基于分布式光纖的油井溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：分布式光纖測溫覆一種用于實時測量空間溫度場分布的新興技術(shù)，由于它在測量分布式溫度上的獨特之處，該技術(shù)在油井溫度場測量有很好的應(yīng)用前景。首先從分布式測量原理、分布式測溫原理和測溫算法三個方面分析和研究喇曼分布式光纖測溫系統(tǒng)原理，接著介紹了分布式光纖測溫系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了實驗系統(tǒng)。實驗證明所得結(jié)論是正確的，方法是可行有效的。
關(guān)鍵詞：分布式光纖；溫度場測量；喇曼散射；LabVIEW

0 引 言
    在石油的開采過程中，井下溫度的測量是必不可少的測量參數(shù)，準確的井下溫度測量對于地質(zhì)資料解釋和油井監(jiān)測等都具有重要的作用。尤其在重質(zhì)油熱采工藝中，需要監(jiān)測井下溫度場變化情況。在傳統(tǒng)的測量井溫過程中，使用了紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下惡劣環(huán)境將對測試儀器產(chǎn)生很大的影響，容易造成測試誤差，且對于溫度場的測量有很多不足。而現(xiàn)代的分布式光纖溫度傳感器具有測量點多，精度高，輕巧且能承受井下惡劣環(huán)境等優(yōu)點，可以獲取整個光纖分布區(qū)域的溫度場信息。目前分布式光纖溫度傳感器已實現(xiàn)井下溫度場等參數(shù)的測量，在重質(zhì)油熱采過程中溫度場的測量具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 分布式光纖溫度傳感器原理
1．1 分布式測量的原理
    分布式溫度傳感器借助光時域后向散射(ODTR)技術(shù)實現(xiàn)分布式測量。當光脈沖從O點注入光纖，并在光纖中傳播時會產(chǎn)生散射。經(jīng)過一段時間，后向散射光返回到O點。設(shè)光脈沖注入的時刻為時間原點那么光纖中散射點與O點距離L和該點散射光返回時間t的關(guān)系為：

   
式中：c為真空中的光速；n為光纖的折射率；t為信號從發(fā)射到接收所用的時間。
    由式(1)可知，不同時刻的回波對應(yīng)于不同距離點產(chǎn)生的散射，根據(jù)測量不同時間的回波來實現(xiàn)測溫點的定位。
1．2 分布式測溫的原理
    溫度的感知和度量基于光纖背向喇曼散射原理。當波長為λ0。的激光注入光纖時，它在光纖中向前傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生后向散射光，這些后向散射光中除了與入射光相同波長λ0。的中心譜線外，在其兩側(cè)，還存在著λ0一Δλ和λ0+Δλ的兩條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線，低頻一側(cè)波長為λs=λ0+Δλ的譜線稱為斯托克斯線(Stokes)；高頻一側(cè)波長為λa=λ0-Δλ的譜線稱為反斯托克斯線(Anti—Stokes)。由實驗可以發(fā)現(xiàn)，反斯托克斯散射光對溫度敏感，其強度受溫度調(diào)制，而斯托克斯散射光基本上與溫度無關(guān)。兩者光強的比值只與散射光的溫度有關(guān)，即：

式中：h為普朗克常數(shù)；c為真空中光速；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；Δγ為偏移波數(shù)。
    因此，以反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為參考通道，檢測兩者光強的比值，就可以解調(diào)出散射區(qū)的溫度信息。將后向拉曼散射信號的測量與OT-DR技術(shù)相結(jié)合，就可以實現(xiàn)基于后向拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)。
1．3 測溫算法實現(xiàn)
    對于式(2)，對其兩邊同時取對數(shù)函數(shù)，有：

