基于分布式光纖的油井溫度場(chǎng)測量系統設計

各部分的功能如下：脈沖激光器的主要作用是為系統提供光脈沖；光纖放大器對弱光信號進(jìn)行放大，提高信號強度；光纖耦合器將光信號按照設計要求耦合進(jìn)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換成相應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(jìn)行放大，以便進(jìn)行A／D轉換；數據采集與處理電路主要完成對光信號的A／D轉換及信號的相關(guān)處理；計算機將數據進(jìn)行分析和顯示處理，并與數據采集電路進(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(chǎng)測量系統的工作過(guò)程如下：在計算機和數據采集電路的控制下，脈沖激光器發(fā)出光脈沖信號，光脈沖信號通過(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(jìn)行光電信號的轉換。再經(jīng)過(guò)放大后，送到數據采集與處理電路進(jìn)行A／D轉換及信號的相關(guān)處理，并將處理后的信息送入計算機進(jìn)行分析處理和顯示。
2．2 測量系統的軟件設計
系統的軟件主要包括數據采集與處理端軟件和計算機端軟件。其中，數據采集與處理端軟件主要負責實(shí)現信號的采集，目前這方面的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，這里不再贅述。本系統的計算機端軟件采用的是NI公司的LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現溫度場(chǎng)測試系統的控制、系統設置及溫度場(chǎng)分布圖顯示等功能，軟件界面如圖2所示。

3 溫度場(chǎng)測量系統的實(shí)驗設計
根據結構框圖1構建測量系統，脈沖光源選用國產(chǎn)大光腔大功率半導體激光器，入纖峰值功率達110 W，脈沖寬度為50 ns，中心波長(cháng)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(cháng)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(xiàn)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；數據采集電路的A/D轉換器采用高速8位A/D轉換器AD9048來(lái)實(shí)現，最高采樣速率為35MSPS。
將自行設計的溫度場(chǎng)測量系統進(jìn)行溫度標定后，在對重質(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，可實(shí)現長(cháng)度約為1 400 m的溫度場(chǎng)測量。經(jīng)過(guò)驗證發(fā)現，該溫度場(chǎng)測量系統設計方法獨特，系統的空間分辨率達到了1 m，測溫精度達到了O.5℃，可以滿(mǎn)足重質(zhì)油熱采時(shí)的溫度場(chǎng)測量的要求。

4 結 語(yǔ)
分布式光纖測溫系統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)域得到應用，而且在傳統的工業(yè)領(lǐng)域被迅速推廣。該系統特別適用于對大面積、多點(diǎn)的連續實(shí)時(shí)性的溫度場(chǎng)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(diǎn)去取代大部分傳統的測溫系統。目前，我國石油行業(yè)對于分布式光纖測溫系統的使用和研發(fā)正處于起步階段，但可預知，隨著(zhù)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必將在石油開(kāi)采等領(lǐng)域中得到更為廣泛的應用。