[发明专利]外压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及到同时区分测量高温高压的光纤光 栅传感器。

背景技术

石油是人类赖以生存和发展的重要能源，随着社会的不断进步，油气的科学开 发显得日趋重要。减少修井作业和关井次数，乃至减少原油的泄漏，以增加原油累 计产量，这就需要利用先进的科学技术对油气井下的压力和温度实施长期跟踪监 测，随时进行状态分析，提高石油及油气的采出率，是提高原油开采经济效益的重 要途径。因此，用于远距离监测油气井下温度和压强，实施远距离长期监控，是目 前国内外普遍关注和研究的热点课题之一，许多研究者正致力于研制用于井下监测 高温高压传感系统。传统的方法多采用电测方法，易受井下高温环境和电磁干扰等 条件的限制。

现有的光纤光栅温度传感器最高只能检测250℃，不能适应在油井下250℃以 上的温度检测，尤其不能适应在高温高压注气井下进行检测。一般的光纤光栅压力 传感器检测压力范围小(0-20MPa)，要提高检测范围，首先遇到的难题是基于弹 性基底光纤光栅传感器输出与输入特性曲线的迟滞回线引起较大的迟滞误差和非 线性误差。现有的温度和压力同时区分测量的光纤光栅温度压力传感器，由于受温 度和压力的交叉敏感相互影响，使得这种光纤光栅温度压力传感器的灵敏度低，检 测误差大，检测范围小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述光纤光栅传感器的缺点，提供一种结 构简单、体积小、成本低、检测范围大、灵敏度高、耐腐蚀、安全可靠、高温高压 同时区分测量的外压式温度补偿高温高压光纤光栅传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在径向加工有进油孔的外保护管的左 端设置有左外保护管接头、右端设置有右外保护管接头，外保护管内设置有石英管， 一根光导纤维上制作有温度传感光纤光栅和压力传感光纤光栅，左外保护管接头上 设置有与外保护管内相联通的左毛细金属管，右外保护管接头上设置有与外保护管 内相联通的右毛细金属管，石英管上设置有石英堵头，石英管左端设置有与石英管 内相联通、与左毛细金属管联接的左热缩管，石英堵头上设置有与石英管内相联通、 与右毛细金属管联接的右热缩管，左热缩管和右热缩管的外部设置有弹簧，光导纤 维从左毛细金属管穿入经左热缩管进入到石英管内，光导纤维的另一端经右热缩管 从右毛细金属穿出右外保护管接头外。

本发明的石英管为：在加工有通孔的管底的轴向一端设置有联接管、另一端设 置有压力管，管底与压力管内相联通，温度传感光纤光栅设置在管底的通孔内，压 力传感光纤光栅设置在压力管的内表面上。

本发明的压力管的壁厚d为1.0～1.5mm，压力管的有效长度a即压力管的长度 减去石英堵头插入部分的长度为50～70mm。

本发明的光导纤维为石英光导纤维。

本发明的温度传感光纤光栅的制作波长为1532～1552nm，压力传感光纤光栅的 制作波长为1530～1550nm，压力传感光纤光栅制作波长至少小于温度传感光纤光栅 制作波长2nm。

本发明采用了在石英管外设置外保护管，保护了石英管，使得将石英管下到油 气井下时不容易将石英管损坏，延长了光纤光栅传感器的使用寿命。本发明采用石 英管两端与毛细钢管用热缩管进行软连接，保证光纤光栅传感器处于自由形变的边 值条件，热缩管外部套装有弹簧，一方面，缓减流体对石英管封装的光纤光栅传感 器的巨大冲击引起的振动，防止传感器的损坏。另一方面，软性支撑传感器使其无 接触保持在保护壳内的空间。光纤光栅的制作采用在一根石英光导纤维上写有温度 传感光纤光栅和压力传感光纤光栅，温度传感光纤光栅设置在石英管的管底轴向孔 内，压力传感光纤光栅设置在石英管的压力管内表面上。选用石英管作为弹性基底 传递应变，克服了现有的光纤光栅温度压力传感器的弹性迟滞效应，提高了输入与 输出特性的线性度。当井下温度压力同时变化时，温度传感光纤光栅只对温度的变 化产生响应，而压力传感光纤光栅既会对温度变化产生响应，也会对压力变化产生 响应，用温度传感光纤光栅测得温度值消除压力传感光纤光栅测压力时对温度的同 时感测值，从而得到压力监测值。采用温度补偿光纤光栅，实现了压力与温度同时 区分测量，改善了重复性和稳定性，提高了测量精度和测量范围。