智能完井永久型井下传感系统现状综述_靳海英
永久型井下传感系统是智能完井中用于井下监测的部分，主要由多种传感器构成，其中多相流流量测量采用普通传感器；井下温度和压力的测量目前多采用光纤传感器；井筒和油藏中流体的粘度、组分、相对密度的评估采用微电子传感器。
智能完井系统的初始投资费用各不相同，一套永久型智能完井系统的投资为20万美元，而特定的多层遥控智能完井系统的初始投资甚至达到300万美元。由于投资巨大，要体现智能完井系统真正的价值，永久型井下传感系统必须在整个油井寿命期内能够正常工作，如果井下仪表损坏过早，在油田开发后期采用控制井内流量来调节及优化油藏开采的能力就会下降，故其寿命和可靠性就成为了其应用时需要考虑的重要方面。
一、发展历程
早期的井下压力和温度装置多是电子式的，传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计，以石英电子晶体或应力传感器为代表的井下电子部件装置
PDM(井下永久型监测系统)，该装置的代表产品是
CRC 的ESP-1800型压力温度监测装置和PPS 公
司的PDMS 井下永久监测系统，均以应变式传感器为技术核心(包括高分子压力温度传感器)。但应变式压力计受温度影响和滞后影响，而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测时，这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题，且在某些油田的生产过程中，尤其是稠油或沥青的生产过程中，为了提高产量需要对油井注入高温蒸汽
(SAGD)，使得井下温度高达300oF ，压强达到30Mpa （石油行业把那些井底压力超过10000lb/in2、
井底温度超过300oF 的井定义为高温高压井），过高的井下温度对常规电子仪表提出了严峻的挑战，传统的电子式压力、温度传感器在高温、高压环境中的可靠性、抗干扰和短寿命均不能满足井下测量的需要。
光纤传感技术是伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，目前主流的光纤传感器主要有法布利-比罗特(简称FP)、布拉格光栅(简称FBG)和荧光式光纤传感器三种，因为它们都是基
［摘要］为了提高采收率，智能完井得到了广泛的应用，其中永久型井下传感系统作为长期用于井下
的监测设备，其可靠性也越来越得到人们的重视。本文主要介绍了永久型井下传感系统的发展历程及现状，从电子类传感器到光纤分布式传感器的更替应用情况，及国内外主要石油公司在石油和天然气的应用方面所取得技术成果，
展望了下未来的传感器系统。［关键词］永久型井下传感系统；光纤传感器；压力测量；温度测量；高温电子
［中图分类号］TP212［文献标识码］A
智能完井永久型井下传感系统现状综述
靳海英
（山西机电职业技术学院电子电气工程系，山西
长治
０４６０１１）
[文章编号]1671－802X(2012)06－0051－04
＊［收稿日期］2012－11－07［作者简介］靳海英（１９７６－），女，河北邯郸人，工学硕士，助理讲师，研究方向：机电一体化技术。
No.62012General No.63Vol.112012年第6期
第11卷(总第63期)安徽电子信息职业技术学院学报JOURNALOF ANHUI VOCATIONAL COLLEGE OF ELECTRONICS ＆INFORMATION TECHNOLOGY 51
于光纤，所以有很多共同的特点，比如抗电磁干扰可应用于恶劣环境(没有加入电磁过程)，传输距离长（光纤中光衰减慢），使用寿命长，结构小巧等等。不少光纤传感系统已实用化，成为替代传统传感器的商品。最初的光学传感系统价格昂贵，安装复杂，而且功能十分有限。今天，其性能有了长足的进步，成本也有所降低，且安装简易。如今，光纤传感器已能够进行多种井下参数（压力、温度、多相流）的监测、声波监测、激光光纤核测井等，在石油测井中得到了广泛的应用。该类型的传感器主要是以光纤及ERD (薄膜谐振)技术为主的非电子部件装置，以美国Micron Optics Int公司的OS600-200型深井光纤，压力温度传感器和PORM ORE公司的PROFLOWDP型压力温度流量计为代表产品，采用了美国瑞达(Reda)和Centrilift公司生产的电位计式测压(压力盒铂丝电位器测压)，热敏电阻测温的传感器技术。
