一种油气井用高灵敏管式光纤光栅温度传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及到一种油气井用高灵敏管式光纤光栅温度传感器。

背景技术

温度是七个基本物理量之一，在油气田开发中温度测井是重要的参数之一，常用于生产井产层动态评价、套管的窜槽、漏失情况判断、砂压裂的压后评估等。

目前，在油气井温度测量中最为常用的仍是电学类温度传感器，典型的如热电偶、铂电阻、半导体温度传感器等，这类传感器易受电磁干扰、灵敏度低且不能长期耐受高温。而光纤光栅温度传感器由于具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、灵敏度高、复用能力强、体积小、重量轻、易于嵌入材料内部等诸多优点，因此在油气井测量中具有明显的优势。光纤光栅本质具有温度敏感特性，但在不经过任何封装增敏的情况下，其温度灵敏度只有10pm/℃左右，不能满足高精度温度测量的要求。为此，人们不断研究提高光纤光栅测温灵敏度的方法，已报道的有单金属基底封装、聚合物封装和双金属基底封装等多种增敏方法。

申请号为2021112016636的中国专利公开了一种“双F形光纤光栅温度传感器”。它由两个具有不同热膨胀系数材质的F形结构件和光纤光栅组成，两个F形结构件中部固定在一起呈中心对称布置，两根光纤光栅分别固定于两个F形结构件的首尾两端。当温度发生变化时，两个F形结构件由于热膨胀系数不同将产生相对位移的变化，并带动固定于其之间的光纤光栅产生应变的变化，提高了温度传感器的灵敏度。这种结构虽然提高了光纤光栅温度传感的灵敏度，但是由于F形结构的固有特点，导致其体积较大，光纤光栅在固定于两F形结构件的首尾两端时比较困难，且中间还需要进行弯曲固定。此外，这种传感器中光纤是位于结构的外侧，在实际使用时易被触碰，从而导致光纤断裂，引起传感器失效。

申请号为CN202010954557.4的中国专利公开了一种“基于双金属悬臂梁的FBG温度传感器及其应用”。它通过搭建热双金属悬臂梁且使得光纤布拉格光栅在热双金属悬臂梁的固定端与自由端之间的方向上进行延伸，利用热双金属片受热形变的特性，为光纤布拉格光栅引入额外的形变量，从而提高光纤布拉格光栅的传感灵敏度。这种传感器由于光纤光栅的额外形变取决于双金属悬臂梁的热形变，因此灵敏度提升有限。专利中仅介绍了“光纤布拉格光栅敷设于热双金属片处”或“光纤布拉格光栅与热双金属片焊接连接”，而未对悬臂梁的类型及光栅粘贴的位置进行说明，存在引起光纤光栅啁啾而影响传感器正常使用的可能。

申请号为CN200810105788.7的中国专利公开了一种“工作于高、低温的高灵敏度光纤光栅温度传感器的制作方法”。它采用特殊的双金属结构，可通过调节光纤光栅的预松长度，调节传感器的开始工作的温度，故灵敏度很高。但该方法受限于普通光纤光栅的抗拉强度，故制作的传感器的量程较小，且该传感器在设置工作温度范围时的位移调整以1/100mm为单位，对封装操作的要求很高。

申请号为CN202111201664.0的中国专利公开了一种“冷热伸长型光纤光栅温度传感器”。这种传感器在两个安装件之间的间隙分别固定有两个光纤光栅，利用安装体之间的热膨胀系数差异实现了温度升高与降低时，总有一个光纤光栅处于拉伸状态，避免了啁啾及初始的大预应力，且灵敏度较高。但是该传感器中光纤光栅分别固定在第一安装件平台和第二安装件凸台的外表面，光纤光栅极易在安装及使用过程中被损坏。同时，第一安装件平台要大于第二安装件，所以传感器整体体积较大，不易在油气井下狭小空间使用。

