基于分布式光纖的油井溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：分布式光纖測(cè)溫覆一種用于實(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

0 引 言
在石油的開(kāi)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 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：

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(zhǎng)為λs=λ0+Δλ的譜線稱為斯托克斯線(Stokes)；高頻一側(cè)波長(zhǎng)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(wú)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(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(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：

通過(guò)變換可以得到：

在實(shí)際測(cè)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(biāo)定，通過(guò)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(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。