专利名称：一种流体介质界面的光纤传感检测装置及方法
技术领域：
本发明属于仪器仪表和光纤传感技术领域，涉及一种基于光纤多点测温的流体介质界面的光纤传感检测装置及方法，特别涉及地下盐穴造腔中油水界面的检测以及其它地下油气井的油水和气液界面的检测。
背景技术：
石油及天然气的地下储备是保障当前及未来国家能源安全的重要方式之一。地下盐穴储库是近年发展起来的一项新的能源储藏技术。地下盐腔通常是通过人工控制而形成的一种具有特定形状的储物空间，在盐穴造腔过程中需要通过调节柴油和卤水界面高度来控制溶腔顶板形状，因而油水界面的监测是盐穴造腔工程中不可缺少的环节。由于盐岩层一般位于地下一千多米深，油水界面的变化范围达数十米，盐腔内油水界面的测量难以利用地面上常规的油水界面检测方法和仪器来实现。例如基于浮筒法、差压法、超声波、射频或微波法的仪器。由于盐腔内的卤水对一般光学材料和金属材料都具有很强的腐蚀性，采用测量折射率或光谱的光学方法以及测量电容或电导率的电学方法，因其探测器直接接触被测介质易被腐蚀或者盐水结晶污染，也不能满足长期可靠运行的要求。目前国内外盐穴造腔工程中油水界面监测普遍采用的方法是基于电导率测量的电子学测量方法，如美国SOCON Sonar油井服务公司的油水界面监测仪，中国实用新型专利用于井下油水界面或气液界面的检测仪；中国实用新型一种油水界面检测传感器”，中国实用新型专利，专利号2009201078116，2006201182120，均采用基于介质电导率分辨的油水界面检测方法。根据不同流体介质的物理性质差异进行介质界面检测是多数油水界面检测仪器的基本依据，例如基于介质的密度、介电常数、电导率、折射率差异测量的浮筒法、差压法、射频或电容法以及电导率法，这些方法在特定环境下都能够实现油水界面的有效探测，也是目前工业上普遍采用的油水界面的检测方法。而利用流体介质的热力学性质差异来进行不同介质的辨识从机理上同样具有可行性。介质的热导率、热容量和粘滞系数的差异可以通过测量浸没在介质中的加热导体的温升特性来识别。光纤温度传感器具有常规电子学温度传感器所不具备的优点，例如可以利用单根光纤进行一维空间上连续温度分布测量，测量距离可长达数千米，也可以在单根光纤上串联数十支点式传感器进行准分布测量，此外还具有抗电磁干扰，测量精度高，寿命长的特点，近年来在油田测井，高压输变线缆和设备的温度监测等领域有广泛的应用。利用光纤温度传感器测量浸没在流体介质中的加热导体的温度变化，是一种全新的油水或气液界面探测方法，基于该原理制成的油水界面监测装置具有耐腐蚀、抗污染、可靠性高、测量范围大和信号传输距离远的特点，特别适用于地下盐穴造腔过程中的油水界面监测以及其它地下油井的油水和气液界面连续监测
发明内容
本发明的目的是提供一种油水和气液界面检测的装置及方法，为地下盐穴造腔过程中的油水界面检测以及其它地下油气井的油水界面连续检测提供一种性能可靠的技术手段。 本发明所采用的技术方案是利用油-水或气-液介质的热导率、比热容和粘滞系数的明显差异，通过测量浸没在介质中的加热导体的温度变化来辨识流体介质的分界面。流体介质界面光纤检测装置由介质界面传感器、地面测量仪器和铠装光电复合缆组成。介质界面传感器与地面测量仪器通过铠装光电复合缆相连接。介质界面传感器由一系列传感基本单元串联而成，传感基本单元则由封装于一体的电加热器件和光纤测温器件构成，串联的传感器基本单元的总数和分布间距根据工程设计要求确定；传感基本单元中电加热器件的供电和光纤测温器件信号的传输采用专门设计的光电复合缆完成，光电复合缆内包括I到2根金属导线和I根测温光纤，外部采用厚壁不锈钢管密封保护；地面测量仪器由光纤传感解调仪、恒流电源和计算机构成，计算机通过不同的数据传输线对恒流电源进行控制以及与光纤传感解调仪进行数据通信。使用流体介质界面光纤传感检测装置进行界面检测的方法为在计算机控制下，恒流电源以方波形式为电加热器件提供加热电流，同时光纤传感解调仪连续读取井下各传感单元的温度值，完成一个方波周期的测量后，进行数据处理，根据在不同介质中温度-时间曲线的特征参数差异来辨识电加热体周围的介质种类。该介质界面检测装置可以同时给出界面位置和井下温度分布信息，还可以根据设定的液位位置给出警示或控制信号。所述光纤测温器件是基于光纤布拉格光栅的点式温度传感器或基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器。所述传感基本单元的外径在I 20mm，长度在I 200mm。所述铠装光电复合缆是将松套管保护的光纤、带绝缘外套的金属导线绞合成缆，然后穿套入壁厚在O. 5 IOmm,外径5 IOOmm的不锈钢护管中。所述传感基本单元之间的接续采用电弧环焊或者双卡套密封方式连接。所述光纤传感解调仪为波长分辨率在I IOpm之间的基于宽带光源或者扫描激光的波长查询仪，用于光纤测温器件的解调。所述的恒流电源为输出可调制的电流源，其输出电流大小和波形可以由计算机控制。本发明的效果和益处是利用不同流体介质在热力学性质上的差异，通过测量热源加热过程的温度变化来实现介质界面的识别，相对现有流体介质界面检测方法具有高可靠性，耐腐蚀和污染，免维护以及寿命长的优点。另外，本发明的地面测试仪器可以方便实现多井复用，降低系统成本。本发明为地下盐穴造腔工程以及其它油田勘探、采油生产和地下油气储库的油水或气液界面检测提供了一种新的技术手段，具有广阔的应用前景。
