專利名稱：一種光纖探針傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光纖探針傳感器，該光纖探針傳感器可用于油井井下油氣水三相流持氣率測量，也可以作為液位儀用于檢測液面。
背景技術(shù)：
首先，目前中國許多油田已處于綜合含水率90%以上的高含水階段，當(dāng)油井中壓力低于油的泡點(diǎn)壓力時(shí)，將會(huì)有天然氣從油中析出，從而產(chǎn)生油氣水三相流動(dòng)。在這種情況下，必須對(duì)油井井下油氣水三相流的持氣率進(jìn)行測量，以及時(shí)了解和掌握各產(chǎn)層的生產(chǎn)狀況，進(jìn)而合理調(diào)整油井的開發(fā)方案。目前測量多相流持氣率的常用方法是快關(guān)閥門法，該方法是在多相流流動(dòng)管道測量段的兩端安裝兩個(gè)同時(shí)動(dòng)作的快關(guān)閥，當(dāng)多相流體的流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，同時(shí)關(guān)閉這兩個(gè)閥門，通過氣液分離裝置便可求出這兩個(gè)閥門間流體的平均持氣率?？礻P(guān)閥門法具有準(zhǔn)確、高效的優(yōu)點(diǎn)，但該方法在測量時(shí)需要切斷多相流體的正常流動(dòng)，因此不能對(duì)油井井下油氣水三相流持氣率進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線測量。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光通訊技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的，是本世紀(jì)70年代末發(fā)展起來的一門嶄新的技術(shù)。該技術(shù)首先利用被測量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化；之后再對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測，從中得出被測量。但是由于現(xiàn)有用于持氣率測量的光纖傳感器使用了體積較大的半導(dǎo)體激光器、光電池和分光鏡等器件，因此無法實(shí)現(xiàn)傳感器的小型封裝，導(dǎo)致其不能在油井井下的狹小空間內(nèi)使用。由此可見，為 滿足油田生產(chǎn)的實(shí)際要求，迫切需要研究一種能夠?qū)崟r(shí)、在線測量油井井下油氣水三相流體持氣率的新方法和技術(shù)。另外，在石油、化工等領(lǐng)域的一些生產(chǎn)、存儲(chǔ)和裝卸等環(huán)節(jié)，需要對(duì)上限或下限液位的測量報(bào)警。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述現(xiàn)狀，提供一種能在油井井下的狹小空間內(nèi)對(duì)油氣水三相流復(fù)雜流體的持氣率進(jìn)行測量的光纖探針傳感器，同時(shí)該光纖探針傳感器也可用于檢測液面。本實(shí)用新型的目的是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的本實(shí)用新型包括敏感探頭、光纖耦合器、光源和光探測器，其中敏感探頭和光纖耦合器被封裝在不銹鋼保護(hù)套管內(nèi)，光源和光探測器被封裝在與不銹鋼保護(hù)套管連接的不銹鋼密封筒內(nèi)。所述敏感探頭的材質(zhì)為藍(lán)寶石光纖或石英光纖，其直徑為200 μ m 1200 μ m，敏感探頭尖端呈圓錐形，敏感探頭頂端夾角為15° 115° ；所述不銹鋼保護(hù)套管的外徑為2mm 3mm，被封裝的敏感探頭頂端裸露部分長度為 3mm 5mm ；所述不銹鋼密封筒的外徑為8mm ; 不銹鋼保護(hù)套管經(jīng)由固定盤根與不銹鋼密封筒相連；所述光纖耦合器包括Y形光纖耦合器和集束型光纖耦合器。所述Y形光纖耦合器采用一根芯徑為200 μ m 1200 μ m和兩根芯徑為100 μ m 800 μ m的能量石英光纖耦合，其透過光譜范圍為300nm 1800nm，數(shù)值孔徑為O. 22，耐溫范圍為_190°C 380°C ；所述集束型光纖耦合器采用七根芯徑為ΙΟΟμπι 500μπι能量石英光纖制作，其中三根能量石英光纖與光源連接，另四根能量石英光纖與光探測器連接，其透過光譜范圍為300nm 1800nm，數(shù)值孔徑為O. 22，耐溫范圍為-190。。 380 °C ；所述光源發(fā)射光波長范圍為320nm 1600nm，峰值波長為880nm，輸出功率密度范圍為1. 65 4. 5mff/cm2 ;光探測器接收的光波長范圍為320nm 1600nm，峰值波長為880nm ；所述光源和光探測器的耐溫范圍均為-55° +125° ；所述本實(shí)用新型的光纖探針傳感器整體耐溫-55° +125°，耐壓O 30Mpa。本實(shí)用新型是基于全反射原理，利用氣相液相介質(zhì)對(duì)光線的折射率不同，通過檢測反射光線強(qiáng)度的變化來測量多相流的持氣率。光探測器根據(jù)回光強(qiáng)度輸出幅值不等的電壓信號(hào)，根據(jù)此信號(hào)電平的高低，即可判斷出敏感探頭所接觸的介質(zhì)是氣相還是液相，進(jìn)而計(jì)算出油井井下油氣水三相流的持氣率，或用于檢測液面。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、光損耗少、測量精度高、性能可靠、抗電磁干擾、耐腐蝕、防油污、耐高壓、耐高溫、電絕緣性好、安全防爆、使用壽命長、結(jié)構(gòu)精巧、體積小、重量輕、耗電少，可在油井井下的狹小空間內(nèi)對(duì)油氣水三相流的持氣率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量，也可對(duì)液面進(jìn)行檢測。

