光纤EFPI传感器系统及其在油气井中应用的研究

论文摘要

以光纤法布里—珀罗传感器和光纤光栅传感器为代表的波长解调型光纤传感器具有波长编码、抗干扰能力强、长期漂移小、测量精度高等优点,近年来已经在工业测量、大型建筑结构健康监测、智能材料等领域得到广泛应用。光纤传感器系统主要由传感单元和解调单元两部分组成,本论文采用激光熔接技术制作出的全石英结构的光纤法布里—珀罗（F-P）传感器,具有体积小、结构简单、可靠性高、灵敏度高等优点,能够应用于高温、高压等恶劣工业环境。本论文研制的基于宽谱SLED光源的光纤传感波长解调仪和基于可调谐光纤激光器的光纤传感波长解调仪实现了对光纤F-P传感器和FBG传感器的高精度波长解调。针对光纤F-P传感器应用于油气井下压力测量的关键问题做了深入的研究,提出相应的解决方案,并成功应用于辽河油田油气井的长期压力监测。本论文的主要工作如下:1.研究制作了基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统。系统采用可调谐光纤F-P滤波器作为波长扫描器件,分析和测试了该器件的工作特性,认为三次多项式拟合是该滤波器的扫描电压与透射波长曲线的最佳拟合。采用五支光纤光栅做波长参考,用三次多项式曲线拟合方法得到的扫描电压—波长对应关系,可达到较高的分辨率和精度。实验测得分辨率达到4.3pm,长期重复测量误差小于10pm。该系统的结构相对简单,成本低,具有实际应用价值。2.为实现高精度光纤非本征法布里-珀罗传感器（EFPI）和布拉格光纤光栅（FBG）波长解调,设计并实现了一种基于可调谐光纤激光器的光纤传感波长解调系统,系统采用具有51条吸收谱线的氰化氢（HCN）气体吸收池为波长参考基准,采用三次多项式拟合的方法来确定可调谐光纤F-P滤波器的波长与驱动电压的对应关系。在可调谐滤波器扫描过程中,系统对扫描的锯齿波电压和多路光谱信号进行同步采样,通过实时标定的方法得到传感信号的反射光谱,从而消除了可调谐光纤F-P滤波器本身非线性、迟滞性和重复性差的缺点。由于系统中采用了大功率的光纤激光器和更为精确的光纤气体吸收池作为波长参考器件,整个系统解调的分辨率得到提高。实验结果表明,该系统对FBG反射峰值波长的测量分辨率为1.4pm,长期波长重复性达到3.2pm;对光纤EFPI传感器的腔长解调的分辨率为0.22nm。能够实现对FBG传感器反射峰值波长和光纤EFPI传感器腔长的高精度解调。3.研究了单模光纤EFPI传感器的制作和封装技术。论文采用CO2激光热熔接的方法制作适用于高温高压等恶劣环境下工作的光纤EFPI传感器。为解决实际油井测量过程中光纤EFPI传感器工作环境温差大（300℃左右）的问题,通过对传感器参数的优化设计,制作出温度敏感性小的光纤EFPI压力传感器,在16℃～300℃温度变化范围内,压力测量的最大偏差小于1%。为了进一步减小高温油井测量时温度大范围变化对压力测量精度的影响,采用了温度分段标定的方法,根据压力传感器所在油井深度的温度估计值选用不同温度段标定曲线,从而提高了压力测量的精度,使井下长期监测的压力传感器的测量精度可达0.1%。4.油气井下压力、温度等物理参数是油井生产过程监控的重要依据,光纤传感器应用于油气井下高温、高压恶劣环境的长期压力监测需要解决高压密封、光缆保护等技术问题。我们采用金属—石英管的机械压力密封和石英管—光纤的激光热熔无胶密封结构,保证了传感器导压腔和耐高温光纤不锈钢保护套管的可靠密封,提高了整个系统的可靠性和使用寿命;采用不锈钢套管保护聚酰亚胺（Polyimide）材料涂敷的耐高温光纤传输传感信号,解决了耐高温和保护光纤的问题。该传感器在国内率先成功的应用于辽河油田曙光采油厂油井下的长期压力监测,至今已连续工作22个月。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光纤传感技术综述
• 1.2 光纤F-P传感解调仪和FBG传感解调仪的研究现状
• 1.2.1 光纤F-P传感解调仪
• 1.2.2 FBG传感解调仪
• 1.3 油气井下温度和压力测量现状
• 1.4 选题的意义
• 1.5 本论文的结构
• 2 光纤F-P传感器与FBG传感器原理
• 2.1 光纤F-P传感器基本原理
• 2.2 光纤F-P传感器的分类
• 2.2.1 光纤IFPI传感器
• 2.2.2 光纤EFPI传感器
• 2.3 光纤F-P传感器解调方法
• 2.3.1 强度解调方法
• 2.3.2 基于反相位的干涉/强度自补偿光纤F-P解调系统
• 2.3.3 相位解调方法
• 2.4 FBG传感器基本原理
• 2.4.1 FBG传感器
• 2.4.2 FBG的解调方法
• 2.5 本章小结
• 3 基于宽谱光源的光纤传感波长解调系统的研究
• 3.1 基于宽谱光源的光纤传感波长解调原理
• 3.1.1 可调谐光纤F-P滤波器的性能测试
• 3.1.2 用于波长参考的光纤光栅方案对比
• 3.2 基于双光纤光栅参考的宽谱光源光纤传感波长解调系统
• 3.2.1 双光纤光栅参考的宽谱光源光纤传感波长解调系统构成
• 3.2.2 参考光纤光栅的温度稳定性测量与结果分析
• 3.2.3 传感解调系统性能考核
• 3.3 基于多光纤光栅参考的宽谱光源光纤传感器波长解调系统
• 3.3.1 多光纤光栅参考的宽谱光源光纤传感器波长解调系统构成
• 3.3.2 参考光纤光栅的温度稳定性测量与结果分析
• 3.3.3 传感解调系统性能考核
• 3.4 光纤EFPI传感器的应变测量实验
• 3.5 本章小结
• 4 基于可调谐光纤激光器的光纤传感波长解调系统研究
• 4.1 可调谐光纤激光器
• 4.2 气体吸收池
• 4.3 基于可调谐光纤激光器的光纤传感波长解调系统
• 4.3.1 光纤传感波长解调系统方案
• 4.3.2 光纤传感器波长解调系统算法实现
• 4.4 基于可调谐激光器的光纤传感器波长解调系统的测试和分析
• 4.4.1 光吸收池波长参考通道中干扰的消除
• 4.4.2 FBG的解调测试
• 4.4.3 光纤EFPI传感器的解调实验
• 4.5 光纤EFPI压力传感器的解调实验
• 4.6 本章小结
• 5 光纤EFPI压力传感器在油气井中的应用
• 5.1 光纤EFPI传感器制作及优化设计
• 5.2 光纤EFPI传感器应用于高温井下压力测量关键技术问题及解决方法
• 5.2.1 高温高压下传感器的有效密封
• 5.2.2 传输光纤的保护
• 5.2.3 高温高压下的光纤EFPI传感器的交叉敏感
• 5.3 适用于高温高压下的光纤EFPI传感器的性能考核
• 5.4 光纤EFPI压力传感器在油井现场的应用
• 5.4.1 辽河油田现场实际状况
• 5.4.2 光纤EFPI传感器在油田的现场应用
• 5.5 本章小结
• 6 结论、创新点与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 创新点摘要
• 6.3 后续工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 主要科研成果
• 致谢