基于分布式光纖的油井溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：分布式光纖測溫覆一種用于實(shí)時(shí)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(dú)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(gè)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(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確的井下溫度測量對(duì)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(duì)測試儀器產(chǎn)生很大的影響，容易造成測試誤差，且對(duì)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(diǎn)多，精度高，輕巧且能承受井下惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，可以獲取整個(gè)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(shí)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(shí)域后向散射(ODTR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式測量。當(dāng)光脈沖從O點(diǎn)注入光纖，并在光纖中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射。經(jīng)過一段時(shí)間，后向散射光返回到O點(diǎn)。設(shè)光脈沖注入的時(shí)刻為時(shí)間原點(diǎn)那么光纖中散射點(diǎn)與O點(diǎn)距離L和該點(diǎn)散射光返回時(shí)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(hào)從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。
    由式(1)可知，不同時(shí)刻的回波對(duì)應(yīng)于不同距離點(diǎn)產(chǎn)生的散射，根據(jù)測量不同時(shí)間的回波來實(shí)現(xiàn)測溫點(diǎn)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(dāng)波長為λ0。的激光注入光纖時(shí)，它在光纖中向前傳輸?shù)耐瑫r(shí)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(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，反斯托克斯散射光對(duì)溫度敏感，其強(qiáng)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(qiáng)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(duì)溫度；Δγ為偏移波數(shù)。
    因此，以反斯托克斯光作為信號(hào)通道，斯托克斯光作為參考通道，檢測兩者光強(qiáng)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(hào)的測量與OT-DR技術(shù)相結(jié)合，就可以實(shí)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(shí)現(xiàn)
    對(duì)于式(2)，對(duì)其兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)函數(shù)，有：

   
    通過變換可以得到：

   
    在實(shí)際測試過程中，將光纖傳感器放置于溫度為T0恒溫箱中進(jìn)行標(biāo)定，通過標(biāo)定可以得知：

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

2 溫度場測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2．1 測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    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(jì)算機(jī))、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(duì)弱光信號(hào)進(jìn)行放大，提高信號(hào)強(qiáng)度；光纖耦合器將光信號(hào)按照設(shè)計(jì)要求耦合進(jìn)光纖，并將返回的散射光信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)為信息處理電路提供輸入；放大器將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大，以便進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)采集與處理電路主要完成對(duì)光信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換及信號(hào)的相關(guān)處理；計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示處理，并與數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)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(jì)算機(jī)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(hào)，光脈沖信號(hào)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(diǎn)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(jìn)入定向耦合器耦合到接收通道。通過光學(xué)濾波后，濾掉能量相對(duì)較強(qiáng)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(jìn)行光電信號(hào)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(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換及信號(hào)的相關(guān)處理，并將處理后的信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理和顯示。
2．2 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據(jù)采集與處理端軟件和計(jì)算機(jī)端軟件。其中，數(shù)據(jù)采集與處理端軟件主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jì)算機(jī)端軟件采用的是NI公司的LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
    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(dá)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(xué)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(yùn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)，最高采樣速率為35MSPS。
    將自行設(shè)計(jì)的溫度場測量系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定后，在對(duì)重質(zhì)油熱采時(shí)的溫度場進(jìn)行時(shí)，將光纖分布在隔熱管內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)長度約為1 400 m的溫度場測量。經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法獨(dú)特，系統(tǒng)的空間分辨率達(dá)到了1 m，測溫精度達(dá)到了O.5℃，可以滿足重質(zhì)油熱采時(shí)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(duì)大面積、多點(diǎn)的連續(xù)實(shí)時(shí)性的溫度場測量要求，完全可以憑借其獨(dú)特的材料及形態(tài)上的優(yōu)點(diǎn)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(duì)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。