整体而言，目前已有的光纤光栅温度传感器存在体积较大、灵敏度或量程不够、对光纤缺乏足够保护等问题，不能满足油气井下大量程高灵敏温度监测的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有光纤光栅温度传感器的缺点，提供一种结构简单、体积小、对光纤具有保护作用、可灵活调整测量量程与灵敏度的油气井用管式光纤光栅温度传感器。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种油气井用高灵敏管式光纤光栅温度传感器，感温管一内套装有感温管二，感温管一端侧壁上加工有矩形缺口一，在感温管一内感温管二的一端位于矩形缺口一中部，感温管二另一端侧壁上加工有矩形缺口二，矩形缺口二与矩形缺口一位于同一侧，感温管一的另一端位于矩形缺口二中部，感温管一与感温管二内轴向通过四个固定点固定有光纤，在矩形缺口一处感温管一上设置有第一固定点A、感温管二一端端部上设置有第二固定点B，在矩形缺口二处感温管一另一端端部设置有第三固定点C、感温管二上设置有第四固定点D，第一固定点A与第二固定点B之间的光纤上刻写有第一光栅且呈悬空状态，第三固定点C与第四固定点D之间的光纤上刻写有第二光栅且呈悬空状态；所述感温管一和感温管二为热膨胀系数不同。

作为一种优选的技术方案，所述第一光栅和第二光栅通过飞秒激光器直接在未剥离涂覆层的光纤上刻写制成。

作为一种优选的技术方案，所述第一光栅和第二光栅的栅区长度相等为1mm～10mm、中心波长之差≥3nm。

作为一种优选的技术方案，所述感温管一内径与感温管二外径之差为0.1mm。

作为一种优选的技术方案，所述感温管一侧壁上矩形缺口一正对的另一侧加工有两个封装口一，两个封装口一分别对准第一固定点A和第二固定点B，感温管二一端端部设置有与第二固定点B所对应的封装口一重合的U型槽一；所述感温管二侧壁上矩形缺口二正对的另一侧加工有两个封装口二，两个封装口二分别对准第三固定点C和第四固定点D，感温管一另一端端部设置有与第三固定点C所对应的封装口二重合的U型槽二。

作为一种优选的技术方案，所述感温管一和所述感温管二通过螺纹紧固联接件固定联接。

作为一种优选的技术方案，所述螺纹紧固联接件位于感温管一和感温管二组成整体的轴向中部。

作为一种优选的技术方案，所述感温管一的材料为铝合金、不锈钢中的一种及所述感温管二的材料为因瓦合金、碳纤维中的一种或所述感温管一的材料为因瓦合金、碳纤维中的一种及所述感温管二的材料为铝合金、不锈钢中的一种。

作为一种优选的技术方案，所述感温管一和所述感温管二的厚度相等为0.1mm～0.5mm。

作为一种优选的技术方案，所述传感器在升温环境下的灵敏度S↑为：

式中，L

所述传感器在降温环境下的灵敏度S↓为：

式中，λ

本发明的有益效果如下：

本发明的两个感温管之间具有热膨胀系数差，可以将温度引起两个感温管的相对位移变化转换为封装于其上的光栅的应变变化，从而有效提高光栅温度传感器的灵敏度。当温度升高与降低时，均通过一个光栅的中心波长变化来进行检测，使得传感器在灵敏度较高的情况下，测量范围比通常的增大了一倍。本发明在一根光纤上刻写两个光栅且两个光栅分别采用两点固定封装方式，无论温度升高或降低，处于工作状态的光栅均处于受拉状态，可以有效避免全粘型光纤光栅温度传感器的啁啾问题。

本发明为管式结构的传感器，结构简单、易于加工，在径向方向尺寸可以做到很小，而在轴向方向则可根据具体测量灵敏度及量程的需要进行调整，特别适合油气井内管式狭窄环境下使用。在光纤光栅封装过程中，将感温管一和感温管二整体加工有矩形缺口的一侧放在下方，很好的利用圆管的特点，将光纤光栅布置在管内部且很容易实现与管的轴线平行，粘接胶在重力作用下自然、均匀覆盖光纤与管内壁，保证粘接的一致性和可靠性。同时光纤从感温管一和感温管二内穿过，光纤和光纤上的两个光栅均得到了有效保护，传感器在下井与工作中的可靠性得到大幅提高。

