5 2卷

增刊 2

中

国

造

船

Vo1 2 S e i l . p c a 5 2 Sp2 1 e . 01

21 0 9月 1年

S P UI DI FC NA HIB L NG O HI

文章编号：10—8 22 1 )20 6 -5 0 04 8(0 S -4 50 1

石油工业光纤光栅传感技术的研究与应用徐明政，孙延辉( .中海油能源发展油田建设S程公司，天津 3 0 5;2 I - 0 4 2 .辽河石油勘探局油建二公司，辽宁盘锦 14 1 2 0 2)

摘

要

简要阐述了光纤光栅传感技术的基本原理及其区别于常规电子传感器件的显著特点结合石油工业对

传感器件的自身安全性、耐腐蚀性、长期稳定性等方面的严格要求和光纤光栅传感技术的突出优势，讨论其在油气生产中的温度和压力测量、测井技术、地震波检测、长距离石油管道监测等方面的应用。

关键词：光纤光栅；传感技术；石化应用

0引言 随着光纤作为信息传输手段在通信领域取得的巨大成功，光纤作为敏感介质的光纤传感技术的将研究在迅速开展。自从二十世纪 7 0年代中期产生以来，经过 2 0多年的研究开发，光纤传感技术的商

业开发条件也日益成熟，目前已从实验室研究走向实用化。一些新型仪器已经投入实际应用，并形成了产业，其社会经济效益与日俱增。在光纤传感技术发展的过程中，产生出来一种更新颖、更具有光

纤本征特性的新型传感器一光纤光栅传感器。这种传感器除具有一般光纤传感器的优点之外，还具有本身自相干能力强和在一根光纤上实现多点复用、多参数同时测量的独特优势，实现对温度、可压力、 流速、流量等诸多物理量的检测，在国内外引起了极大的关注¨。 石油工业属于高损耗、强腐蚀、易燃易爆的领域，测量环境恶劣，因而对应用于这一领域的传感

器提出了更高的要求。各种电类传感器在用于诸如油气罐、油气井、油气管等地方的测量中存在不安全的因素。光纤光栅传感器因其本质安全性非常适合在石油领域里应用。光纤光栅传感器除具有诸如

抗电磁干扰、低损耗、易弯曲、体积小、重量轻、成本低、耐腐蚀、防水、防火等固有的优点外，对温度和应力等重要测量参量具有极高的测量精度 (温度 05 ." C,应力 1一 a、线性

度 (0 0 MP ) 9%以上 ) 以及宽广的测量范围 (度 0 0"温￣3 0C,应力约 1 a 0MP ),因而在石油工业具有巨大的发展潜力和应用市场。

1光纤光栅传感技术 简要地介绍光纤光栅传感基本原理 ( F G为例 )。用激光干涉条纹侧面辐照掺杂光纤技术在以 B光纤内部制作光栅。当光栅周围的温度、应力或其它待测量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生 B a g反射峰值波长位移。通过检测 B a g反射峰值波长位移，即可获得待测量 rg rg

的变化情况。为实时区分测量温度和应力等诸多参量，可在光纤同一位置处写入两个不同栅距的光纤Bag光栅，利用不同栅距光纤 B ag光栅对各参量不同响应系数，可以分别求出产生这种位移的各 rg rg

参量变化，从而实现用光纤光栅对多参量的同点实时区分测量。光纤 Bag光栅是纤芯折射率沿轴向呈周期性变化，使前向传输的导模能量耦合到反向导模中， rg

46 6

中

国

造

船

学术论文

形成反射波长周期变化的尖锐的反射峰的光波导器件。其结构如图 1所示。

A^ B1

A^ B2

图 1光纤光栅温度与应变传感系统温度系统

光纤 B a g光栅的响应峰值波长为 rg九=2 eA 8 n y () 1

式中，,为光纤纤芯的有效折射率， A为光栅周期 ( ) 2 栅距。改变纤芯折射率和光栅周期时，B a g反射波长变化量为 rg△口=2 n+2△ 1九 AA / () 2

当温度和应变同时变化时，B ag波长的相应改变为 rg

△8 2 11(}一(+ )△+ △ )九=/{ ) v 2) (+ ) {一[ ] 式中，△为应变变化，△为温度变化，, 为光纤材料的弹光张量分量，

( 3 )

