CN110331974A - 一种基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，包括温度传感光纤、振动传感光纤、无缝钢管、第一层镀锌钢丝和第二层镀锌钢丝。采用在测温光纤上设置超窄带宽的弱光纤光栅阵列实现精确的分布式温度测量，采用在振动光纤上设置宽带的弱光纤光栅阵列实现大动态温度范围下进行分布式振动测量，并可以精确定位。通过将传感光纤设置于无缝钢管中，并在无缝钢管外按相反方向依次包裹高温耐腐蚀的第一层镀锌钢丝和第二层镀锌钢丝形成铠装光缆。本发明具有信号强、定位准确、测量精度高等优点，同时抗拉力强、安全度高，而且耐高温耐腐蚀性强，便于制造与施工。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感领域，尤其涉及一种油田测井用的分布式传感光缆。
背景技术
随着光纤技术的发展，分布式光纤传感逐步应用到了油井监测领域，分布式光纤传感技术具有稳定性、长效性和实时性等特点，已部分取代了传统电子监测技术，成为首选的油井监测方法。光缆作为光信号的传感和传输媒介，已经成为光纤测井系统中核心的组成部分。目前制作光缆用的光纤多为单模光纤，利用布里渊散射、拉曼散射和瑞利散射对外界的温度、压力和振动进行感知和测量，但是这些散射信号很弱为10-6—10-8量级,因此系统的信噪比很低，导致传感距离和空间分辨率很低，而且制作的光缆只侧重于对内部光纤的保护，无法使光缆内的光纤对油井中的温度和振动进行感知，也就无法同时完成油井内温度和振动的分布式监测。
光纤分布式油井的温度和振动监测，既需要高空间分辨率和大范围的测量，也要对光缆的结构进行合理的设计，满足油井中高温高压、化学腐蚀和电腐蚀较严重的环境。现有的测井光缆在实际的应用中存在以下不足和缺陷：
1.传感光缆一般采用普通的单模光纤，散射信号很弱导致系统的信噪比很低，因此很大程度上限制了传感的距离和空间分辨率，并且测量的温度和应力为一段距离的平均值，定位的误差较大。
2.光缆的设计没有同时兼顾到在油井恶劣环境下长期使用以及同时测量温度和应力的需求，要么解决了耐久性的问题，成缆工艺导致温度和应力测量误差较大，要么提升温度和应力测试的可靠性，但是不能满足长期使用的要求。
中国专利授权公告号为CN102707394A的发明专利公开了一种油田探测光缆，采用一缆两芯的结构，其中一芯作为压力传导元件，一芯作为温度传导元件，同时检测应变和温度的变化，它包括紧包光纤测量压力，裸光纤测量温度，六根非金属加强件包裹紧包光纤，压力传导油膏充满非金属加强件，阻水充油套管包裹裸光纤用来测温，最后所有结构用聚乙烯外护套包裹保护。
首先，该测井光缆用的是非金属加强件包裹光纤，在深井测试的过程中不能满足抗拉力的要求，而且最外层是采用聚乙烯外护套来保护内部的结构，在油井中不能满足油井中高温高压的复杂环境，深井的温度可达300℃，而聚乙烯的熔点在100℃，因此在不适用于深井的测试，并且聚乙烯套管在油井中易被腐蚀。
其次，该测井光缆是用裸光纤进行传感，分别利用光纤的拉曼散射和布里渊散射测试温度和压力，由于散射系数很低，散射强度往往是入射光强度的10-6～10-8量级，信噪比低导致探测的灵敏度较低，而且测得的温度和压力值是通过区域取样后进行平均计算，定位的误差很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中定位误差大，灵敏度低，耐腐蚀、耐高温差的缺陷，提供一种基于弱光栅阵列的新型油田测井光缆，适用于石油工业开发中高温高压环境下深井的温度、微震监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，包括无缝钢管，以及设置于该无缝钢管内的温度传感光纤和振动传感光纤；
所述无缝钢管外部缠绕包裹第一层镀锌钢丝，所述第一层镀锌钢丝外部缠绕包裹第二层镀锌钢丝，两层镀锌钢丝的缠绕包裹方向相反；所述无缝钢管内还充有阻水油膏；
所述温度传感光纤上设置有窄带光纤光栅阵列，所述窄带光纤光栅阵列复用多个弱光栅，所述振动传感光纤设置有宽带光纤光栅阵列，所述宽带光纤光栅阵列复用多个弱光栅，所述窄带光纤光栅阵列复用的多个弱光栅与所述宽带光纤光栅阵列复用的多个弱光栅的参数不同。
