光纖EFPI傳感器系統(tǒng)及其在油氣井中應(yīng)用的研究.pdf

1、以光纖法布里一珀羅傳感器和光纖光柵傳感器為代表的波長(zhǎng)解調(diào)型光纖傳感器具有波長(zhǎng)編碼、抗干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期漂移小、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已經(jīng)在工業(yè)測(cè)量、大型建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智能材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。光纖傳感器系統(tǒng)主要由傳感單元和解調(diào)單元兩部分組成，本論文采用激光熔接技術(shù)制作出的全石英結(jié)構(gòu)的光纖法布里-珀羅(F-P)傳感器，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于高溫、高壓等惡劣工業(yè)環(huán)境。本論文研制的基于寬譜SLED光源

2、的光纖傳感波長(zhǎng)解調(diào)儀和基于可調(diào)諧光纖激光器的光纖傳感波長(zhǎng)解調(diào)儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖F-P傳感器和FBG傳感器的高精度波長(zhǎng)解調(diào)。針對(duì)光纖F-P傳感器應(yīng)用于油氣井下壓力測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題做了深入的研究，提出相應(yīng)的解決方案，并成功應(yīng)用于遼河油田油氣井的長(zhǎng)期壓力監(jiān)測(cè)。本論文的主要工作如下： 1.研究制作了基于寬譜光源的光纖傳感波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用可調(diào)諧光纖F-P濾波器作為波長(zhǎng)掃描器件，分析和測(cè)試了該器件的工作特性，認(rèn)為三次多項(xiàng)式擬合是該濾波器的掃

3、描電壓與透射波長(zhǎng)曲線的最佳擬合。采用五支光纖光柵做波長(zhǎng)參考，用三次多項(xiàng)式曲線擬合方法得到的掃描電壓一波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可達(dá)到較高的分辨率和精度。實(shí)驗(yàn)測(cè)得分辨率達(dá)到4.3pm，長(zhǎng)期重復(fù)測(cè)量誤差小于10pm。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 2.為實(shí)現(xiàn)高精度光纖非本征法布里一珀羅傳感器(EFPI)和布拉格光纖光柵(FBG)波長(zhǎng)解調(diào)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于可調(diào)諧光纖激光器的光纖傳感波長(zhǎng)解調(diào)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用具有5l條吸收譜線的氰

4、化氫(HCN)氣體吸收池為波長(zhǎng)參考基準(zhǔn)，采用三次多項(xiàng)式擬合的方法來(lái)確定可調(diào)諧光纖F-P濾波器的波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在可調(diào)諧濾波器掃描過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)掃描的鋸齒波電壓和多路光譜信號(hào)進(jìn)行同步采樣，通過(guò)實(shí)時(shí)標(biāo)定的方法得到傳感信號(hào)的反射光譜，從而消除了可調(diào)諧光纖F-P濾波器本身非線性、遲滯性和重復(fù)性差的缺點(diǎn)。由于系統(tǒng)中采用了大功率的光纖激光器和更為精確的光纖氣體吸收池作為波長(zhǎng)參考器件，整個(gè)系統(tǒng)解調(diào)的分辨率得到提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)FB

5、G反射峰值波長(zhǎng)的測(cè)量分辨率為1.4pm，長(zhǎng)期波長(zhǎng)重復(fù)性達(dá)到3.2pm；對(duì)光纖EFPI傳感器的腔長(zhǎng)解調(diào)的分辨率為0.22nm。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)FBG傳感器反射峰值波長(zhǎng)和光纖EFPI傳感器腔長(zhǎng)的高精度解調(diào)。 3.研究了單模光纖EFPI傳感器的制作和封裝技術(shù)。論文采用CO2激光熱熔接的方法制作適用于高溫高壓等惡劣環(huán)境下工作的光纖EFPI傳感器。為解決實(shí)際油井測(cè)量過(guò)程中光纖EFPI傳感器工作環(huán)境溫差大(300℃左右)的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)傳感器參數(shù)的

6、優(yōu)化設(shè)計(jì)，制作出溫度敏感性小的光纖EFPI壓力傳感器，在16℃～300℃溫度變化范圍內(nèi)，壓力測(cè)量的最大偏差小于1％。為了進(jìn)一步減小高溫油井測(cè)量時(shí)溫度大范圍變化對(duì)壓力測(cè)量精度的影響，采用了溫度分段標(biāo)定的方法，根據(jù)壓力傳感器所在油井深度的溫度估計(jì)值選用不同溫度段標(biāo)定曲線，從而提高了壓力測(cè)量的精度，使井下長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的壓力傳感器的測(cè)量精度可達(dá)0.1％。 4.油氣井下壓力、溫度等物理參數(shù)是油井生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控的重要依據(jù)，光纖傳感器應(yīng)用于油氣井