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基于分布式光纖的油井溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計

作者: 時間:2009-05-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘 要:測溫覆一種用于實時空間分布的新興技術(shù),由于它在分布式溫度上的獨特之處,該技術(shù)在油井有很好的應(yīng)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測溫系統(tǒng)原理,接著介紹了測溫系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了實驗系統(tǒng)。實驗證明所得結(jié)論是正確的,方法是可行有效的。
關(guān)鍵詞:分布式光纖;測量;喇曼散射;LabVIEW

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/195847.htm


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(shù),準(zhǔn)確的井下溫度測量對于地質(zhì)資料解釋和油井監(jiān)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(jiān)測井下溫度場變化情況。在傳統(tǒng)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(huán)境將對測試儀器產(chǎn)生很大的影響,容易造成測試誤差,且對于溫度場的測量有很多不足。而現(xiàn)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(huán)境等優(yōu)點,可以獲取整個光纖分布區(qū)域的溫度場信息。目前分布式光纖溫度傳感器已實現(xiàn)井下溫度場等參數(shù)的測量,在重質(zhì)油熱采過程中溫度場的測量具有廣闊的應(yīng)用前景。


1 分布式光纖溫度傳感器原理
1.1 分布式測量的原理
分布式溫度傳感器借助光時域后向散射(ODTR)技術(shù)實現(xiàn)分布式測量。當(dāng)光脈沖從O點注入光纖,并在光纖中傳播時會產(chǎn)生散射。經(jīng)過一段時間,后向散射光返回到O點。設(shè)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(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)射到接收所用的時間。
由式(1)可知,不同時刻的回波對應(yīng)于不同距離點產(chǎn)生的散射,根據(jù)測量不同時間的回波來實現(xiàn)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(dāng)波長為λ0。的激光注入光纖時,它在光纖中向前傳輸?shù)耐瑫r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)波長為λs=λ0+Δλ的譜線稱為斯托克斯線(Stokes);高頻一側(cè)波長為λa=λ0-Δλ的譜線稱為反斯托克斯線(Anti―Stokes)。由實驗可以發(fā)現(xiàn),反斯托克斯散射光對溫度敏感,其強度受溫度調(diào)制,而斯托克斯散射光基本上與溫度無關(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(shù);c為真空中光速;k為波爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;Δγ為偏移波數(shù)。
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(diào)出散射區(qū)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(jié)合,就可以實現(xiàn)基于后向拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)。
1.3 測溫算法實現(xiàn)
對于式(2),對其兩邊同時取對數(shù)函數(shù),有:


通過變換可以得到:


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(jìn)行標(biāo)定,通過標(biāo)定可以得知:


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


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