油气井光纤Bragg光栅传感器技术基础研究

来源 :中国石油大学 中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:bostangul
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为了对油气井实行永久性监测,对FBG(fibreBragggrating)的传感理论进行了深入研究,涉及Bragg波长解调方法、温度压力传感器设计方法、温度压力传感实验及其应用技术等方面的问题,取得了初步成果。 在绪论中,介绍了永久性传感器的研究进展,利用光的干涉理论推导出FBG的Bragg条件方程,解释了光在FBG中的传输特性;对基于光纤Bragg光栅原理的温度压力传感器关键技术的研究进展进行了分析,其中包括FBG的温度压力传感模型、提高FBG压力灵敏度的方法以及Bragg波长检测方法,对需要开展的科学问题进行了提炼。 在基于可调谐F-P腔滤波器原理的波长解调方法研究中,分别利用对温度不敏感的FBG和具有稳定波长输出的标准参考进行波长校准的方法,减小了滤波器非线性输出及其压电陶瓷磁滞性带来的测量误差;在FBG反射光谱分析技术的研究中,利用质心法、高斯拟合法和微分法对Bragg峰值进行检测,改善了滤波器扫描电压分辨率低带来的测量误差;利用Labview虚拟仪器技术实现了具有数据的采集、处理和显示功能的波长解调系统,实验结果显示解调系统的波长测量精度可达到±3pm,重复性小于1pm。 在压力传感器设计方法研究中,针对油气井的特点,选取基于薄壁圆筒原理的压力测量模型,利用经典弹性力学分析了薄壁圆筒不同压力状态下的应力分布;当圆筒最大应力处于安全区域时,选取不同的内外径比值和其它几何尺寸时,可以提高FBG的轴向应变量,进而改变FBG的压力灵敏度。数值模拟结果表明:内压式和外压式两种模型的压力灵敏度均可比裸光栅提高一个数量级。为了对传感器动静态特性及可靠性进行测试,研究并提出了一种对FBG进行高温高压测试的方法。 温度压力传感器的高压测试结果表明,所设计的传感器可以进行30-50MPa的高压测试,具有较好的线性和重复性,压力灵敏度27.1pm/MPa,比裸光栅提高了近9倍。 最后对该系统应用于油气井中的一些安装方法、网络化数据传输模型进行了讨论,对其发展前景进行了展望。 论文的研究成果探索出一套用于井下传感器的设计、测试以及测量的方法,在实验室通过模拟井下条件,实现了温度压力的测量,通过进一步的研究并提高系统性能后,可望应用于油气井实时监测中。
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