为光纤材料的热膨胀系

数，为光纤材料的热光系数， I为光纤材料泊松比系数。 v ' 对硅材料制成的单模光纤光栅进行温度和应力测量。在 2~ 10C的温度测量范围和 0 0 g 0 8￣￣4 0f的拉力测量范围内，实验得到：裸光纤光栅的温度响应系数为 009n/拟合曲线线性度为 9 .%; .0 7m * C, 99 4压力响应系数为 0 08m/,拟合曲线线性度为 9 .1温度和压

力实验数据及其拟合曲线分别如图 . 0n g 0 98%。2和图 3所示。实验结果表明：裸光纤光栅具有极高的温度和应力线性响应度，但响应系数较低。根据实际测量要求，利用增敏技术适当提高光纤光栅的对待测量的响应系数，是光纤光栅传感技术走向实际应用的关键 引。

℃

lg

图 2光纤光栅温度响应曲线

图 3光纤光栅应力响应曲线

5 2卷

增刊 2

徐明政，等：石油工业光纤光栅传感技术的研究与应用

47 6

2石油工业中的应用传感器在石油工业中有着极其很广的应用，针对诸如温度、压力、流量、振动等物理量进行的传

感测量对于油气田的勘探、开发，油气储运有着重要的意义。但由于石油工业生产环境的特殊性，因此对应用其中的传感器相对其它领域传感器又提出了更高的要求。例如井下存在温度高、压力大等环境因素，下仪中的传感器就需要克服高温、高压的影响，而且仪器耐腐蚀性要求高，结构要求小巧。井依据上述光纤光栅传感器的特点，可以预测光纤光栅很适合应用于石油领域中。根据国内外相关报道和实际应用现状，就以下几个方面进行评述。 21温度和压力测量 .

油井井温在石油勘探、开采和生产中是一个及其重要的参数，它对确定油层位置、厚度、含水地层的深度等具有决定性的意义，在生产中对油层注水深度也起决定性作用。井下的温度变化反应了油井工作状态，分析温度数据可以确定井下漏失层位，粗略分析流量，对完井的机械完整性进行评价。通常用于油井井温测量的温度传感器有热电偶、铂或铜热电阻、热敏电阻等。热电偶在 3~ 10 0 5℃给出的热电势极低，这对后继放大器的抑制温漂提出了有极高的要求。同时铂电阻动态响应时间长，灵

敏度低，成本高。采用热敏电阻虽可获得很好的响应时间和灵敏度，但其线性度非常差，必须加以线性补偿。 分布式光纤光栅测温系统为井温测量提供了一种全新的手段。系统使用柔软、芯径细小、本身绝缘与光纤光栅天然相容的光纤作为感知并传送信号的媒体，因此不受任何电磁干扰，且安全、并可靠， 可以在恶劣的环境下对形状复杂的温度场进行实时快速的检测和定位。一根

光纤的不同位置写入光在栅，将其贯穿于内径很小的无缝钢管中，其中充满高温润滑油，使得光纤在毛细钢管中始终处于自由

状态，以消除微小的径向受力对温度测量的干扰。光纤光栅温度传感器可实现最小 0℃测量精度和 . 5 9%以上线性度以及 0 0℃充足测量范围，这些突出特点是传统井温测量方法无法比拟的，必将逐 0￣3 0步替代传统单点式井温测量方法。 压力是石油传感仪器的另一重要测量参量。油、气田的油层往往由许多小油气层组成，这些小油气层不但厚度不同，它们的孔隙度、渗透率以及油气层结构和其它物理性质都有一定差别。因此充分发挥每个小层的生产能力，就需要测定每个小层的压力差，才能确定其注水量和采油量。光纤光栅传

感器在具有大范围精确测温突出特点的同时还可以实现对应力、应变、压力等参量的同时区分测量以及多点分布式测量。为实现实时井场数据采集、释和现场决策以及提高采收率的提供了关键技术。这解22测井技术 .目前我国测井仪器发展正处于加快普及数控测井、动成像测井研制时期，启在原有核磁共振测井、 成像测井、电测井、声测井技术的基础上研制新技术、新仪器迫在眉睫。光纤测井技术及仪器以其突

