一種檢測油井壓力的方法及所用的光柵壓力傳感器的製造方法
2023-12-10 14:17:42
一種檢測油井壓力的方法及所用的光柵壓力傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種檢測油井壓力的方法及所用的光柵壓力傳感器。該方法是將傳感器放入油井內，通過傳感器將油井內的壓力轉換成應變元件上薄壁圓筒上薄壁幾何尺寸的應變，再通過壓力測量光柵將應變元件上圓筒薄壁幾何尺寸的應變轉換為光柵布拉格中心波長的變化；根據光柵布拉格中心波長的變化量可得油井內當前壓力。本發明在結構上採用了具有應力放大功能的薄壁圓筒結構，壓力光柵安裝在薄壁圓筒圓周外壁上，沿著薄壁圓筒外壁的徑向貼裝，溫度光柵安裝在薄壁圓筒底部的厚壁上，以使其能夠不敏感應力，避免了現有技術中壓力和溫度交叉敏感的安裝方式，在進行壓力採集時可進行溫度補償。提高了傳感器結構的可靠性和壓力溫度測量的精確性。
【專利說明】一種檢測油井壓力的方法及所用的光柵壓力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種檢測油井壓力的方法及所用的光柵壓力傳感器，屬於油田井下壓力測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]油井井下的壓力、溫度是衡量油井狀況的重要參數，目前，油井井下的壓力、溫度參數的監測通常是採用電子壓力測試技術來實現，但是在高溫、高壓、強腐蝕的井下環境中，電子產品長期工作的穩定性和可靠性極其有限，甚至不能使用。光纖光柵壓力溫度測試具有耐高溫、高壓、腐蝕、可分布式測量、可永久性放置等優點，相對傳統電子式壓力計，極大的提高了壓力溫度測量環境適應性和應用範圍。但是目前光纖壓力溫度測試技術存在傳感器測試穩定性差、溫度壓力交叉感染等問題。這些缺點限制了光纖光柵壓力溫度傳感器的大範圍推廣。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於，提供一種檢測油井壓力的方法及所用的光柵壓力傳感器，以解決現有傳感器測試穩定性差、溫度壓力交叉感染等問題，從而克服現有技術的不足。
[0004]本發明的技術方案是這樣實現的:
本發明的一種檢測油井壓力的方法為，該方法是將傳感器放入油井內，通過傳感器將油井內的壓力轉換成應變元件上薄壁圓筒上薄壁幾何尺寸的應變，再通過壓力測量光柵將應變元件上圓筒薄壁幾何尺寸的應變轉換為光柵布拉格中心波長的變化；布拉格中心波長與壓力和溫度存在的函數關係為Λ λ=ΚΡΧ ΔΡ+ΚΤΧ AT，其中，Λ λ布拉格中心波長變化量，Kp為壓力敏感係數，Kt為溫度敏感係數；通過標定消除溫度敏感係數對布拉格中心波長的影響後，當前光柵布拉格中心波長的變化量即對應油井內當前壓力。
[0005]前述方法中，所述壓力轉換是通過貼在應變元件薄壁上的壓力測量光柵實現，在傳感器受到油井內壓力的作用時，應變元件發生形變，致使應變元件薄壁的幾何尺寸產生應變，再通過壓力測量光柵將幾何尺寸應變轉換為光纖光柵布拉格中心波長的變化。
[0006]前述方法中，所述應變元件的薄壁上貼有溫度補償光柵，通過溫度補償光柵可以在測量壓力的同時測出實時溫度，在通過光柵布拉格中心波長變化量計算油井壓力時，可引入溫度補償係數，以獲得更精確的壓力值。
[0007]本發明的一種用於上述方法的光柵壓力傳感器為，該光柵壓力傳感器包括應變元件；應變元件中部為圓筒狀，圓筒的側壁為薄壁，圓筒的一端為厚壁，薄壁上粘貼有壓力測量光柵，厚壁上粘貼有溫度補償光柵；壓力測量光柵與溫度補償光柵之間經普通光纖連接；壓力測量光柵和溫度補償光柵分別經普通光纖與傳輸光纖連接。
