張洪濤 付威 王春騫 張廣玉 王振龍

摘?要：針對油井動(dòng)液面不能實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題，采用一種將壓力測量和溫度剖面測量相結(jié)合的方法對油井動(dòng)液面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。設(shè)計(jì)了基于偏心推桿結(jié)構(gòu)的光纖壓力計(jì)，采用多模光纖測量溫度剖面，根據(jù)溫度剖面上的拐點(diǎn)確定動(dòng)液面初始位置，通過初始壓強(qiáng)及動(dòng)液面初始位置計(jì)算井中液體密度，之后僅利用壓力計(jì)隨后測得的數(shù)據(jù)即可求出動(dòng)液面的實(shí)時(shí)位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖壓力計(jì)有很好的線性度和重復(fù)性，其線性度為0.999，壓力靈敏度達(dá)到230.9pm/MPa，滿足井下壓力測量要求，同時(shí)多模光纖所測溫度剖面拐點(diǎn)明顯，易于讀取，將兩種方法結(jié)合可對油井動(dòng)液面數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：光纖傳感;光纖壓力計(jì);溫度剖面;偏心推桿;實(shí)時(shí)動(dòng)液面監(jiān)測

DOI：10.15938/j.jhust.2018.06.001

中圖分類號： TN253

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）06-0001-06

Abstract：Real-time monitoring of dynamic liquid-level of oil-well is very important in oilfield. A novel method combining pressure measurement and temperature profile measurement is proposed in this paper to measure dynamic liquid-level of oil-well in real-time. A fiber Bragg grating pressure sensor based on an eccentric-pushrod structure is used to measure downhole pressure?and the multimode fiber is used to measure temperature profile. The initial position of the dynamic liquid-level can be determined by the inflection point of the temperature profile. The density of the liquid in the well is calculated from the initial pressure and the initial position of dynamic liquid-level. Base on this data?the real-time position of the dynamic liquid-level can be obtained only by using the pressure data. Experimental results show that the method that the fiber Bragg grating sensor has a good linearity and repeatability?the sensitivity of the sensor can reach 230.9pm/MPa wich meets the requirements of downhole pressure measurement?and the inflection point of the temperature profile measured by multimode fiber is obvious and easy to read. The combination of the two measurements methods can be used for real-time and accurate monitoring of oil well liquid level data.

Keywords：optical fiber sensing; fiber optic pressure sensor; temperature profile; eccentric-pushrod; real-time dynamic liquid-level monitoring

0?引?言

在油田的生產(chǎn)開發(fā)過程中，動(dòng)液面數(shù)據(jù)是一項(xiàng)關(guān)鍵的油田管理基礎(chǔ)資料，直接反映油井的供液能力，被譽(yù)為“油井的脈搏”。通過對動(dòng)液面數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以分析出油井的工作情況以及井下供排狀況，并以此為依據(jù)優(yōu)化工作參數(shù)，這對降低能耗，提高采收率，減少油井事故，延長油井壽命具有重要的意義。

目前，油井動(dòng)液面測量方法主要有浮筒法、壓力傳感器法和聲波法3種。浮筒法受到自身重量和體積的限制，只適合在環(huán)空井和敞開井中使用。壓力傳感器法通常采用存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)，測量一段時(shí)間后將壓力計(jì)從井筒中取出獲取數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。聲波法采用基于聲波反射原理的回聲儀進(jìn)行測量[1-6]，應(yīng)用較為廣泛，但由于油套環(huán)空中狀態(tài)較為復(fù)雜，反射波可能受到死油、稠油、泡沫油、結(jié)蠟、油管變徑、井身軌跡以及機(jī)械振動(dòng)噪聲等因素的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。近年來，光纖以其體積小、重量輕、損耗低、頻帶寬、抗干擾性強(qiáng)、便于施工維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[7-9]而廣泛應(yīng)用到光纖通信領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)健康領(lǐng)域、石油、天然氣領(lǐng)域等[10-19]。本文基于光纖傳感原理，提出一種通過溫度剖面和壓力監(jiān)測來獲取實(shí)時(shí)動(dòng)液面數(shù)據(jù)的方法。設(shè)計(jì)了一種新型的光纖光柵壓力傳感器，以滿足高壓高精度井下壓力測量的需求。

