基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統的製作方法

2023-08-22 13:09:01 2

專利名稱：基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及煤層氣測井領域，尤其涉及一種用於煤層氣井的光纖傳感壓力、溫度監測系統。
技術背景 煤層氣俗稱「瓦斯」，其主要成分是CH4 (甲烷)，與煤炭伴生、以吸附狀態儲存於煤層內的非常規天然氣，作為ー種高效、潔淨能源，經濟效益巨大，於此同時，煤層氣也是煤礦瓦斯爆炸事故的根源，煤層氣直接排放到大氣中，其溫室效應約為ニ氧化碳的21倍，對生態環境破壞性極強。煤層氣井的生產是通過抽排煤儲層的承壓水，降低煤儲層壓力，促使煤儲層中吸附的煤層氣解吸的全過程，即通過排水降壓，使得吸附態煤層氣解吸為大量游離態煤層氣並運移至井口。可以看出不僅在探測的過程需要監測井下溫度壓カ情況，在開發利用的過程中也需要不斷的監測煤層氣的溫度壓カ變化，在利用地下洞穴來存儲煤層氣的時候，也需要監測其溫度分布和壓カ分布，從而了解存儲能力及洩漏等情況。傳統的煤層氣井壓カ溫度監測技術為了得到井底、井筒中溫度、壓カ場得動態分布，採用機械方式在井筒中上下移動井下傳感器，從而導致整個測量過程周期較長，測量可靠性低，測量精度也受到限制；同時煤層氣井中環境複雜，電磁幹擾較強，而傳統電子式傳感器長期使用的穩定性及抗幹擾能力是有限的。因此，如何發明出ー種煤層氣井溫度、壓カ監測系統，將上述技術問題加以解決，為本領域技術人員所研究的方向所在。
發明內容本實用新型的主要目的是提供一種基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，以解決上述現有技術中所存在的問題。為了達到上述目的，本實用新型提供一種基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其包括壓カ光纖光柵傳感器，其布設於油管外表面，通過感受油管外壓カ而使光纖光柵的中心波長發生變化；溫度光纖光柵傳感器，其布設於油管外表面，通過感受油管外溫度而使光纖光柵的中心波長發生變化；雷射器，其用於輸出光束；稱合器,其輸入端接收所述雷射器的輸出光束，並將其傳給所述的壓力光纖光柵傳感器及溫度光纖光柵傳感器；解調儀，其信號輸入端與所述的耦合器的光信號輸出端相連，用於監測所述壓カ光纖光柵傳感器中心波長的變化及溫度光纖光柵傳感器中心波長的變化，進而測得煤層氣井的壓カ和溫度。較佳的實施方式中，所述的壓力光纖光柵傳感器包括[0013]壓カ傳感器殼體，其上設置ー蓋板，所述的蓋板上端設置有圓形平膜片，一壓カ實施於所述蓋板的圓形平膜片上，所述的蓋板下端連接ー傳力杆；等強度懸臂梁，其設置於所述壓カ傳感器殼體內，並與所述傳カ杆相嚙合，所述的等強度懸臂梁上表面具有一凹槽，所述凹槽上設置有壓カ光纖光柵，所述的壓力光纖光柵引出一引出光纖至所述壓カ傳感器殼體外，該引出光纖連接所述耦合器。較佳的實施方式中，所述的溫度光纖光柵傳感器包括溫度傳感器殼體，所述的溫度傳感器殼體與所述的壓カ傳感器殼體緊密連接，所述的溫度傳感器殼體內設置有溫度光纖光柵，所述的溫度光纖光柵引出另ー引出光纖至所述溫度傳感器殼體外，該另ー引出光纖連接所述耦合器。較佳的實施方式中，所述的等強度懸臂梁通過高性能粘結劑固定於所述壓カ傳感器殼體內。較佳的實施方式中，所述的蓋板與所述壓カ傳感器殼體之間的接觸面均勻塗抹高 耐久性密封膠。較佳的實施方式中，所述壓カ傳感器殼體上具有一光纖引出孔，所述的引出光纖通過所述光纖引出孔引出，所述的光纖引出孔通過高耐久性密封膠密封。較佳的實施方式中，所述溫度傳感器殼體上具有一光纖引出孔，所述的另一引出光纖通過所述光纖引出孔引出，所述的光纖引出孔通過高耐久性密封膠密封。較佳的實施方式中，利用如下公式求得煤層氣井壓カP= (Δ λκ-Δ Abt)E/2vCe其中，Λ λ BS、Λ λ BT分別為光纖光柵壓カ傳感器和光纖光柵溫度補償傳感器的中心波長變化量，其由解調儀測出；E為光纖光柵彈性模量；v為光纖光柵泊松比；CE分別表示光纖光柵應變係數。