[0008]前述光柵壓力傳感器中，所述應變元件採用Inconel 718材料製成，材料的彈性模量為 1.99 X 15MPa ?2.01 X 15MPa,泊松比為 0.29 ?0.30。
[0009]前述光柵壓力傳感器中，所述應變元件上薄壁圓筒的內徑為10.01?12.48mm，壁厚為1.2?1.5mm。
[0010]前述光柵壓力傳感器中，所述應變元件貼有溫度補償光柵的一側設有保護殼。
[0011]前述光柵壓力傳感器中，所述應變元件上設有光纖孔，傳輸光纖穿過光纖孔與外界連接。
[0012]由於採用了上述技術方案，本發明與現有技術相比，本發明在結構上採用了具有應力放大功能的薄壁圓筒結構，壓力光柵安裝在薄壁圓筒兩端的薄壁上，溫度光柵安裝在薄壁圓筒的側壁上，避免了現有技術中壓力和溫度交叉敏感的安裝方式，在進行壓力採集時可進行溫度補償。實現了傳感器結構的可靠性和壓力溫度測量的精確性。因此能夠實現可靠的高溫高壓井下壓力溫度測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明的結構示意圖；
圖2是應變元件的結構示意圖。
[0014]圖中的標記為:1-應變兀件，2-薄壁,3-厚壁,4-壓力測量光柵,5-溫度補償光柵,6-普通光纖,7-傳輸光纖,8-保護殼,9-光纖孔。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明，但不作為對本發明的任何限制。
[0016]本發明的一種檢測油井壓力的方法為，如圖1和圖2所示，該方法是將傳感器放入油井內，通過傳感器將油井內的壓力轉換成應變元件上薄壁圓筒上薄壁幾何尺寸的應變，再通過壓力測量光柵將應變元件上圓筒薄壁幾何尺寸的應變轉換為光柵布拉格中心波長的變化；布拉格中心波長與壓力和溫度存在的函數關係為Λ λ=ΚΡΧ ΔΡ+ΚΤΧ AT，其中，Δ λ布拉格中心波長變化量，Kp為壓力敏感係數，Kt為溫度敏感係數；通過標定消除溫度敏感係數對布拉格中心波長的影響後，當前光柵布拉格中心波長的變化量即對應油井內當前壓力。壓力轉換是通過貼在應變元件薄壁上的壓力測量光柵實現，在傳感器受到油井內壓力的作用時，應變元件發生形變，致使應變元件薄壁的幾何尺寸產生應變，再通過壓力測量光柵將幾何尺寸應變轉換為光纖光柵布拉格中心波長的變化。應變兀件的薄壁上貼有溫度補償光柵，通過溫度補償光柵可以在測量壓力的同時測出實時溫度，在通過光柵布拉格中心波長變化量計算油井壓力時，可引入溫度補償係數，以獲得更精確的壓力值。
[0017]本發明的一種用於上述方法的光柵壓力傳感器的結構示意圖如圖1和圖2所示，該光柵壓力傳感器包括應變元件I ;應變元件I中部為圓筒狀，圓筒的側壁為薄壁2，圓筒的一端為厚壁3，薄壁2上粘貼有壓力測量光柵4，厚壁3上粘貼有溫度補償光柵5 ;壓力測量光柵4與溫度補償光柵5之間經普通光纖6連接；壓力測量光柵4和溫度補償光柵5分別經普通光纖6與傳輸光纖7連接。所述應變元件採用Inconel 718材料製成，材料的彈性模量為1.99 X 15MPa?2.01 X 15MPa,泊松比為0.29?0.30。應變元件I上薄壁圓筒的內徑為10.01?12.48mm，壁厚為1.2?1.5mm。應變元件I貼有溫度補償光柵5的一側設有保護殼8。應變元件I上設有光纖孔9，傳輸光纖7穿過光纖孔9與外界連接。
[0018]具體實施時，首先應根據油井下高溫，高壓強腐蝕的特點，選擇製作傳感器的材料，本例選用的材料為Inconel 718。