1?動(dòng)液面測量原理

動(dòng)液面測量原理如圖1所示。光纖壓力計(jì)固定于油管外側(cè)，隨油管下放至指定深度。在油管接箍處安裝光纜保護(hù)器，防止下井過程中的光纜磕碰。光纜引出井口后，將光纜中的單模光纖和多模光纖分別接入光纖光柵解調(diào)儀和拉曼解調(diào)儀，進(jìn)行壓力和溫度剖面的測量。

由于井筒內(nèi)液體密度ρ未知，因此無法僅由光纖壓力計(jì)得到動(dòng)液面高度。

通過拉曼解調(diào)儀可以得到整個(gè)井筒的溫度剖面，在動(dòng)液面位置，氣體段和液體段交界，由于二者傳熱學(xué)參數(shù)相差較大，因此在溫度剖面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，此拐點(diǎn)就對應(yīng)著動(dòng)液面位置。但由于熱傳導(dǎo)需要一定的時(shí)間，因此使用溫度剖面上的拐點(diǎn)來確定動(dòng)液面位置會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的延遲，實(shí)時(shí)性較差。

綜上所述，單獨(dú)使用壓力測量或溫度剖面測量均無法得到實(shí)時(shí)的動(dòng)液面數(shù)據(jù)。因此，考慮將兩種方法進(jìn)行組合。當(dāng)光纖壓力計(jì)剛下入指定位置時(shí)，抽油機(jī)尚未工作，液面位置保持不變。此時(shí)可以通過溫度剖面拐點(diǎn)得到動(dòng)液面高度Hf，通過光纖壓力計(jì)得到壓強(qiáng)P，由式（1）和（2）可以求出井筒內(nèi)液體密度ρ。此后即可僅通過壓力計(jì)數(shù)據(jù)來計(jì)算動(dòng)液面高度。

2?光纖壓力計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光纖壓力計(jì)傳感頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖2（a）所示。壓力計(jì)主要由外殼、膜片、偏心推桿、固定鋼套、傳力管、壓力敏感光柵、保護(hù)管、應(yīng)變桿和溫度敏感光柵組成。外殼與保護(hù)管通過螺紋連接，對應(yīng)變桿起到保護(hù)的作用。圖2（b）為沒有上保護(hù)殼和中保護(hù)管的傳感頭實(shí)物圖。傳感頭與鎧裝光纜及保護(hù)殼等連接后，最后組裝成的光纖光柵井下壓力計(jì)實(shí)物圖如圖2（c）所示，其直徑20mm，長度370mm。當(dāng)外界壓力作用在膜片上時(shí)，壓力通過偏心推桿和傳力管最后作用到應(yīng)變桿的受力端面上（此端面可稱為偏心推桿作用面），此時(shí)應(yīng)變桿同時(shí)受到軸力及彎矩的作用而產(chǎn)生軸向伸長與彎曲，對稱粘貼在應(yīng)變桿表面的兩支FBG亦產(chǎn)生協(xié)同變形，中心波長發(fā)生漂移，最后通過測量光纖光柵波長漂移量來獲得外界壓力。