較佳的實施方式中，利用如下公式求得煤層氣井溫度Δ Tt = Δ λ BT/CT其中，Λ λΒΤ為光纖光柵溫度補償傳感器的中心波長變化量，其由解調儀測出；CT表不光纖光柵溫度係數。與現有技術相比，本實用新型應用光纖光柵測量煤層氣井水壓力，還具有溫度自補償功能和測量溫度的功能，其利用了光纖光柵的傳感特性和圓形彈性壓蓋-傳カ杆-等強度懸臂梁彈性元件組合的變形特性，具有結構緊湊、長期穩定性好、耐久性好、抗電磁幹擾等優點。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖I為本實用新型基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統組成框圖；圖2為本實用新型基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統的壓力、溫度光纖光柵傳感器組成示意圖；[0030]圖3為本實用新型基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統的壓力、溫度光纖光柵傳感器布設不意圖。附圖標記說明1_蓋板；2_等強度懸臂梁；3_壓カ光纖光柵；4_溫度傳感器殼體；5_傳カ杆；6_壓カ傳感器殼體；7_溫度光纖光柵；81、82_引出光纖；91_壓カ光纖光柵傳感器；92_溫度光纖光柵傳感器；10_雷射器；11_稱合器；111_信號輸入端；112_輸入/輸出端；113-光信號輸出端；12-解調儀。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。如圖I所示，為本實用新型基於光纖傳感器的煤層氣井壓力、溫度監測系統組成 框圖，本實用新型的基於光纖傳感器的煤層氣井液位監測系統包括一壓カ光纖光柵傳感器91、一溫度光纖光柵傳感器92、一雷射器10，一耦合器11及一解調儀12，所述的壓カ光纖光柵傳感器91及溫度光纖光柵傳感器92布設於油管外表面並緊貼油管，通過感受油管外壓カ和溫度，而使光纖光柵的中心波長發生變化；所述的雷射器於10輸出光束至耦合器11的信號輸入端111，所述的稱合器11的輸入/輸出端112與所述的壓力光纖光柵傳感器91及溫度光纖光柵傳感器92連接，所述耦合器11的光信號輸出端113與所述解調儀12的信號輸入端相連，通過所述解調儀12監測所述壓カ光纖光柵傳感器91光纖光柵的的中心波長及溫度傳感器92光纖光柵的中心波長的變化，進而測得煤層氣井的壓カ和溫度。如圖2及圖3所示，分別為本實用新型基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統的壓力、溫度光纖光柵傳感器組成示意圖及布設示意圖，所述的壓力光纖光柵傳感器91包括ー蓋板I、一等強度懸臂梁2、一壓カ光纖光柵3、一引出光纖81、一傳カ杆5及壓カ傳感器殼體6，所述的壓カ傳感器殼體6上設置所述蓋板1，所述蓋板I上端設置有圓形平膜片(圖未示)，壓カ施於所述蓋板I的圓形平膜片上，所述蓋板I的下端連接所述傳カ杆5，所述的等強度懸臂梁2設置於所述壓カ傳感器殼體6內，並與所述傳カ杆5相嚙合，所述等強度懸臂梁2上表面具有ー凹槽,所述凹槽上設置有壓カ光纖光柵3,所述的壓力光纖光柵3引出一引出光纖81至所述壓カ傳感器殼體6タト，所述引出光纖81連接所述耦合器11。所述的溫度光纖光柵傳感器92包括溫度傳感器殼體4、溫度光纖光柵7及引出光纖82，所述的溫度傳感器殼體4與所述的壓カ傳感器殼體6緊密連接，所述的溫度傳感器殼體4內設置有溫度光纖光柵7，所述的溫度光纖光柵7引出一引出光纖82至所述溫度傳感器殼體4タト，所述引出光纖82連接所述耦合器11。所述的壓力、溫度光纖光柵傳感器是通過下述方法進行製作的首先製作壓カ光纖光柵傳感器91，使用J133等高性能膠粘劑將光纖光柵3粘結在等強度梁2的上表面凹槽中，然後將等強度懸臂梁2鑲嵌在壓カ傳感器殼體6內部並用高性能粘結劑進行永久固定，同時進行等強度懸臂梁2、傳カ杆5和蓋板I的組合，蓋板I與壓カ傳感器殼體6之間的接觸面上均勻塗抹高耐久性密封膠。