本发明由于圆管的固有特性，感温管一和感温管二在紧固联接件的作用下可实现轴线的平行，且管的径向强度一致可保证二者相对位置稳定，克服了申请号为2021112016636和202111201664.0的中国专利中固定光纤光栅的端点之间的位置易变化，从而导致传感器的输出受影响的缺陷，具有结构简单、稳定性好的特点。

附图说明

图1是本发明油气井用高灵敏管式光纤光栅温度传感器的结构示意图。

图2是本发明感温管一2的结构示意图。

图3是本发明感温管二3的结构示意图。

其中：光纤1、第一光栅11、第二光栅12、感温管一2、矩形缺口一21、U型槽一32、感温管二3、矩形缺口二31、U型槽二22、封装口二4、螺纹紧固联接件5、封装口一6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。

实施例1

在图1、2、3中，本实施例的油气井用高灵敏管式光纤光栅温度传感器包括感温管一2、感温管二3、螺纹紧固联接件5、光纤1。感温管一2内套装有感温管二3，感温管一2内径与感温管二3外径之差为0.1mm，保证两个感温管组成的整体的稳定性，感温管一2和感温管二3的下侧壁通过螺纹紧固联接件5固定联接，螺纹紧固联接件5位于感温管一2和感温管二3组成整体的轴向中部，感温管左端上侧壁上加工有矩形缺口一21，位于感温管一2内感温管二3的左端位于矩形缺口一21中部，感温管二3右端上侧壁上加工有矩形缺口二31，感温管一2的右端位于矩形缺口二31中部，感温管一2与感温管二3内轴向通过四个固定点安装有光纤1，即光纤1既位于感温管一2内，又位于感温管二3内，在矩形缺口一21左侧边处设置有第一固定点A、感温管二3左端端部上设置有第二固定点B，在感温管二3右端端部设置有第三固定点C，矩形缺口二31右侧边处设置有第四固定点D，第一固定点A与第二固定点B之间的光纤1上刻写有第一光栅11且呈悬空状态，第三固定点C与第四固定点D之间的光纤1上刻写有第二光栅12且呈悬空状态，第二光栅12和第一光栅11的栅区长度相等、中心波长之差≥3nm。感温管一2下侧壁上加工有两个封装口一6，两个封装口一6分别对准第一固定点A和第二固定点B，感温管二3左端端部加工有与第二固定点B所对应的封装口一6重合的U型槽一32，U型槽一32为让位槽。感温管二3下侧壁上加工有两个封装口二4，两个封装口二4分别对准第三固定点C和第四固定点D，感温管一2右端端部加工有与第三固定点C所对应的封装口二4重合的U型槽二22，U型槽二22为让位槽，四个封装口专门用来调整两个光栅的位置及向固定点涂抹粘接胶。

感温管一2和感温管二3为厚度相等、热膨胀系数不同的金属管，本实施例感温管一2的材料为因瓦合金，热膨胀系数为1.2×10

本实施例第一光栅11和第二光栅12通过飞秒激光器直接在未剥离涂覆层的光纤1上刻写制成，第一光栅11的栅区长度为4mm，中心波长为1525nm，第二光栅12的栅区长度为4mm，中心波长为1545nm。

在光纤光栅封装过程中，将感温管一2和感温管二3整体加工有矩形缺口的一侧放在下方，两组封装口位于上方，很好的利用圆管的特点，将光纤光栅布置在管内部且很容易实现与管的轴线平行，通过封装口点胶，粘接胶在重力作用下自然、均匀覆盖光纤与管内壁，保证粘接的一致性和可靠性。同时光纤1从感温管一2和感温管二3内穿过，光纤1和光纤上的两个光栅均得到了有效保护，大幅提高了传感器在下井与工作中的可靠性。

