光纖EFPI-FBG傳感測(cè)井系統(tǒng)關(guān)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(dāng)今世界尤為重要。而目前石油工業(yè)所面臨采收率低的問(wèn)題一直是困擾著石油工業(yè)最為核心的問(wèn)題，此問(wèn)題的解決是建立在對(duì)石油井下一系列物理參數(shù)高精度、長(zhǎng)期可靠監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)之上的。然而，石油井下高溫、高壓、強(qiáng)化學(xué)腐蝕、強(qiáng)電磁干擾等一系列極端惡劣環(huán)境對(duì)傳感器的可靠性是一種極大地考驗(yàn)。此外，深井探測(cè)信號(hào)的傳輸以及能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)量對(duì)石油測(cè)井的意義也十分重大。在這種情況下，傳統(tǒng)的電子學(xué)傳感器并不能夠完全滿足石油測(cè)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(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器由于具有波長(zhǎng)編碼、抗干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期測(cè)量穩(wěn)定可靠、測(cè)量精度高、耐高溫高壓、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到石油工業(yè)的普遍關(guān)注和高度重視。
　　 光纖傳感測(cè)井系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：傳感器探頭、信號(hào)傳輸光纖、信號(hào)解調(diào)儀。本文對(duì)該系統(tǒng)及其在高溫、高壓油井下長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究。在摻鉺光纖放大系統(tǒng)理論模型基礎(chǔ)上，對(duì)摻鉺光纖中光放大的物理過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且對(duì)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(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究。本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(zhǎng)為1565.253 nm，平坦區(qū)域(平坦度在2.5 dB以內(nèi))的譜寬達(dá)68 nm(1535～1603 nm)。實(shí)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(shí)現(xiàn)了基于標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)調(diào)諧范圍首次達(dá)到145 nm(1475-1620 nm)，覆蓋了整個(gè)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(shè)計(jì)并研制出一種基于寬帶波長(zhǎng)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(zhǎng)掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的動(dòng)態(tài)特性。在此基礎(chǔ)上，成功的實(shí)現(xiàn)了基于寬帶波長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)具對(duì)掃描光纖激光器進(jìn)行實(shí)時(shí)的波長(zhǎng)校準(zhǔn)。采用五次非線性擬合方法對(duì)濾波器的驅(qū)動(dòng)電壓和透射波長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)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(zhǎng)關(guān)系的非線性、重復(fù)性差和遲滯等問(wèn)題。因此，該光纖傳感查詢儀實(shí)現(xiàn)了高波長(zhǎng)測(cè)量精度和分辨率。本文采用HCN氣體吸收池作為波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該查詢儀的波長(zhǎng)測(cè)量準(zhǔn)確度和分辨率進(jìn)行了測(cè)量，其波長(zhǎng)測(cè)量分辨率為0.9pm，準(zhǔn)確度為±2 pm。利用該查詢儀對(duì)光纖EF

6、PI/FBG串聯(lián)復(fù)用傳感器進(jìn)行了解調(diào)實(shí)驗(yàn)，光纖EFPI腔長(zhǎng)解調(diào)分辨率達(dá)到0.025 nm，對(duì)應(yīng)壓強(qiáng)分辨率為0.32 kPa； FBG的波長(zhǎng)解調(diào)分辨率為0.63 pm，對(duì)應(yīng)溫度分辨率為0.065℃。由于該系統(tǒng)采用的波長(zhǎng)掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器具有毫瓦量級(jí)的輸出功率，對(duì)于遠(yuǎn)距離傳感應(yīng)用具有極好的適應(yīng)能力。由于該系統(tǒng)采用的波長(zhǎng)掃描環(huán)形腔摻鉺光纖激光器的波長(zhǎng)掃描范圍達(dá)到100nm以上，使得該查詢儀在解調(diào)光纖EFPI傳感器時(shí)更為精確，對(duì)FBG傳感

7、器解調(diào)具有更大的波分復(fù)用能力。
　　 針對(duì)高溫高壓長(zhǎng)期實(shí)時(shí)測(cè)井應(yīng)用，對(duì)光纖壓力/溫度傳感器系統(tǒng)的若干技術(shù)問(wèn)題做了詳細(xì)的分析并給出相應(yīng)的解決方案。油氣井下壓力、溫度是油井生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控的重要參數(shù)指標(biāo)。本文通過(guò)對(duì)光纖EFPI壓力傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且建立合理的數(shù)學(xué)模型，利用FBG溫度傳感器對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)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(cè)量量程0～72MPa范圍內(nèi)最大偏差小于滿量