油气井下光纤温度压力传感器的研究

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光纤传感作为传感领域重要的技术之一,其凭借体积小,重量轻,应用环境广泛,易于分布式组网等优点逐渐成为众多研究者的研究对象。温度和压力作为重要的传感参数,其在一些恶劣环境下的监测变得尤为重要,如在油气井下的开采过程中,温度可以达到300℃,压力可以达到100 MPa以上,在这种环境下,传统的电子传感器很难长时间稳定的进行测试。本文基于光纤光栅,结合碳纤维材料的材料特性,搭建了可以应用于油气井下高温高压复杂环境的温度压力传感系统,其具体研究内容如下:首先回顾了光纤光栅温度压力传感技术的研究现状,包括光纤传感器在温度、压力测量方面的一些传统结构和研究进展,简要分析了各种方法的优缺点,指出光纤传感技术在油气井等恶劣环境下的应用前景。之后对光纤光栅温度、压力和应变的传感原理进行理论分析,并概述了交叉敏感问题的解决方法。同时说明了几种光纤光栅的加工方法,并对其封装结构进行了理论分析。接着搭建了温度压力传感测试系统,该系统理论上可以在0~300℃、0~200MPa的范围内进行实验研究,并利用碳纤维的材料特性,对飞秒激光制作的光纤光栅进行封装性研究。将碳纤维片采用层层组装的方式结合耐高温环氧树脂胶形成碳纤维块,将光纤光栅封装在碳纤维块里形成压力传感器,对其进行温度压力测试,发现其温度灵敏度在20~30 pm/℃之间,常温下压力灵敏度约为-20 pm/MPa,并且随着温度升高压力灵敏度逐渐降低。最后重新设计并提出了一种基于碳纤维管增敏型的压力传感器。该压力传感器是以三维四向的编织方法将碳纤维丝编织成管状结构,通过耐高温环氧树脂固化形成复合碳纤维管。将碳纤维管的两侧封装形成中空结构作为弹性体形成传感器的骨架,表面嵌入耐高温光纤布拉格光栅作为压力感知元件,通过外加温度补偿光栅,实现了油气井下温度和压力的同时测量。实验结果表明,该压力传感器可以在0~150℃和0~80 MPa环境下工作,不同温度下压力灵敏度不同,其压力灵敏度最大可达到-50.02 pm/MPa,同时表现出良好的线性拟合度。该压力传感器能够较好的解决温度压力测试过程中的交叉敏感问题,满足了井下开采的精度要求,为油气井下高温高压光纤传感器的设计提供了实验依据。
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