[0019]然後根據油井下的壓力範圍(70MPa)、超壓範圍(150%)以及所選擇材料的彈性模量、泊松比等參數，計算出傳感器結構中薄壁圓筒的最大允許直徑厚度比，本例的最大允許直徑厚度比為8.96:1。並根據傳感器的壓力精度要求(0.2%F.S)和所使用的波長解調儀的精度(3pm)計算出傳感器結構中薄壁圓筒的最小允許直徑厚度比，本例的最大允許直徑厚度比為8.34:1。實際選取的直徑厚度比要不小於8.34、不大於8.96，本文中選取了8.34作為直徑厚度比。然後根據傳感器材料的耐腐蝕特性、機械加工的表面平整度等特性合理選擇傳感器結構中的薄壁圓筒的厚度，根據機加水平、合格率等因素，本文設計的壁厚為1.2mm?1.5mm ;然後根據最大允許直徑厚度比和最小允許直徑厚度比計算傳感器中薄壁圓筒的內徑。最後按圖1和圖2所示結構加工傳感器，為了保護壓力光柵和溫度光柵的安全，在傳感器外設有保護殼。
【權利要求】
1.一種檢測油井壓力的方法，其特徵在於:該方法是將傳感器放入油井內，通過傳感器將油井內的壓力轉換成應變元件上薄壁圓筒上薄壁幾何尺寸的應變，再通過壓力測量光柵將應變元件上圓筒薄壁幾何尺寸的應變轉換為光柵布拉格中心波長的變化；布拉格中心波長與壓力和溫度存在的函數關係為Λ A=KpX ΔΡ+ΚΤΧ AT，其中，Λ λ布拉格中心波長變化量，Kp為壓力敏感係數，Kt為溫度敏感係數；通過標定消除溫度敏感係數對布拉格中心波長的影響後，當前光柵布拉格中心波長的變化量即對應油井內當前壓力。
2.根據權利要求1所述方法，其特徵在於:所述壓力轉換是通過貼在應變元件薄壁上的壓力測量光柵實現，在傳感器受到油井內壓力的作用時，應變元件發生形變，致使應變元件薄壁的幾何尺寸產生應變，再通過壓力測量光柵將幾何尺寸應變轉換為光纖光柵布拉格中心波長的變化。
3.根據權利要求1所述方法，其特徵在於:所述應變元件的薄壁上貼有溫度補償光柵，通過溫度補償光柵可以在測量壓力的同時測出實時溫度，在通過光柵布拉格中心波長變化量計算油井壓力時，可引入溫度補償係數，以獲得更精確的壓力值。
4.一種用於權利要求1至3任一權利要求所述方法的光柵壓力傳感器，其特徵在於:包括應變元件(I);應變元件(I)中部為圓筒狀，圓筒的側壁為薄壁(2 )，圓筒的一端為厚壁(3)，薄壁(2)上粘貼有壓力測量光柵(4)，厚壁(3)上粘貼有溫度補償光柵(5);壓力測量光柵(4)與溫度補償光柵(5)之間經普通光纖(6)連接；壓力測量光柵(4)和溫度補償光柵(5)分別經普通光纖(6)與傳輸光纖(7)連接。
5.根據權利要求4所述光柵壓力傳感器，其特徵在於:所述應變元件(I)採用Inconel718材料製成，材料的彈性模量為1.99 X 15MPa?2.01 X 15MPa,泊松比為0.29?0.30。
6.根據權利要求4所述光柵壓力傳感器，其特徵在於:所述應變元件(I)上薄壁圓筒的內徑為10.01?12.48_，壁厚為1.2?1.5mm。
7.根據權利要求6所述光柵壓力傳感器，其特徵在於:所述應變元件(I)貼有溫度補償光柵(5)的一側設有保護殼(8)。
8.根據權利要求7所述光柵壓力傳感器，其特徵在於:所述應變元件(I)上設有光纖孔(9)，傳輸光纖(7)穿過光纖孔(9)與外界連接。
【文檔編號】G01L19/04GK104458105SQ201410192470
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年5月8日 優先權日:2014年5月8日
【發明者】賈昌磊, 林濤, 高華, 曾勇, 趙宗琦 申請人:貴州航天凱山石油儀器有限公司