基于分布式光纖的油井溫度場測量系統設計

葛　亮　胡　澤　李俊蘭

摘 要：分布式光纖測溫是一種用于實時測量空間溫度場分布的新興技術，由于它在測量分布式溫度上的獨特之處，該技術在油井溫度場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方面分析和研究喇曼分布式光纖測溫系統原理，接著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驗系統。實驗證明所得結論是正確的，方法是可行有效的。

關鍵詞：分布式光纖；溫度場測量；喇曼散射；LabVIEW

中圖分類號：TN929文獻標識碼：B

文章編號：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資料解釋和油井監測等都具有重要的作用。尤其在重質油熱采工藝中，需要監測井下溫度場變化情況。在傳統的測量井溫過程中，使用了紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下惡劣環境將對測試儀器產生很大的影響，容易造成測試誤差，且對于溫度場的測量有很多不足。而現代的分布式光纖溫度傳感器具有測量點多，精度高，輕巧且能承受井下惡劣環境等優點，可以獲取整個光纖分布區域的溫度場信息。目前分布式光纖溫度傳感器已實現井下溫度場等參數的測量，在重質油熱采過程中溫度場的測量具有廣闊的應用前

景［1］。

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域后向散射(ODTR)技術實現分布式測量。當光脈沖從O點注入光纖，并在光纖中傳播時會產生散射。經過一段時間，后向散射光返回到O點。設光脈沖注入的時刻為時間原點，那么光纖中散射點與O點距離L和該點散射光返回時間t的關系為：

L=12vt=12ct/n

(1)

式中:c為真空中的光速；n為光纖的折射率；t為信號從發射到接收所用的時間。

由式(1)可知，不同時刻的回波對應于不同距離點產生的散射，根據測量不同時間的回波來實現測溫點的定位。

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。當波長為λ0的激光注入光纖時，它在光纖中向前傳輸的同時不斷產生后向散射光，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，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，低頻一側波長為λ璼=λ0+Δλ的譜線稱為斯托克斯線(Stokes)；高頻一側波長為λ璦=λ0-Δλ的譜線稱為反斯托克斯線(Anti-Stokes)。由實驗可以發現，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關。兩者光強的比值只與散射光的溫度有關，即：

R(T)=P璦(T)P璼(T)=λ璼λ璦4e－hcΔγkT

(2)

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［2］。

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OTDR技術相結合，就可以實現基于后向拉曼散射的分布式光纖測溫系統。

1.3 測溫算法實現

對于式(2)，對其兩邊同時取對數函數,有：

ln R(T)=4lnλ璼λ璦－hcΔγkT

(3)

通過變換可以得到：

T=hcΔγ4klnλ璼λ璦－kln R(T)

(4)

在實際測試過程中，將光纖傳感器放置于溫度為T0恒溫箱中進行標定，通過標定可以得知［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，在進行標定后，通過測量光強的比值R(T)就可以推導出分布式光纖各點的溫度值。

2 溫度場測量系統的設計

2.1 測量系統的硬件設計

分布式光纖測溫系統主要由脈沖激光器、光纖放大器、光纖定向耦合器、濾波器、光電檢測器、放大器、數據采集與處理電路、信息處理顯示(計算機)、敏感光纖、恒溫箱等組成，其系統結構框圖如圖1所示。

圖1 溫度場測量系統結構框圖

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行放大，以便進行A/D轉換；數據采集與處理電路主要完成對光信號的A/D轉換及信號的相關處理；計算機將數據進行分析和顯示處理，并與數據采集電路進行通信。其中，光纖耦合器、濾波器和光電檢測器等關鍵部件放置在恒溫箱中(恒溫200 ℃)。

溫度場測量系統的工作過程如下：在計算機和數據采集電路的控制下，脈沖激光器發出光脈沖信號，光脈沖信號通過光纖放大器放大后經定向耦合器耦合到傳感光纖中，傳感光纖則置身于重質油溫度場中。在傳感光纖中傳播的光脈沖，其傳播過程中各點位置上引發的散射光(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過光纖傳輸通道進入定向耦合器耦合到接收通道。通過光學濾波后，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行光電信號的轉換。再經過放大后，送到數據采集與處理電路進行A/D轉換及信號的相關處理，并將處理后的信息送入計算機進行分析處理和顯示。

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現信號的采集，目前這方面的技術已經十分成熟，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進行開發，主要實現溫度場測試系統的控制、系統設置及溫度場分布圖顯示等功能，軟件界面如圖2所示。

圖2 溫度場顯示界面

3 溫度場測量系統的實驗設計

根據結構框圖1構建測量系統，脈沖光源選用國產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來實現，最高采樣速率為35 MSPS［4］。

將自行設計的溫度場測量系統進行溫度標定后，在對重質油熱采時的溫度場進行時，將光纖分布在隔熱管內，可實現長度約為1 400 m的溫度場測量。經過驗證發現，該溫度場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0.5 ℃，可以滿足重質油

熱采時的溫度場測量的要求。

4 結 語

分布式光纖測溫系統作為一種目前正在興起的測溫領域的新技術，優勢十分明顯，不但在高尖領域得到應用，而且在傳統的工業領域被迅速推廣。該系統特別適用于對大面積、多點的連續實時性的溫度場測量要求，完全可以憑借其獨特的材料及形態上的優點去取代大部分傳統的測溫系統。目前，我國石油行業對于分布式光纖測溫系統的使用和研發正處于起步階段，但可預知，隨著制作技術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采等領域中得到更為廣泛的應用［4］。

參考文獻

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［3］史曉鋒,李錚,蔡志權.分布式光纖測溫系統及其測溫精度分析、公式推導［J］.測控技術,2002,21(1):48-52.

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作者簡介 葛 亮 男,1985年出生，西南石油大學研究生。主要從事傳感器和單片機數據采集技術研究。

胡 澤 男,1966年出生，西南石油大學電信學院副院長,博士,教授。主要從事電子信息和井下測試技術研究。

李俊蘭 女,西南石油大學研究生。主要從事傳感器和現代控制理論方面研究。