的可靠性是一種極大地考驗。此外，深井探測信號的傳輸以及能夠?qū)崟r地測量對石油測井的意義也十分重大。在這種情況下，傳統(tǒng)的電子學傳感器并不能夠完全滿足石油測井的需要。以光纖法布

2、里-珀羅干涉型傳感器和光纖布拉格光柵傳感器為代表的波長調(diào)制型光纖傳感器由于具有波長編碼、抗干擾能力強、長期測量穩(wěn)定可靠、測量精度高、耐高溫高壓、抗化學腐蝕等優(yōu)點，近年來受到石油工業(yè)的普遍關注和高度重視。
　　 光纖傳感測井系統(tǒng)主要包括三個部分：傳感器探頭、信號傳輸光纖、信號解調(diào)儀。本文對該系統(tǒng)及其在高溫、高壓油井下長期實時監(jiān)測應用中所涉及的關鍵技術(shù)進行了系統(tǒng)的、深入的研究，主要包括以下幾方面內(nèi)容。
　　 摻鉺光纖光源的理

3、論和實驗研究。在摻鉺光纖放大系統(tǒng)理論模型基礎上，對摻鉺光纖中光放大的物理過程進行了詳細分析，并且對摻鉺超熒光光纖光源和可調(diào)諧環(huán)形腔摻鉺光纖激光器進行了數(shù)值模擬和實驗研究。本文實現(xiàn)了一個輸出功率為9.2 mW，覆蓋C+L波段的寬譜摻鉺超熒光光纖光源，其平均波長為1565.253 nm，平坦區(qū)域(平坦度在2.5 dB以內(nèi))的譜寬達68 nm(1535～1603 nm)。實現(xiàn)了一種新穎的可調(diào)諧環(huán)形腔摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了基于標準C波段摻鉺

4、光纖的超寬帶可調(diào)諧環(huán)形腔摻鉺光纖激光器，其波長調(diào)諧范圍首次達到145 nm(1475-1620 nm)，覆蓋了整個S+C+L波段，輸出功率4 mW，激光線寬小于0.03 nm，帶寬內(nèi)邊模抑制比大于50 dB。
　　 設計并研制出一種基于寬帶波長掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的光纖傳感查詢儀。首先研究了寬帶波長掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的動態(tài)特性。在此基礎上，成功的實現(xiàn)了基于寬帶波長掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的光纖傳感查詢儀。該查詢儀采用具

5、有極好的溫度穩(wěn)定性、全光譜范圍的光纖F-P標準具對掃描光纖激光器進行實時的波長校準。采用五次非線性擬合方法對濾波器的驅(qū)動電壓和透射波長進行實時標定，解決了光纖F-P可調(diào)諧濾波器調(diào)諧電壓與透射峰值波長關系的非線性、重復性差和遲滯等問題。因此，該光纖傳感查詢儀實現(xiàn)了高波長測量精度和分辨率。本文采用HCN氣體吸收池作為波長標準對該查詢儀的波長測量準確度和分辨率進行了測量，其波長測量分辨率為0.9pm，準確度為±2 pm。利用該查詢儀對光纖EF

6、PI/FBG串聯(lián)復用傳感器進行了解調(diào)實驗，光纖EFPI腔長解調(diào)分辨率達到0.025 nm，對應壓強分辨率為0.32 kPa； FBG的波長解調(diào)分辨率為0.63 pm，對應溫度分辨率為0.065℃。由于該系統(tǒng)采用的波長掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器具有毫瓦量級的輸出功率，對于遠距離傳感應用具有極好的適應能力。由于該系統(tǒng)采用的波長掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的波長掃描范圍達到100nm以上，使得該查詢儀在解調(diào)光纖EFPI傳感器時更為精確，對FBG傳感

7、器解調(diào)具有更大的波分復用能力。
　　 針對高溫高壓長期實時測井應用，對光纖壓力/溫度傳感器系統(tǒng)的若干技術(shù)問題做了詳細的分析并給出相應的解決方案。油氣井下壓力、溫度是油井生產(chǎn)過程監(jiān)控的重要參數(shù)指標。本文通過對光纖EFPI壓力傳感器的優(yōu)化設計，并且建立合理的數(shù)學模型，利用FBG溫度傳感器對其進行溫度補償，消除了光纖EFPI壓力傳感器的溫度交叉敏感性。在25℃～300℃溫度變化范圍內(nèi)，在壓力測量量程0～72MPa范圍內(nèi)最大偏差小于滿量