附图I是流体介质界面光纤传感检测装置的结构示意图。附图2是传感器基本单元的结构示意图。图中1计算机；2光纤传感解调仪；3可调制恒流电源；4测温光纤；5加热电流传输导线；6不锈钢管硬铠光电复合缆；7介质界面传感器；8传感基本单元；9不锈钢外套管；10电加热器件；11光纤布拉格光栅温度传感器。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。在计算机I控制下，可调制恒流电源3以方波输出形式通过不锈钢管硬铠光电复合缆6中的加热电流传输导线5为传感基本单元8中电加热器件10提供加热电流，同时光纤传感解调仪2向测温光纤4中连续发射波长扫描的光信号，并接收传感基本单元8中的光纤布拉格光栅温度传感器11反射的光谱信号，通过计算机I中解调程序计算出各个光纤布拉格光栅温度传感器11的温度值。由于每个光纤布拉格光栅温度传感器11都有各自的波长通道，通过采用波分复用技术，可在单根光纤上可同时串联多达40个光纤布拉格光栅温度传感器11而不会发生相互串扰。完成一个加热方波周期的温度测量后，由计算机I进行数据处理。由于油、水、气体介质的热导率、比热容和粘滞系数存在显著差异，使得传感器的热扩散效果明显不同并通过温度响应曲线清晰的显示出来。依据预先设定的判别参数值，计算机I即能够可靠的判断出介质界面的位置。此外该界面测量系统还可以同时给出各个传感器单元处的温度信息，可以根据预先设定的液位给出警示或控制信号。本例中光纤传感解调仪2采用1500nm-1600nm波段基于扫描激光或ASE光源的波长查询仪，波长分辨率为IOpm ;井下传感基本单元数量为10，恒流源的输出电流为500mA，电压100V，输出电流通过RS232端口调节；不锈钢管硬铠光电复合缆6采用单芯松套光纤 和两芯铜导线绞合后再穿入壁厚O. 8mm、外径6. 35mm的316L不锈钢管的结构和制作工艺；液面传感单元的基座采用316L不锈钢棒经精密机加工制成。光纤布拉格光栅温度传感器11与电加热器件10平行镶嵌在基座的孔中；传感基本单元之间的距离为lm，将光纤和导线可靠连接后，用外径8_和6. 35mm不锈钢管穿套并采用卡套连接方式接续和密封。
权利要求
1.一种流体介质界面的光纤传感检测装置，它包括介质界面传感器、地面测量仪器和铠装光电复合缆，介质界面传感器与地面测量仪器通过铠装光电复合缆相连接，其特征是介质界面传感器由传感基本单元串联而成，传感基本单元由封装于一体的电加热器件和光纤测温器件组成；铠装光电复合缆内包括I 2根金属导线和I根光纤；地面测量仪器由光纤传感解调仪、恒流电源和计算机构成，计算机通过数据传输线对恒流电源进行控制以及与光纤传感解调仪进行数据通信。
2.一种流体介质界面的光纤传感检测方法，其特征是它包括以下步骤第一步骤为在计算机控制下，恒流电源以方波形式为电加热器件提供加热电流，同时光纤传感解调仪连续读取光纤测温器件的温度值；第二步骤为在完成一个方波周期的测量后，进行数据处理，根据油-水或气-液介质中温度-时间曲线的特征参数差异来辨识电加热体周围的介质种类并识别出界面位置。
3.根据权利要求I所述的一种流体介质界面的光纤传感检测装置，其特征是光纤测温器件是基于光纤布拉格光栅的点式温度传感器或基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器。
4.根据权利要求I所述的一种流体介质界面的光纤传感检测装置，其特征是所述传感基本单元的外径在I 20mm，长度在I 200mm。
5.根据权利要求I所述的一种流体介质界面的光纤传感检测装置，其特征是所述铠装光电复合缆是将松套管保护的光纤、带绝缘外套的金属导线绞合成缆，然后穿套入壁厚在0.5 IOmm,外径5 10Omm的不镑钢护管中。
6.根据权利要求I所述的一种流体介质界面的光纤传感检测装置，其特征是所述传感基本单元之间的接续采用电弧环焊或者双卡套密封方式连接。
全文摘要
一种流体介质界面的光纤传感检测装置及方法，属于光纤传感技术领域。包括介质界面传感器、地面测量仪器和铠装光电复合缆，其特征是介质界面传感器由封装于一体的电加热器件和光纤测温器件组成组成的传感基本单元串联而成；光电复合缆内包括1～2根金属导线和1根光纤；地面测量仪器由光纤传感解调仪、恒流电源和计算机构成，恒流电源以方波形式为电加热器件提供加热电流，同时光纤传感解调仪连续读取光纤测温器件的温度值，根据在不同介质中温度-时间曲线的特征参数差异来辨识电加热体周围的介质种类及界面位置。本发明的效果和益处是具有高可靠性，耐腐蚀和污染，免维护以及寿命长的优点，特别适用于地下盐穴造腔中油水界面的检测。
文档编号G01N25/20GK102650606SQ20121013452
公开日2012年8月29日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者于清旭, 周新磊, 彭伟 申请人:大连理工大学