偏心推桿實(shí)物與結(jié)構(gòu)圖及粘有單光纖光柵的應(yīng)變桿分別如圖2（d）、（e）所示，由圖2（d）知偏心推桿有三個(gè)等長度的支腳，圖2（e）中應(yīng)變桿中間位置的圓桿部分是粘貼光纖光柵的位置。本文對光纖光柵的封裝方式為先用502膠將光纖光柵兩端固定在應(yīng)變桿上，注意光柵軸線應(yīng)保持在沿桿長方向的中心線上，然后將光纖光柵全部涂上環(huán)氧樹脂膠，封裝尺寸為20mm×1.2mm×0.3mm。在粘貼過程中要對光纖光柵施加一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以增加傳感器的重復(fù)性和線性度[20]。為了消除溫度的影響，本文的壓力計(jì)采用的是雙FBG結(jié)構(gòu)，即一根光纖上隔一定距離刻兩個(gè)中心波長不同的光柵。壓力敏感光柵貼在應(yīng)變桿中間位置同時(shí)受到溫度和應(yīng)變的影響，溫度敏感光柵貼在應(yīng)變桿的尾部，由于應(yīng)變桿的尾部是自由的，其只受溫度影響。在溫度的影響下，由于兩支FBG粘貼在同一個(gè)應(yīng)變桿上，且兩支FBG的所有參數(shù)是一樣的，所以溫度引起的波長變化是一樣的，也是同向漂移，所以溫度敏感光柵可以補(bǔ)償壓力敏感光柵受溫度影響時(shí)中心波長的漂移量，這樣壓力敏感光柵將不受溫度的影響。

外界壓強(qiáng)作用下應(yīng)變桿的受力分析圖如圖3所示。A部分固定，外界壓強(qiáng)P通過膜片、偏心推桿及傳力管作用在B部分的左端面上，又由圖2（d）知偏心推桿有三個(gè)支腳，所以應(yīng)變桿受到的力由圖3中的F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3組成，三個(gè)支腳的作用力的大小為

3個(gè)支腳的作用力對應(yīng)變桿的作用效果是由偏心推桿的三個(gè)支腳同方向作用的軸力和3個(gè)支腳構(gòu)成的非平衡力系產(chǎn)生的彎矩組合一起的效果，應(yīng)變桿上粘貼壓力敏感光柵的一側(cè)應(yīng)正對著非平衡力系中產(chǎn)生彎矩的支腳（即作用力點(diǎn)F1），這樣壓力敏感光柵會(huì)受到最大的應(yīng)變，三個(gè)支腳同方向作用得到軸力Fx的大小為

一般通過FBG受應(yīng)變產(chǎn)生變形大小來測量外界物理量，這種變形可由拉力、壓力、彎曲產(chǎn)生，有些研究者采用直推桿結(jié)構(gòu)，使FBG只受到拉力作用，對于本文的傳感頭也可采用直推桿結(jié)構(gòu)，此時(shí)應(yīng)變桿僅受軸力Fx作用，值仍為PS，由式（5）、（6）知，此時(shí)應(yīng)變桿的應(yīng)變?yōu)?/p>

傳感器參數(shù)如下：施加的最大壓強(qiáng)P=20MPa，推桿受力面直徑d=9mm，產(chǎn)生彎矩的力臂L=375mm，應(yīng)變桿直徑D=2.9mm，應(yīng)變桿彈性模量E=210GPa，將以上各參數(shù)代入到式（11）、（12）中可得兩種情況下的應(yīng)變值分別為

將兩個(gè)應(yīng)變做比值可知偏心推桿的應(yīng)變量是直推桿情況下的4.43倍，因此為了獲得高靈敏度本文的壓力計(jì)采用偏心推桿結(jié)構(gòu)。

由光纖光柵傳感原理知[7]，當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將被反射，其余的波長透過光纖光柵繼續(xù)傳輸，

布拉格光柵反射波長的基本表達(dá)式為

3?壓力計(jì)測試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1?壓力計(jì)測試實(shí)驗(yàn)

光纖壓力計(jì)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)裝置圖和現(xiàn)場圖如圖4所示。標(biāo)準(zhǔn)液壓泵輸出端與壓力測試容器密封連接，并實(shí)現(xiàn)0～40MPa壓力測試。壓力計(jì)放置于壓力測試容器內(nèi)，其末端經(jīng)密封接頭引出，與SM130解調(diào)儀（MOI公司）和電腦連接，所用解調(diào)儀的掃描頻率為1kHz，分辨率小于1pm，可重復(fù)性2pm。