出特点成为国内外研究的热点。首先表现在适合测井环境的各种光纤传感器的研究；第二是光路处理

技术的发展，可以取代传感电路；第三是光通讯技术的应用，完全可以取代频带内很窄的电缆遥测系统。

永久连续的井下传感有利于油田的管理、优化和发展，目前只有少数的油井使用了永久连续井下油田监控系统，而且主要是电类传感器，高温操作和长期稳定性的要求限制了电类传感器的使用。光

纤光栅传感器因其抗电磁干扰、耐高温、长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感，可将写有光栅的光纤通过特殊工艺置于钻头及油管管壁内，在钻采同时实现温度、应力等参量的不提钻实时测量。 这为实现随钻测井技术 ( L ),完成大角度井、水平井钻井设计、实时井场数据采集、解释和 M/WD现场决策以及指导并完成地质导向钻井提供了关键技术。

48 6

中

国

造

船

学术论文

23长距离石油管道监测 _ 输送石

油或化学品的管道发生泄露后，如不及时发现和修复，常会酿成大祸。然而，当这些管道

长达数干公里时，要及时发现和确定出事地点绝非易事。现在，一些石油或化学公司常用的办法是驾驶直升机或车辆直接观察，也有些公司开始使用传感器进行监测，但这些办法都会留下一些死角，研制具有化学敏感性的光纤光栅传感器则可较好地解决这一问题。一般通信用光纤的内部，是由一个玻璃芯和覆在上面的一层透明化合物包层构成的。玻璃芯与包层的折射率不同，匹配适当时，光纤即可在其中传输而不会外泄。英国曼彻斯特大学科学与技术研究院的费兰克 瓦斯尼科开发出一种新型克光纤，可用来监测石油或化学品输送管道的泄露，只要将这些光纤沿管道安置好，一旦发生泄露，马

上可以定位并发出警报。克瓦斯尼科研制的这种光纤，使用了一种含有特定化学成分的可渗透硅质包层，当泄露出来的被监测物质与包层中化学成分相遇时，即可发生化学反应，使包层的折射率改变，这样，光线就会从中逸出。此时，监测人员只要沿光纤有规律地发射短的光脉冲，当光脉冲遇到包层折射率发生变化的地方时，一部分光线就会反射回来，通过测量发射和反射脉冲间的时间差，即可确

定出事地点。这一技术还可用于化工厂和运送石油或化学品的船只。上述光纤化学传感技术是基于包层折射率改变导致前向传输光外逸和部分光反射回发射端，通过监测发射和反射脉冲间的时间差确定出事地点。这一技术仍存在不足：首先，只有当传输化学品己泄漏并腐蚀光纤包层时才可检测到，无

法做出事先预测：其次，以光纤部分被腐蚀为代价，无法实现长期监测；再次，发射端需要连续不断地有规律地发射短的光脉冲，其时问问隔的规律性直接影响到出事点的定位；最后，无法实现温度、 应力等其他重要参量的测量。纤光栅传感器基于光波分复用技术可监测传输管道不同位置光栅反射光

回的中心波长，而不是反射光强。各测量点的定位可通过预先定位的不同中心波长光栅确定，精确度高，不受光源脉冲信号微小扰动影响；通过实时监测温度、应力等参量的微小变化，结合这些参量与管道性能关系，预

测腐蚀、泄漏等事故的发生，提高光栅传感器的使用寿命。 2 .地震波检测L 4 4 地震勘探是一种有效的地球物理勘探方法，其中检波器是地震勘探仪器的关键部件。它将机械振动转变为可进行测量和处理的信号，实质上是一个振动位移传感器，其性能和质量直接影响着地震记录的质量，从而决定了整个地震勘探的精度。目前陆上地震勘探普遍使用的是基于机电转换原理的检波器，即利用线圈与磁体产生相对运动，将机械振动转换为电信号来实现。这种检波器受其机械结构

限制，其灵敏度很难有大的提高，不能满足人们对地震勘探更进一步的要求。光纤光栅对振动的测量灵敏度很高，微小位移测量最小可达纳米(m),并且响应速度快，动态范围大，非常适合用于地震 n级波检测。在地震勘探过程中，多个检波器同时进行地震波的采集，即进行分布式测量，而光纤光栅特