接上述技术方案，所述第一层镀锌钢丝和所述第二层镀锌钢丝均为耐高温耐腐蚀镀锌钢丝,所述第二层镀锌钢丝的直径大于所述第一层镀锌钢丝直径。
接上述技术方案，所述窄带光纤光栅阵列的3dB带宽小于0.2nm，中心波长介于1530nm～1560nm，复用的弱光栅数量超过3000个，光栅间距介于1m～50m，光栅反射率介于0.01％～1％，用于分布式温度测量。
接上述技术方案，所述宽带光纤光栅阵列的3dB带宽大于3nm，中心波长为1550nm，复用的弱光栅数量超过600个，光栅间距5m，光栅反射率介于0.01％～1％，用于分布式振动测量。
接上述技术方案，所述温度传感光纤与所述振动传感光纤的纤芯材料为纯石英，涂覆层材料为聚酰亚胺。
接上述技术方案，所述温度传感光纤与所述振动传感光纤并列设置于所述无缝钢管中。
本发明产生的有益效果是：本发明提供的一种基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，采用在测温光纤上设置超窄带宽的弱光纤光栅阵列实现精确的分布式温度测量，采用在振动光纤上设置宽带的弱光纤光栅阵列实现大动态温度范围下进行分布式振动测量，并可以精确定位。通过将传感光纤设置于无缝钢管中，并在无缝钢管外按相反方向依次包裹高温耐腐蚀的第一层镀锌钢丝和第二层镀锌钢丝增加光缆的抗拉强度。本发明具有信号强、定位准确、测量精度高等优点，同时抗拉力强、安全度高，而且耐高温耐腐蚀性强，便于制造与施工。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的传感光缆结构示意图；
图2是本发明实施例的传感光纤光栅阵列结构示意图；
图3是本发明实施例的测温光纤光栅带宽示意图；
图4是本发明实施例的测振动光纤光栅带宽结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的一种基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，包括温度传感光纤1、振动传感光纤2、无缝钢管3、第一层镀锌钢丝5和第二层镀锌钢丝6，温度传感光纤1和振动传感光纤2设置与无缝钢管3内部，无缝钢管3外部缠绕包裹第一层镀锌钢丝5，第一层镀锌钢丝5外部缠绕包裹第二层镀锌钢丝6，无缝钢管3内还充有阻水油膏4，阻止油井中的水和油进入无缝钢管3中，并且能够使光纤光栅阵列与外界环境更好的耦合。
本发明的传感单元是两种参数的弱光纤光栅阵列，如图2所示，不同参数的弱光栅81按照一定的间距被刻写到一根光纤8中，复用多个弱光栅81即构成弱光栅阵列。温度传感光纤1设置有窄带光纤光栅阵列，窄带光纤光栅阵列复用多个弱光栅81，振动传感光纤2设置有宽带光纤光栅阵列，宽带光纤光栅阵列复用多个弱光栅81，窄带光纤光栅阵列复用的弱光栅81与宽带光纤光栅阵列复用的弱光栅81参数不同。通过分布式的弱光纤光栅传感技术实现了大规模的传感单元组网，其中采用超窄带宽的弱光纤光栅阵列通过波长解调方法进行精确的分布式温度测量，采用宽带的弱光纤光栅阵列通过干涉相位解调法在大动态温度范围下进行分布式振动测量，并且可以精确的定位。
第一层镀锌钢丝5直径小于第二层镀锌钢6丝直径，且都为高温耐腐蚀镀锌钢丝，第一层镀锌钢丝5缠绕包裹无缝钢管3的方向与第二层镀锌钢丝6缠绕包裹第一层镀锌钢丝5的方向相反,增加了抗拉能力。通过将传感光纤8设置于无缝钢管3中，并在无缝钢管3外按相反方向依次缠绕包裹高温耐腐蚀的第一层镀锌钢丝5和第二层镀锌钢丝6形成用于测井用的铠装光缆，具有抗拉力强、安全度高，而且耐高温耐腐蚀性强等优点，同时便于制造与施工。
作为一种具体实施例，温度传感光纤1光栅阵列和振动传感光纤2光栅阵列设置于直径为3mm，壁厚为0.8mm的无缝钢管3中，阻水油膏4填充满整个无缝钢管3，无缝钢管外面顺时针缠绕包裹直径2.4mm第一层镀锌加强钢丝，第一层镀锌加强钢丝外逆时针包缠绕裹直径为2.8mm的第二层镀锌加强钢丝。
