葛　亮　胡　澤　李俊蘭

摘 要：分布式光纖測(cè)溫是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)分布的新興技術(shù)，由于它在測(cè)量分布式溫度上的獨(dú)特之處，該技術(shù)在油井溫度場(chǎng)測(cè)量有很好的應(yīng)用前景。首先從分布式測(cè)量原理、分布式測(cè)溫原理和測(cè)溫算法三個(gè)方面分析和研究喇曼分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)原理，接著介紹了分布式光纖測(cè)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(chǎng)測(cè)量；喇曼散射；LabVIEW

中圖分類號(hào)：TN929文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)05-102-03

Design of Temperature Field Measurement System in Oil Well Based on Distributed Fiber Optic

GE Liang,HU Ze,LI Junlan

(Southwest Petroleum University,Chengdu,610500,China)

Abstract：The distributed optical fiber temperature measurement is a kind of new technique for the real-time measurement of temperature field，this technique has good application prospect in oil well temperature field measurement because of its potential for measuring the distributing information temperature.The Raman distributed optical fiber temperature sensor system is researched through analyzing its measuring principle by distributed measuring principle,distributed measuring temperature principle and temperature measurement algorithm at first.Then,its software and hardware design are introduced,and an experimental system is developed.The experiments verify that the conclusions are right and the methods are efficient.

Keywords：distributed optical fiber;temperature field measurement;Raman scattering;LabVIEW

0 引 言

在石油的開采過(guò)程中，井下溫度的測(cè)量是必不可少的測(cè)量參數(shù)，準(zhǔn)確的井下溫度測(cè)量對(duì)于地質(zhì)資料解釋和油井監(jiān)測(cè)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(cè)井下溫度場(chǎng)變化情況。在傳統(tǒng)的測(cè)量井溫過(guò)程中，使用了紅外測(cè)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(cè)試儀器產(chǎn)生很大的影響，容易造成測(cè)試誤差，且對(duì)于溫度場(chǎng)的測(cè)量有很多不足。而現(xiàn)代的分布式光纖溫度傳感器具有測(cè)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(chǎng)信息。目前分布式光纖溫度傳感器已實(shí)現(xiàn)井下溫度場(chǎng)等參數(shù)的測(cè)量，在重質(zhì)油熱采過(guò)程中溫度場(chǎng)的測(cè)量具有廣闊的應(yīng)用前

景［1］。

1 分布式光纖溫度傳感器原理

1.1 分布式測(cè)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(cè)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(guò)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：

L=12vt=12ct/n

(1)

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(cè)量不同時(shí)間的回波來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫點(diǎn)的定位。

1.2 分布式測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)λ0的中心譜線外，在其兩側(cè)，還存在著λ0-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(zhǎng)為λ璼=λ0+Δλ的譜線稱為斯托克斯線(Stokes)；高頻一側(cè)波長(zhǎng)為λ璦=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(wú)關(guān)。兩者光強(qiáng)的比值只與散射光的溫度有關(guān)，即：

R(T)=P璦(T)P璼(T)=λ璼λ璦4e－h(huán)cΔγkT

(2)

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)［2］。

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(cè)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(cè)量與OTDR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(cè)溫系統(tǒng)。

1.3 測(cè)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：

ln R(T)=4lnλ璼λ璦－h(huán)cΔγkT

(3)

通過(guò)變換可以得到：

T=hcΔγ4klnλ璼λ璦－kln R(T)

(4)

在實(shí)際測(cè)試過(guò)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(guò)標(biāo)定可以得知［3］：

4klnλ璼λ璦=hcΔγT0+kln R(T0)

(5)

將式(5)代入式(4)中,有：

T=hcΔγT0hcΔγ+kT0

(6)

由上面的式子可以得知，在進(jìn)行標(biāo)定后，通過(guò)測(cè)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(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

分布式光纖測(cè)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(cè)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。

圖1 溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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(cè)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(cè)器等關(guān)鍵部件放置在恒溫箱中(恒溫200 ℃)。

溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的工作過(guò)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(guò)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(chǎng)中。在傳感光纖中傳播的光脈沖，其傳播過(guò)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(guò)光纖傳輸通道進(jìn)入定向耦合器耦合到接收通道。通過(guò)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(cè)器進(jìn)行光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過(guò)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(cè)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(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的控制、系統(tǒng)設(shè)置及溫度場(chǎng)分布圖顯示等功能，軟件界面如圖2所示。

圖2 溫度場(chǎng)顯示界面

3 溫度場(chǎng)測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，脈沖光源選用國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)偏移量小于5 nm；光電檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，最高采樣速率為35 MSPS［4］。

將自行設(shè)計(jì)的溫度場(chǎng)測(cè)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(chǎng)進(jìn)行時(shí)，將光纖分布在隔熱管內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度約為1 400 m的溫度場(chǎng)測(cè)量。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該溫度場(chǎng)測(cè)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(cè)溫精度達(dá)到了0.5 ℃，可以滿足重質(zhì)油

熱采時(shí)的溫度場(chǎng)測(cè)量的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)作為一種目前正在興起的測(cè)溫領(lǐng)域的新技術(shù)，優(yōu)勢(shì)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(chǎng)測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)。目前，我國(guó)石油行業(yè)對(duì)于分布式光纖測(cè)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(cè)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［4］。

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作者簡(jiǎn)介 葛 亮 男,1985年出生，西南石油大學(xué)研究生。主要從事傳感器和單片機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究。

胡 澤 男,1966年出生，西南石油大學(xué)電信學(xué)院副院長(zhǎng),博士,教授。主要從事電子信息和井下測(cè)試技術(shù)研究。

李俊蘭 女,西南石油大學(xué)研究生。主要從事傳感器和現(xiàn)代控制理論方面研究。