有的优点就是易于实现网络分布式测量。利用已经成熟应用于光纤通信中的光波分复用技术可以实现对光纤光栅检波器进行采集信号的总线传输及处理。这样采用光纤光栅传感的方法进行检波，信号可用光缆传输，因而能实现信号低损耗、远距离的传输。增大探测深度和提高勘探精度及分辨率的途径之一是要增加道数，道数增多，电缆芯线相应增多，长度相应加长，使得大线加粗加重，使用不方便，

而且道间一致性难以保证。长距离传输易受工频电网、大气静电感应等电磁干扰影响，而且道间串音影响增加。传输大线换成光缆优点很多，如大线质量将大大减小，信号传输几乎不受外界干扰。现存问题是要解决光缆的机械牢固性以及光纤光栅的封装问题。

3结语 现代工业的飞速发展对传感领域提出了新的要求和更高的目标，究新型的传感器，拓宽其应用研领域势在必行。由于光纤光栅传感器具有其它传感器无法比拟的优点，抗电磁干扰能力强、寸小、其尺

5 2卷

增刊 2

徐明政，:等石油工业光纤光栅传感技术的研究与应用

49 6

重量轻、耐温性好、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀、易变形等，因而成为国内外研究的热点和学科前沿问题，成为一门方兴未艾的研究领域。在进一步解决多量交叉灵敏问题，提高响应灵敏度

,降低信号的解调成本和提高精度的同时，结合石油工业特点从制作结构和工艺入手，制造出性能稳定、

性价比高的石油传感仪器。许多具有潜力和市场前景的可实用化技术研究都在进行当中，这些技术的成熟将会给国民经济建设带来巨大的推动，因而正受到国家政府的广泛关注。 参考文献【】姜德生， l何伟.光纤光栅传感器的应用概况【 . J光电子 】激光， 0 21() 2 .3 . 2 0,34: 1 0 4 4 [】张记龙，曾光宇. 2光纤光栅(B ) F G传感技术及其应用[ _ J测试技术学报，0 1 54:1.1 .】 2 0, () 52 8 1 2 [】郭团，学光， 3乔贾振安，光纤光栅温度应变智能传感原理及增敏技术研究[ .等. J物理，0 3 2( ): 161 1】 2 0,3 3 7 .8[】阮驰， 4崔崧，高应俊.光纤 Ba g光栅与石油仪器[】 rg J.石油仪器， 0,56: 4 2 11() .. 0 1

Te h o o y o be a i g e sn n t pl a i n n c n l g fFi r Gr tn sS n i g a d I sAp i to si c Pe r c e i a nd s r t o h m c lI u t yXU i g he g, S M n z n UN n u Ya h i

(. ledC nt c o n ier gC .C 1Oi l o s u t nE gn ei o, NOO n ryT cn lg S rie, i j 0 4 2 C ia i f r i n C E eg eh oo y& evcs Ta i 3 0 5, hn; nn2 T eNo 2 Oi ed Co s u t n& En i e r g Co a y o L a e r lu P o p ci g Bu e u . h . l l n t c i i f r o g n e i mp n f i o HeP t e m r s e t r a, n o n

P i,La nn 3 1, hn ) n i ig1 0 2 C ia o 2

A bs r c ta t

Re p n i e s o s me h n s o b r r t g e sn tc n q e i n l z d C n i e i g t e s e il v c a im f f e g a i s s n i g e h iu s a a y e . o sd r h p c a i n n

rq i me t f p t lu eur e ns o er e m id sr a d te o ttn ig c aa

trsis o b r g aig e sn,i o n ut y n h u sa dn h rcei c f f e t i r t s s n ig t n sa p i ai n n p to e m n u ty a e d s u s d u h a t i n e e au e me s r me t o g n p l t s i er l u i d sr r ic s e,s c s s an a d tmp r t r a u e n,l g i g c o r t c o o y s i— e e t g a d l n itn e o l i e i ed t ci g e h l g, e s d tc i n g d sa c i p p l ee t . n m n o - n n

Ke r s f e r t g s n i g s n i g t c o o y p t c e c l p l a i n y wo d: i r ai e sn; e sn h l g; e r h mi a p i t b g n en o a c o

作者简介徐明政孙延辉

男，17 9 5年生，硕士研究生。主要从事海洋工程钢结构焊接。男， 17 96年生，本科。主要从事石油工程钢结构焊接。