本发明的工作原理如下：

当本发明传感器下放到油气井内时，受井内温度影响，光纤1材料的热膨胀效应及热光效应将让两个光栅的中心波长产生偏移，其相对偏移量为

式中，λ

同时，由于两个感温管的热膨胀系数差异较大，如实施例1中感温管一2的热膨胀系数＜感温管二3的热膨胀系数，感温管一2在温度升高后其受热伸长较小，而感温管二3则受热伸长较大，由于感温管一2和感温管二3通过螺纹紧固联接件5进行固定，这样，当温度升高时，感温管一2的右端与感温管二3的矩形缺口二31的右侧边之间的距离会变大，其增长值ΔL

ΔL

式中，L

ΔL

ε＝ΔL

式中，L

根据光纤1光栅的应变传感原理，这一轴向应变所引起的第二光栅12的相对波长漂移量为

式中，Δλ

综上，当管式光纤1光栅温度传感器下放到油气井内时，由于环境温度升高，第二光栅12处于工作状态，第二光栅12的相对波长漂移量为(1)、(2)式之和

则传感器此时的灵敏度S↑为

这样，通过优选感温管一2和感温管二33的尺寸及材料，调节同一侧二者端面之间的初始距离L

对于第一光栅11而言，当温度升高时，温度所引起的光栅的中心波长是增加的，但是此时感温管一2的矩形缺口一21的左端与感温管二3的左端之间的距离会缩短，使得固定于其上的第一光栅11一的预应力被释放。当温度继续升高达到某一值后，第一光栅11一的预应力会彻底被释放。在整个过程中，第一光栅11一处于非工作状态，管式结构对其没有温度增敏作用，仅是单纯的温度响应，其灵敏度可依据(1)式求的。

当环境温度降低时，第一光栅11一处于工作状态，其除了正常的温度响应外，还将受到额外的由于管式结构施加的拉应变。而由于降温使得第一光栅11一的中心波长将变小，但管式结构施加的应变却是拉应变，该应变将使得第一光栅11一的中心波长增大。综合考虑，环境温度降低导致第一光栅11的相对波长漂移量为(1)、(2)式之差，即

则传感器此时的灵敏度S↓为

上式中，管式结构受温度降低导致光纤1光栅一的应变响应比单纯的温度影响要高约一个数量级，因此光纤1光栅一对于温度的整体响应灵敏度还是得到了较大的提高，且光纤1光栅一始终处于受拉状态，不会受到初始预应力大小的影响。而此时光纤1光栅二处于非工作状态，仅受单纯的温度响应，管式结构对其没有增敏作用。

通过两个光纤1光栅分别测量温度的降低和升高，在光纤1光栅抗拉强度相同的情况下，管式结构光纤1光栅温度传感器的量程比通常情况下增加了一倍。

实施例2

在本实施例中，感温管一2和感温管二3的厚度相同为0.1mm,感温管一2的材料为铝合金，感温管二3的材料为因瓦合金制成。本实施例第一光栅11和第二光栅12通过飞秒激光器直接在未剥离涂覆层的光纤1上刻写制成，第一光栅11的栅区长度为1mm，中心波长为1530nm，第二光栅12的栅区长度为1mm，中心波长为1555nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，感温管一2和感温管二3的厚度相同为0.5mm,感温管一2的材料为不锈钢，感温管二3的材料为碳纤维制成。本实施例第一光栅11和第二光栅12通过飞秒激光器直接在未剥离涂覆层的光纤1上刻写制成，第一光栅11的栅区长度为10mm，中心波长为1530nm，第二光栅12的栅区长度为10mm，中心波长为1555nm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在1～3实施例中，感温管一2的材料为不锈钢，感温管二3的材料为因瓦合金制成。本其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。