在所述壓カ傳感器殼體6上具有一光纖引出孔(圖未示)，所述的引出光纖81通過所述光纖引出孔引出，在壓カ傳感器殼體6和引出光纖的連接部位均勻塗抹高耐久性密封膠後旋緊螺紋，保證密封，最後連接鎧裝光纜，光纖引出孔也要使用高耐久性密封膠密封。其次，進行煤層氣井溫度光纖光柵傳感器92的製作，將溫度光纖光柵7封裝於溫度傳感器殼體4內部，在所述溫度傳感器殼體4上具有一光纖引出孔(圖未示)，所述的引出光纖82通過所述光纖引出孔引出，引出光纖82與光纖引出孔之間使用高耐久性密封膠密封，保證溫度光纖光柵不受外界應カ作用，最後利用膠粘劑將溫度光纖光柵傳感器92與壓カ光纖光柵傳感器91緊密連接。如圖3所示，本實用新型的壓カ光纖光柵傳感器91、溫度光纖光柵傳感器92布設於油管外表面並緊貼油管布設，即壓カ傳感器殼體6的底面緊貼油管外表面，所述蓋板I上端設置有的圓形平膜片衝向外，感受水壓カ，對煤層氣井水壓カ進行測量時，煤層氣井水壓力均勻地作用於圓形平膜片表面，使圓形平膜片發生撓度彎曲；同時圓形平膜片將均勻壓力轉化為集中力，通過傳カ杆5作用於等強度懸臂梁2自由端，使等強度懸臂梁2發生變形；粘貼在等強度懸臂梁2上表面的壓カ光纖光柵3與等強度懸臂梁2協調變形，中心波長 發生變化。此時應用光纖光柵解調儀12測量其波長，並用事先標定的煤層氣井水壓カ-波長曲線即可求得滲透水壓カ值。對於溫度補償，由於該結構採用雙光纖光柵並聯結構，因此可以完全實現溫度自補償。同樣，對環境溫度進行測量時，溫度光纖光柵7在溫度影響下，中心波長發生漂移，此時應用光纖光柵解調儀12測量其波長，並用事先標定的溫度-波長曲線即可求得環境溫度值。上述的使用壓力、溫度光纖光柵傳感器進行煤層氣井液位監測方法的具體如下用紫外光照射光纖，形成均勻柵格，使入射光在柵格處對特定波長的光進行反射，其餘波長的光透射，通過監測反射光或透射光的波長反應外界情況的變化，當光柵受到外界壓カ(或溫度)作用時，光柵周期會發生變化，同時光彈效應會導致光柵有效折射率變化，光柵中心波長也隨之發生變化。光纖光柵中心波長變化與自身應變(ε )和溫度變化(AT)的數學關係如下ΔλΒ=αεε+ατΔΤ (I)公式(I)中α ε為光柵軸向應變與中心波長變化關係的靈敏度係數；α τ為光纖光柵溫度傳感的靈敏度係數。考慮到溫度補償有公式(2)及公式⑶Δ λ BS = C ε Δ ε S+CT Δ Ts (2)Δ λ ΒΤ = C ε Δ ε T+CT Δ Tt (3)公式⑵及公式⑶中，Δ λκ、Δ λ ΒΤ，Δ ε s、Δ ε τ，Δ Ts> Δ Tt分別為光纖光柵壓カ傳感器和光纖光柵溫度補償傳感器的中心波長變化量，應變變化量、溫度變化量，其中Δ ετ = O, ATs = ΔΤτ, CT、CE分別表示光纖光柵溫度及應變係數。考慮到光纖自身應變(ε )與外界徑向壓力⑵之間的關係有公式⑷
2ε = -Pv( 4 )
E公式(4)中E為光纖光柵彈性模量；ν為光纖光柵泊松比。在該方案中，將光纖光柵壓カ傳感器布設在煤層氣井下某點，考慮溫度補償後，即可得到煤層氣井下該點處壓力，公式(5)[0052]P= ( Λ λ BS- Λ λ BT) E/2vC ε (5)由公式(2)、(3)可知，煤層氣井下該點溫度，公式(6)Δ Tt = Δ λ BT/CT(6)綜上所述，本實用新型對煤層氣井水壓カ進行測量時，煤層氣井水壓カ均勻地作用於圓形平膜片表面，使圓形平膜片發生撓度彎曲；同時圓形平膜片將均勻壓カ轉化為集中力，通過傳カ杆作用於等強度懸臂梁2自由端，使等強度懸臂梁2發生變形；粘貼在等強度懸臂梁2上表面的光纖光柵與等強度懸臂梁2協調變形，中心波長發生變化，此時應用光纖光柵解調儀測量其波長，由上述公式即可計算出煤層氣井下某點處壓カ值。對於溫度補償，由於該結構採用雙光纖光柵並聯結構，因此通過分析可知，可以完全實現溫度自補償。同樣，對環境溫度進行測量時，溫度光纖光柵在溫度影響下，中心波長發生漂移，此時應用光纖光柵解調儀測量其波長，並由上述公式即可計算出煤層氣井下的溫度值。與現有技術相比，本實用新型應用光纖光柵測量煤層氣井水壓力，還具有溫度自補償功能和測量溫度的功能，其利用了光纖光柵的傳感特性和圓形彈性壓蓋-傳カ杆-等強度懸臂梁彈性元件組合的變形特性，具有結構緊湊、長期穩定性好、耐久性好、抗電磁幹擾等優點。最後應說明的是以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例技術方案的精神和範圍。
