基于分布式光纖的油井溫度場(chǎng)測量系統設計

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(chǎng)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(chǎng)測量有很好的應用前景。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原理，接著(zhù)介紹了分布式光纖測溫系統軟硬件的設計，并在此基礎上設計出了實(shí)驗系統。實(shí)驗證明所得結論是正確的，方法是可行有效的。
關(guān)鍵詞：分布式光纖；溫度場(chǎng)測量；喇曼散射；LabVIEW

0 引 言
在石油的開(kāi)采過(guò)程中，井下溫度的測量是必不可少的測量參數，準確的井下溫度測量對于地質(zhì)資料解釋和油井監測等都具有重要的作用。尤其在重質(zhì)油熱采工藝中，需要監測井下溫度場(chǎng)變化情況。在傳統的測量井溫過(guò)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(chǎng)的測量有很多不足。而現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)光纖分布區域的溫度場(chǎng)信息。目前分布式光纖溫度傳感器已實(shí)現井下溫度場(chǎng)等參數的測量，在重質(zhì)油熱采過(guò)程中溫度場(chǎng)的測量具有廣闊的應用前景。

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)現分布式測量。當光脈沖從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)刻的回波對應于不同距離點(diǎn)產(chǎn)生的散射，根據測量不同時(shí)間的回波來(lái)實(shí)現測溫點(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。當波長(cháng)為λ0。的激光注入光纖時(shí)，它在光纖中向前傳輸的同時(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(cháng)λ0。的中心譜線(xiàn)外，在其兩側，還存在著(zhù)λ0一Δλ和λ0+Δλ的兩條譜線(xiàn)。中心譜線(xiàn)為瑞利散射譜線(xiàn)，低頻一側波長(cháng)為λs=λ0+Δλ的譜線(xiàn)稱(chēng)為斯托克斯線(xiàn)(Stokes)；高頻一側波長(cháng)為λa=λ0-Δλ的譜線(xiàn)稱(chēng)為反斯托克斯線(xiàn)(Anti―Stokes)。由實(shí)驗可以發(fā)現，反斯托克斯散射光對溫度敏感，其強度受溫度調制，而斯托克斯散射光基本上與溫度無(wú)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；c為真空中光速；k為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；Δγ為偏移波數。
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，就可以解調出散射區的溫度信息。將后向拉曼散射信號的測量與OT-DR技術(shù)相結合，就可以實(shí)現基于后向拉曼散射的分布式光纖測溫系統。
1．3 測溫算法實(shí)現
對于式(2)，對其兩邊同時(shí)取對數函數，有：

通過(guò)變換可以得到：

在實(shí)際測試過(guò)程中，將光纖傳感器放置于溫度為T(mén)0恒溫箱中進(jìn)行標定，通過(guò)標定可以得知：

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