进一步地，如图3所示，所述窄带光纤光栅阵列的3dB带宽小于0.2nm，中心波长介于1530nm～1560nm，复用的弱光栅81数量超过3000个，光栅间距介于1m～50m，光栅反射率介于0.01％～1％，用于分布式温度测量。当外界温度发生变化时光栅的中心波长会发生漂移，通过中心波长的变化计算外界温度的变化，由于带宽比较窄，因此测量的精度很高。作为一种具体实施例，窄带光纤光栅阵列的3dB带宽为0.2nm，中心波长为1549.8nm，光栅的反射率为0.01％，复用数量3000个，间距为1m，测量距离为3km，温度测量误差小于1℃。
进一步地，如图4所示，所述宽带光纤光栅阵列的3dB带宽大于3nm，中心波长为1550nm，所述复用的多个弱光栅数量超过600个，光栅间距5m，光栅反射率介于0.01％～1％，用于分布式振动测量。通过非平衡迈克尔逊干涉仪使相邻光栅的反射光发生干涉，当外界有振动时干涉信号会发生变化，通过检测干涉信号的变化还原振动信号。作为一种具体实施例，带光纤光栅阵列的3dB带宽为3.2nm，中心波长为1550nm，光栅的反射率为0.01％，复用数量为600个，光栅间距为5m，测量距离为3km。
进一步地，温度传感光纤1与振动传感光纤2的纤芯材料为纯石英，涂覆层材料为聚酰亚胺，作为一种具体实施例，传感光纤直径为250um。
进一步地，温度传感光纤1与振动传感光纤2并列设置与无缝钢管3中，同时测量井中的温度和振动信号。
本发明的油田测井光缆采用一缆两芯的结构，弱光纤光栅阵列是以光纤作为载体，光纤光栅作为传感器，一芯用来测温度，另一芯用来测振动。与传统的光纤光缆对比，弱光纤光栅具有信号强、定位准确、测量精度高等优点；此外基于弱光栅阵列的新型油田测井光缆能同时测量井中的温度和振动信号，其中超窄带的光纤光栅阵列温度测量更加准确，宽带的光纤光栅阵列能满足井间大动态温度范围下的振动监测，因此在地震、石油勘探等领域具有巨大的应用价值。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，其特征在于，包括无缝钢管，以及设置于该无缝钢管内的温度传感光纤和振动传感光纤；
所述无缝钢管外部缠绕包裹第一层镀锌钢丝，所述第一层镀锌钢丝外部缠绕包裹第二层镀锌钢丝，两层镀锌钢丝的缠绕包裹方向相反；所述无缝钢管内还充有阻水油膏；
所述温度传感光纤上设置有窄带光纤光栅阵列，所述窄带光纤光栅阵列复用多个弱光栅，所述振动传感光纤设置有宽带光纤光栅阵列，所述宽带光纤光栅阵列复用多个弱光栅，所述窄带光纤光栅阵列复用的多个弱光栅与所述宽带光纤光栅阵列复用的多个弱光栅的参数不同。
2.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，其特征在于，所述第一层镀锌钢丝和所述第二层镀锌钢丝均为耐高温耐腐蚀镀锌钢丝,所述第二层镀锌钢丝的直径大于所述第一层镀锌钢丝直径。
3.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，其特征在于，所述窄带光纤光栅阵列的3 dB带宽小于0.2 nm，中心波长介于1530 nm~1560nm，复用的弱光栅数量超过3000个，光栅间距介于1 m~50 m，光栅反射率介于0.01%~1%，用于分布式温度测量。
4.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，其特征在于，所述宽带光纤光栅阵列的3 dB带宽大于3nm，中心波长为1550 nm，复用的弱光栅数量超过600个，光栅间距5 m，光栅反射率介于0.01%~1%，用于分布式振动测量。
5.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，其特征在于，所述温度传感光纤与所述振动传感光纤的纤芯材料为纯石英，涂覆层材料为聚酰亚胺。
6.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的新型油田测井光缆，其特征在于，所述温度传感光纤与所述振动传感光纤并列设置于所述无缝钢管中。
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