   
    通過變換可以得到：

   
    在實際測試過程中，將光纖傳感器放置于溫度為T0恒溫箱中進行標定，通過標定可以得知：

   
    由上面的式子可以得知，在進行標定后，通過測量光強的比值R(T)就可以推導(dǎo)出分布式光纖各點的溫度值。

2 溫度場測量系統(tǒng)的設(shè)計
2．1 測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    分布式光纖測溫系統(tǒng)主要由脈沖激光器、光纖放大器、光纖定向耦合器、濾波器、光電檢測器、放大器、數(shù)據(jù)采集與處理電路、信息處理顯示(計算機)、敏感光纖、恒溫箱等組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    各部分的功能如下：脈沖激光器的主要作用是為系統(tǒng)提供光脈沖；光纖放大器對弱光信號進行放大，提高信號強度；光纖耦合器將光信號按照設(shè)計要求耦合進光纖，并將返回的散射光信號按事先確定的比例耦合到光處理通路中；濾波器分離出斯托克斯光和反斯托克斯光，濾除瑞利后向散射光；光電檢測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號為信息處理電路提供輸入；放大器將微弱的電信號進行放大，以便進行A／D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)采集與處理電路主要完成對光信號的A／D轉(zhuǎn)換及信號的相關(guān)處理；計算機將數(shù)據(jù)進行分析和顯示處理，并與數(shù)據(jù)采集電路進行通信。其中，光纖耦合器、濾波器和光電檢測器等關(guān)鍵部件放置在恒溫箱中(恒溫200℃)。
    溫度場測量系統(tǒng)的工作過程如下：在計算機和數(shù)據(jù)采集電路的控制下，脈沖激光器發(fā)出光脈沖信號，光脈沖信號通過光纖放大器放大后經(jīng)定向耦合器耦合到傳感光纖中，傳感光纖則置身于重質(zhì)油溫度場中。在傳感光纖中傳播的光脈沖，其傳播過程中各點位置上引發(fā)的散射光(拉曼散射光中的斯托克斯和反斯托克斯)中的后向散射部分再次經(jīng)過光纖傳輸通道進入定向耦合器耦合到接收通道。通過光學濾波后，濾掉能量相對較強的瑞利后向散射光，分離出載有溫度信息的反斯托克斯光和斯托克斯光，分別送光電檢測器進行光電信號的轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過放大后，送到數(shù)據(jù)采集與處理電路進行A／D轉(zhuǎn)換及信號的相關(guān)處理，并將處理后的信息送入計算機進行分析處理和顯示。
2．2 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據(jù)采集與處理端軟件和計算機端軟件。其中，數(shù)據(jù)采集與處理端軟件主要負責實現(xiàn)信號的采集，目前這方面的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，這里不再贅述。本系統(tǒng)的計算機端軟件采用的是NI公司的LabVIEW進行開發(fā)，主要實現(xiàn)溫度場測試系統(tǒng)的控制、系統(tǒng)設(shè)置及溫度場分布圖顯示等功能，軟件界面如圖2所示。

3 溫度場測量系統(tǒng)的實驗設(shè)計
    根據(jù)結(jié)構(gòu)框圖1構(gòu)建測量系統(tǒng)，脈沖光源選用國產(chǎn)大光腔大功率半導(dǎo)體激光器，入纖峰值功率達110 W，脈沖寬度為50 ns，中心波長為1 550 nm，偏移量小于2 nm；耦合器分光比是50：38：12，目的是減少光損耗；濾波器采用鍍膜光學濾波片，并多片疊加使用以降低泵浦光的干擾，濾波器的波長偏移量小于5 nm；光電檢測器要求帶寬為80 MHz，選用C30902E/C30724E；放大器必須是高增益、寬帶、低噪聲的放大器，選用軌到軌運放AD8552；光纖傳感器是由線性分布光纖溫度傳感器和分布光纖點式繞組溫度傳感器組成；數(shù)據(jù)采集電路的A/D轉(zhuǎn)換器采用高速8位A/D轉(zhuǎn)換器AD9048來實現(xiàn)，最高采樣速率為35MSPS。
    將自行設(shè)計的溫度場測量系統(tǒng)進行溫度標定后，在對重質(zhì)油熱采時的溫度場進行時，將光纖分布在隔熱管內(nèi)，可實現(xiàn)長度約為1 400 m的溫度場測量。經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)，該溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計方法獨特，系統(tǒng)的空間分辨率達到了1 m，測溫精度達到了O.5℃，可以滿足重質(zhì)油熱采時的溫度場測量的要求。

4 結(jié) 語
    分布式光纖測溫系統(tǒng)作為一種目前正在興起的測溫領(lǐng)域的新技術(shù)，優(yōu)勢十分明顯，不但在高尖領(lǐng)域得到應(yīng)用，而且在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域被迅速推廣。該系統(tǒng)特別適用于對大面積、多點的連續(xù)實時性的溫度場測量要求，完全可以憑借其獨特的材料及形態(tài)上的優(yōu)點去取代大部分傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)。目前，我國石油行業(yè)對于分布式光纖測溫系統(tǒng)的使用和研發(fā)正處于起步階段，但可預(yù)知，隨著制作技術(shù)的日益成熟和器件性能的不斷提高，分布式光纖測溫系統(tǒng)必將在石油開采等領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用。