圖1是本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器光路結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器的集束型光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖；圖4是本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器的Y形光纖耦合器結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合附圖和實(shí)施對(duì)本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器加以說明參照圖1，本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器主要由敏感探頭1、光纖耦合器2、光源6以及光探測器7構(gòu)成。其中敏感探頭1、光纖耦合器2被封裝在不銹鋼保護(hù)套管3內(nèi)，光源6和光探測器7被封裝在不銹鋼密封筒5內(nèi)。8、9和10為輸入輸出電纜，其中8為供電線，9為信號(hào)線，10為公共端。不銹鋼保護(hù)套管3經(jīng)由固定盤根4與不銹鋼密封筒5相連，既保護(hù)了光纖又便于安裝，同時(shí)還增加了產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度。參照圖2，本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器光路結(jié)構(gòu)圖。光源6發(fā)出的光線經(jīng)由光纖耦合器2到達(dá)敏感探頭I并與被測介質(zhì)接觸，反射光線再經(jīng)由光纖耦合器2被光探測器7接收。[0028]參照圖3，本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器的集束型光纖耦合器2采用七根芯徑為100 μ m 500 μ m能量石英光纖11、12、13、14、15、16、17制作成光纖束，其中三根能量石英光纖11、13、15與光源連接，另四根能量石英光纖12、14、16、17與光探測器連接，橫截面如圖3b所示。參照圖4，本實(shí)用新型一種光纖探針傳感器的Y形光纖耦合器2采用一根芯徑為200 μ m 1200 μ m的能量石英光纖18和兩根芯徑為100 μ m 800 μ m的能量石英光纖19、20耦合制成。 注所用光纖耦合器采用Y形光纖耦合器和集束型光纖耦合器這兩種光纖耦合器其中之一即可。
權(quán)利要求1.一種光纖探針傳感器，包括敏感探頭、光纖耦合器、光源和光探測器，其中敏感探頭和耦合器被封裝在不銹鋼保護(hù)套管內(nèi)，光源和光探測器被封裝在與不銹鋼保護(hù)套管連接的不銹鋼密封筒內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述敏感探頭的材質(zhì)為藍(lán)寶石光纖或石英光纖，其直徑為200 μ m 1200 μ m，敏感探頭尖端呈圓錐形，敏感探頭頂端夾角為15° 115°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述不銹鋼保護(hù)套管的外徑為2mm 3mm,被封裝的敏感探頭頂端裸露部分長度為3mm 5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述不銹鋼密封筒的外徑為 8mm η
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的一種光纖探針傳感器，其特征是不銹鋼保護(hù)套管經(jīng)由固定盤根與不銹鋼密封筒相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述光纖耦合器為Y形光纖耦合器或?yàn)榧凸饫w耦合器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述Y形光纖耦合器采用一根芯徑為200 μ m 1200 μ m和兩根芯徑為100 μ m 800 μ m的能量石英光纖耦合，其透過光譜范圍為300nm 1800nm，數(shù)值孔徑為O. 22，耐溫范圍為_190°C 380°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述集束型光纖耦合器采用七根芯徑為100 μ m 500 μ m能量石英光纖制作，其中三根能量石英光纖與光源連接，另四根能量石英光纖與光探測器連接，其透過光譜范圍為300nm 1800nm，數(shù)值孔徑為O. 22，耐溫范圍為_190°C 380°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述光源發(fā)射光波長范圍為320nm 1600nm，峰值波長為880nm，輸出功率密度范圍為1. 65 4. 5mff/cm2 ;光探測器接收的光波長范圍為320nm 1600nm，峰值波長為880nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種光纖探針傳感器，其特征是所述光源和光探測器的耐溫范圍均為-55° +125° ;光纖探針傳感器整體耐溫-55° +125°，耐壓O 30Mpa。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光纖探針傳感器，該光纖探針傳感器由敏感探頭、光纖耦合器、光源和光探測器組成，其中敏感探頭和耦合器被封裝在不銹鋼保護(hù)套管內(nèi)，光源和光探測器被封裝在與不銹鋼保護(hù)套管連接的不銹鋼密封筒內(nèi)。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、光損耗少、測量精度高、性能可靠、抗電磁干擾、耐腐蝕、防油污、耐高壓、耐高溫、電絕緣性好、安全防爆、使用壽命長、結(jié)構(gòu)精巧、體積小、重量輕、耗電少。本光纖探針傳感器可應(yīng)用于在油井井下的狹小空間內(nèi)對(duì)油氣水三相流的持氣率進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量，也可作為液位儀用于液面檢測。
文檔編號(hào)G01N21/41GK202886279SQ20122047079
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月14日
發(fā)明者李英偉, 孔令富, 劉興斌, 杜勝雪, 于莉娜, 安東杰, 王游江, 李明澤, 王炎 申請人:燕山大學(xué)