但是由于光纤传感器的成本较高，人们并没有放弃对电子类传感器在井下应用的研究，尤其是近年来随着汽车电子及航空技术的发展，高温电子也得到了进一步的发展。早在1999年霍尼韦尔固态电子学中心（Honeywell Solid State Electronics Center）就已经研制出能在温度高达225℃的环境下正常工作5年以上的集成电路，后来这种集成电路被广泛应用于井下永久型测量仪和航空燃气涡轮发动机中。同年，巴西石油公司在海上深井和超深井方面的技术革新，启动了全电子智能完井系统的研究。到2003年8月3日，由巴西石油公司和贝克石油工具公司联合安装完成的世界上第一口全电子海底深水井智能完井系统，标志着全电子智能完井系统技术开始逐步走向成熟，在其安装后不到一年的时间里，该系统以其较好的可靠性逐步获得了越来越多的用户的接受。目前斯伦贝谢公司和贝克石油工具公司也已各自开发研制出自己的全电子控制井下操作系统。
二、国外现状
井下光纤传感系统能提供连续、高精度、高可靠性的实时数据测量。在过去几年中，永久井下光纤压力和温度传感器，已成为石油和天然气行业公认的新技术。
对于光纤分布式温度传感器系统，英国Sensa 公司、Smart Fibres公司等均有一系列产品问世,而且与各大石油公司合作，前者积极探索光纤分布式温度传感器在石油井下的应用，后者致力于（FBG）布拉格光栅传感器在石油井下参数的监测；另外像美国CiDRA公司和哈里伯顿能源服务公司也一直在研究光纤温度传感器，目前其温度传感器技术指标如下表：
各石油公司光纤分布式温度传感器参数表
将光纤转换为压力传感器的方式有多种，目前使用的两种是光纤Bragg光栅(FBG)和Fabryperot干扰测量术。
威德福公司的光学多相流量计采用布拉格光栅（FBG）和光学多路传输技术，并结合了声纳解释算法。流量计是全光学的，无插入件，具有高度的测量精度和可靠性。其井下光纤传感系统用干海洋深井油层压力和温度的测量。该系统以全纤维结构为基础，传感器和连接电缆都用光纤制成，传感器采用标准单波型纤维技术制作，通过波导结构的光根据井下压力和温度的变化而改变。
美国斯伦贝谢油田服务公司Doll研究中心的Tsutomu Yamate等人对用布喇格光纤光栅传感器实行井下监测进行了长期的研究，他们研制成一种对温度不敏感的侧孔布喇格光纤光栅传感器，最高工作温度为300℃，最高测量压力82MPa，且在最高测量压力下，对温度的灵敏度极小，十分适用于井下的压力监测。
QuantX井眼仪表公司开发出一种适用于高温和强震动恶劣井下环境中的永久电子测量系统——
—公司名称测量范围误差分辨率
美国CIDRA
公司
0℃~175℃±1℃0.1℃
哈里伯顿能
源服务公司
2km~10km±0.5℃
±0.5℃
垂直分辨率:
0.2m~1m
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WellGUARD，用于井眼温度和压力的永久监测，其技术规范要求永久井下电子温度/压力计能在175℃、20000psi的井下环境中至少连续工作5年。当应用的井下环境温度较低时，电子温度/压力计的使用寿命应该更长。2001年7月，该公司在安哥拉海上的几口注入井和生产井成功地安装了永久井下电子温度/压力计（WellGUARD）。该地区的井下温度达150℃，永久井下电子温度/压力计为目前正在实施的一个油藏监测项目提供连续的测量数据，使得作业者将与传统电缆传送压力计相关的作业时间和作业风险降低到最小程度。
WellDynamics公司的SmartWell智能井系统的永久型井下传感系统OptoLog DTS采用的是分布式单模光纤传感器，应用范围十分广泛，可用于井下高温和恶劣环境，井底高温恶劣环境可导致多模光纤的碳质涂层氢化变黑，但对其单模光纤的影响则可以减少到忽略不计的水平。2007年9月，加拿大壳牌石油公司在Alberta,Canada,Orion field等地的18口井中使用该系统来监测温度变化，其平均使用温度是240℃，结果证明到目前为止没有温度漂移。
三、国内现状
我国在70年代末就开始了光纤传感器的研究，其起步时间与国际相差不远。目前已有上百个单位在这一领域开展工作，如清华大学、华中理工大学、武汉理工大学、重庆大学、核工业总公司九院、电子工业部1426所等。他们在光纤温度传感器、压力计、流量计、液位计、电流计、位移计等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果，其中相当数量的研究成果具有很高的实用价值，有的达到世界先进水平。但与发达国家相比，我国的研究水平还有不小的差距，主要表现在商品化和产业化方面，大多数品种仍处于实验室研制阶段，不能投入批量生产和工程化应用，远远满足不了市场需求。
近几年，国内有许多油田和科研单位进行了光纤传感器方面的试验研究，也取得了一些成果，如2007年8月天津大学李恩邦教授研发出了高灵敏度多模光纤应变传感器，并已申请4项国家发明专利。2009年蔚蓝仕公司推出了分布式光纤系统，并于2011年在辽河油田下井成功，解决了高温环境下
的稠油热采时传感器的高压密封和光纤保护问题。
其他还有中国科学院西安分院组织专家鉴定委员会
通过的“晶体吸收式光纤温度传感器”项目、西安维
纳仪器有限公司生产的高温井下压力传感器WYG2等。
四、展望
