摘要
流量测量在石油生产测井领域中起着至关重要的作用。精确测量油气井下流体流量信息，对于井中安全监测，提高采收率等意义重大。近年来，随着石油产业的不断发展，以及人民群众对石油能源需求量的不断提高，石油生产已经逐步从常规化生产转向高含水油气、页岩气等复杂环境下生产。由于开采难度的提高，传统的流量检测方式由于其灵敏度低、耐高温高压能力弱等原因，逐渐无法满足人们的勘探需求。而光纤光栅(FiberBraggGrating,FBG)传感技术由于其具有灵敏度高、耐高温高压、抗电磁干扰且尺寸小等优点，逐步得到了广大科研人员的关注，成为了目前研究的重要方向。本论文提出的光纤光栅压差式流量传感器因其具有低启动、高灵敏的特点，适用于油气井中小流量的实时监测。 本文基于压差式传感机理，结合光纤光栅传感基本理论，进行了一系列流量传感研究，主要内容包括传感器结构设计、仿真优化和实验测量等相关工作。具体内容包括: (1)对当前油气井下流量测量的常见方式进行分析，总结各电类流量传感器的组成结构、工作原理和优缺点，对比分析FBG流量传感器的优点，讨论各类FBG流量传感器的特点。根据油气井下流量测量面临的实际问题，提出本文的工作内容。 (2)从理论层面上阐述了FBG压差式流量测量的传感机理，包括耦合模理论、Bragg条件、热光效应、弹光效应和热膨胀效应等。分析计算在流体域中流量与应变之间的关系，建立相关物理模型。 (3)设计并研制了一种基于差压式传感机理的低启动光纤光栅流量传感器。分析了FBG及压差式传感机理，推导了其中心波长变化量与流量之间的关系。通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感，然后通过静压实验验证了理论部分的正确性，最后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明，封装后的传感器静压响应灵敏度分别为86.6925nm/MPa和68.6286nm/MPa;两根FBG的温度灵敏度分别为0.0298nm/℃和0.0288nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00029L/s (4)提出了一种使用扁平固支梁进行流量转换单元的FBG流量测量方法。以提高灵敏度、降低传感器尺寸为设计思想，建立流量传感器模型，结合油气井下对于传感器的实际要求，优化传感器各项参数。首先通过温度试验确定了可消除温度应变的交叉敏感，然后通过动压实验得到传感器的灵敏度。实验结果表明，两根FBG的温度灵敏度几乎一致，分别为0.0279nm/℃和0.0287nm/℃。因此可以消除温度对流量测量的影响;该流量传感器灵敏度为0.00017L/s。
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