壓力標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過程為，當(dāng)室溫恒定后，在0～20MPa測量范圍內(nèi)以步長2MPa進(jìn)行加載、卸載循環(huán)，每次壓強(qiáng)變化后記錄壓力敏感光柵和溫度敏感光柵的中心波長值和反射譜。為了減小傳感器內(nèi)殘余應(yīng)力，在實(shí)驗(yàn)前要循環(huán)加載卸載幾次，并進(jìn)行保壓。

實(shí)驗(yàn)中使用的光纖光柵是切趾型光纖光柵，指標(biāo)如表1所示。

3.2?結(jié)果與分析

壓力敏感光柵中心波長隨壓強(qiáng)的變化如圖5所示。從圖中知，該光纖壓力計(jì)的線性度和重復(fù)性良好，第二次加載時(shí)線性度達(dá)到0.999，壓力靈敏度達(dá)到230.9pm/MPa，是裸光纖光柵壓力靈敏度[21]的75.4倍，此外該傳感器幾乎沒有彈性滯后。

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，此壓力計(jì)能在較大量程范圍內(nèi)得到較高的靈敏度，符合測量油氣井井下測量壓力的要求。實(shí)驗(yàn)標(biāo)定好光纖壓力計(jì)的壓力靈敏度后，光纖壓力計(jì)即可用于在動(dòng)液面監(jiān)測過程中測量壓強(qiáng)。

4?動(dòng)液面監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

將壓力測量與溫度剖面測量結(jié)合得到實(shí)時(shí)動(dòng)液面數(shù)據(jù)的測量過程為：將光纖壓力計(jì)下入指定位置，記下H2，此時(shí)抽油機(jī)設(shè)置成尚未工作狀態(tài)，恒定一段時(shí)間后，記下由光纜中多模光纖測得的溫度剖面拐點(diǎn)位置H1和由壓力計(jì)測得的此處壓強(qiáng)P，進(jìn)而由式（2）可求出井筒內(nèi)液體密度ρ，式（2）可變形為H1=P/ρg，將抽油機(jī)設(shè)置成工作狀態(tài)，此時(shí)井下動(dòng)液面發(fā)生變化，光纖壓力計(jì)所測壓強(qiáng)亦發(fā)生變化，可通過公式（2）的變形式求出此時(shí)壓力計(jì)距動(dòng)液面的距離H1，與之前記錄的H2一起由式（1）即可得到動(dòng)液面高度Hf。

圖6為抽油機(jī)尚未工作時(shí)光纖壓力計(jì)置于2000m水井中溫度拐點(diǎn)曲線圖，壓力計(jì)下入至據(jù)井底約504m處，即H2=504m，壓力計(jì)溫度拐點(diǎn)為798.0535m，光纜末端經(jīng)多模纖芯測得1635.0155m，則H1=836.962m，測出此時(shí)壓強(qiáng)為P=8.15MPa，則井中液體密度為0.974×10-3N/kg，與水的密度符合。此時(shí)抽油機(jī)工作，由密度及壓力計(jì)測得的壓強(qiáng)和壓力計(jì)在井底中的位置，既可以測得實(shí)時(shí)動(dòng)液面數(shù)據(jù)。

5?結(jié)?論

本文基于光纖傳感技術(shù)，提出一種通過壓力與溫度剖面測量相結(jié)合的方式，實(shí)時(shí)獲取油井動(dòng)液面數(shù)據(jù)的方法。壓力測量采用基于偏心推桿結(jié)構(gòu)的光纖光柵壓力計(jì)，其具有大量程、高靈敏度，且溫度能夠自動(dòng)補(bǔ)償。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該壓力計(jì)具有良好的重復(fù)性和線性度，幾乎沒有彈性滯后，在0～20MPa的量程范圍內(nèi)靈敏度達(dá)到230.9pm/MPa，滿足井下壓力測量要求。溫度剖面采用多模光纖進(jìn)行測量，通過溫度拐點(diǎn)測出初始動(dòng)液面，進(jìn)而求出井筒內(nèi)液體密度，再由光纖壓力計(jì)測量實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的動(dòng)液面數(shù)據(jù)。

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（編輯：關(guān)?毅）