光纤传感器由于对电磁干扰不敏感而且能够承
受极端条件，包括高温、高压以及强烈的冲击与振动，并且没有井下电子线路、体积小等特点，特别适
用于油井下的长期连续监测，近年，新一代油气井光
纤监控系统使用了光纤布拉格光栅技术，在测量波
长时环境的变化造成了测量结果的不规则波动，因
绝对波长与光源强度或振幅毫不相关，排除了连接
点损失问题。布拉格光栅传感器不受电磁干扰，比较
稳定，耐高温，并且可以用于高辐射环境。但同时由
于光纤光栅的温度-压力交叉敏感性不能长期耐受
高温环境，使得它在高温、高压油井中长期可靠的应
用受到限制，且起高昂的成本也限制了它的进一步
发展。
对于电子类传感器来说，由于按照工业标准普
通的电子器件使用的温度范围是-40℃到85℃，即
使是军品电子器件其使用温度也不过是-40℃到125℃，远远不能满足在油田井下高温高压振动的恶
劣环境中使用的要求，故能在高温高压下可靠工作
的电子元器件就成了制约电子传感器的发展瓶颈。
为了打破温度壁垒，许多国际知名公司着手开发高
温电子器件，早在1999年霍尼韦尔固态电子中心（Honeywell Solid State Electronics Center）就已经研
制出能在温度高达225℃的环境下正常工作5年以
上的集成电路，后来这种集成电路被广泛应用于井
下永久型测量仪和航空燃气涡轮发动机中。不幸的是，由于市场需求的减少，同时像手机、手提电脑、个
人电子产品等较低温度电子器件的消费增加，使得
新一代的军品电子器件的研究开发几乎陷入停顿。
随着石油工业的发展，特别是深井和超深井的
发展，对高温高压随钻测井工具的需求也呈逐渐上
升的趋势，美国的东南部和北海等地是其主要市场，
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[4]王学龙.嵌入式Linux系统设计与应用[M].清华大学出版社，2001．
[5]华清远见嵌入式培训中心.嵌入式Linux基础教程[M].人民邮电出版社，2009．
Embedded Linux System Initialization
Jia Wei-wei，Li Mei-feng
(Xuzhou College of Industrial Technology,
Xuzhou，Jiangsu)
Abstract:This paper analyzes the way of an initial RAM disk(initrd)to implement the system initialization in the development of embedded Linux system，which helps to understand the embedded Linux system initialization.
Key words:Embedded Linux;system initiali-zation;initrd
(责任编辑：江玉祥)
在2000年6月的高温电子会议中，预计对高温电子类工具的市场需求每年在1亿到3亿美元。为了应对市场的需求，2003年由美国能源部国家能源技术实验室（United States Department of Energy’s National Energy Technology Laboratory）投资赞助了DeepTrek项目，先后投资24亿多美元用以推进该项技术的发展，该项目由霍尼韦尔公司来主导，由Joint Industrial Participation(JIP)的商业伙伴如：BP, Baker Hughes,Goodrich Aerospace,Halliburton (through2005),Honeywell,IntelliServ,Quartzdyne, and Schlumberger等来共同开发，旨在开发研制能在高温环境中（>250℃）使用的各种集成电路（IC）的制造方法、材料、设计工具等，以期实现能合适井底冲击和振动环境的电子器件的封装。目前以硅绝缘体SOI（silicon on insulator）和碳化硅SiC（silicon carbide）为材料开发出了一系列的高温电子器件和传感器，SOI技术显著的延长了电子器件的使用寿命，增强了其可靠性，并可降低低温电子器件的成本。
高温电子的发展将大大增加电子类传感器在恶劣的井底环境中工作的可靠性，并可延长其使用寿命，再加上技术成熟、接口现成、成本较低等因素，使得电子类传感器有了进一步的发展空间。可以预测，在未来5-10年内永久型井下电子传感系统在高温高压井中的应用将有很大的发展空间。
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(责任编辑：江玉祥)
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