權利要求1.一種基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其特徵在於，其包括 壓カ光纖光柵傳感器，其布設於油管外表面，通過感受油管外壓カ而使光纖光柵的中心波長發生變化； 溫度光纖光柵傳感器，其布設於油管外表面，通過感受油管外溫度而使光纖光柵的中心波長發生變化； 雷射器，其用於輸出光束； 耦合器，其輸入端接收所述雷射器的輸出光束，並將其傳給所述的壓力光纖光柵傳感器及溫度光纖光柵傳感器； 解調儀，其信號輸入端與所述的耦合器的光信號輸出端相連，用於監測所述壓カ光纖光柵傳感器中心波長的變化及溫度光纖光柵傳感器中心波長的變化，進而測得煤層氣井的壓カ和溫度。
2.根據權利要求I所述的基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其特徵在幹，所述的壓力光纖光柵傳感器包括 壓カ傳感器殼體，其上設置ー蓋板，所述的蓋板上端設置有圓形平膜片，ー壓力實施於所述蓋板的圓形平膜片上，所述的蓋板下端連接ー傳カ杆； 等強度懸臂梁，其設置於所述壓カ傳感器殼體內，並與所述傳カ杆相嚙合，所述的等強度懸臂梁上表面具有ー凹槽，所述凹槽上設置有壓カ光纖光柵，所述的壓力光纖光柵引出一引出光纖至所述壓カ傳感器殼體外，該引出光纖連接所述耦合器。
3.根據權利要求2所述的基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其特徵在幹，所述的溫度光纖光柵傳感器包括溫度傳感器殼體，所述的溫度傳感器殼體與所述的壓カ傳感器殼體緊密連接，所述的溫度傳感器殼體內設置有溫度光纖光柵，所述的溫度光纖光柵引出另ー引出光纖至所述溫度傳感器殼體外，該另ー引出光纖連接所述耦合器。
4.根據權利要求2所述的基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其特徵在幹，所述的等強度懸臂梁通過高性能粘結劑固定於所述壓カ傳感器殼體內。
5.根據權利要求2所述的基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其特徵在幹，所述的蓋板與所述壓カ傳感器殼體之間的接觸面均勻塗抹高耐久性密封膠。
6.根據權利要求2所述的基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其特徵在幹，所述壓カ傳感器殼體上具有一光纖引出孔，所述的引出光纖通過所述光纖引出孔引出，所述的光纖引出孔通過高耐久性密封膠密封。
7.根據權利要求3所述的基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其特徵在幹，所述溫度傳感器殼體上具有一光纖引出孔，所述的另一引出光纖通過所述光纖引出孔引出，所述的光纖引出孔通過高耐久性密封膠密封。
專利摘要本實用新型公開一種基於光纖傳感的煤層氣井壓力、溫度監測系統，其包括壓力光纖光柵傳感器，其布設於油管外表面，通過感受油管外壓力而使光纖光柵的中心波長發生變化；溫度光纖光柵傳感器，其布設於油管外表面，通過感受油管外溫度而使光纖光柵的中心波長發生變化；雷射器，其用於輸出光束；耦合器，其輸入端接收所述雷射器的輸出光束，並將其傳給所述的壓力光纖光柵傳感器及溫度光纖光柵傳感器；解調儀，其信號輸入端與所述的耦合器的光信號輸出端相連，用於監測所述壓力光纖光柵傳感器中心波長的變化及溫度光纖光柵傳感器中心波長的變化，進而測得煤層氣井的壓力和溫度。具有結構緊湊、長期穩定性好、耐久性好、抗電磁幹擾等優點。
文檔編號E21B47/06GK202451145SQ20122002216
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月17日 優先權日2012年1月17日
發明者何俊, 李儒峰, 塗俊梁, 趙彥華 申請人:北京奧飛搏世技術服務有限公司