基于分布式光纖的油井溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

各部分的功能如下：脈沖激光器的主要作用是為系統(tǒng)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(qiáng)度；光纖耦合器將光信號按照設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換成相應(yīng)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(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)采集與處理電路主要完成對光信號的A／D轉(zhuǎn)換及信號的相關(guān)處理；計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示處理，并與數(shù)據(jù)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℃)。
溫度場測量系統(tǒng)的工作過程如下：在計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)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)油溫度場中。在傳感光纖中傳播的光脈沖，其傳播過程中各點(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)過光纖傳輸通道進(jìn)入定向耦合器耦合到接收通道。通過光學(xué)濾波后，濾掉能量相對較強(qiáng)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(zhuǎn)換。再經(jīng)過放大后，送到數(shù)據(jù)采集與處理電路進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換及信號的相關(guān)處理，并將處理后的信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理和顯示。
2．2 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據(jù)采集與處理端軟件和計(jì)算機(jī)端軟件。其中，數(shù)據(jù)采集與處理端軟件主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的計(jì)算機(jī)端軟件采用的是NI公司的LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)溫度場測試系統(tǒng)的控制、系統(tǒng)設(shè)置及溫度場分布圖顯示等功能，軟件界面如圖2所示。

3 溫度場測量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
根據(jù)結(jié)構(gòu)框圖1構(gòu)建測量系統(tǒng)，脈沖光源選用國產(chǎn)大光腔大功率半導(dǎo)體激光器，入纖峰值功率達(dá)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(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(yùn)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(diǎn)式繞組溫度傳感器組成；數(shù)據(jù)采集電路的A/D轉(zhuǎn)換器采用高速8位A/D轉(zhuǎn)換器AD9048來實(shí)現(xiàn)，最高采樣速率為35MSPS。
將自行設(shè)計(jì)的溫度場測量系統(tǒng)進(jìn)行溫度標(biāo)定后，在對重質(zhì)油熱采時的溫度場進(jìn)行時，將光纖分布在隔熱管內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)長度約為1 400 m的溫度場測量。經(jīng)過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法獨(dú)特，系統(tǒng)的空間分辨率達(dá)到了1 m，測溫精度達(dá)到了O.5℃，可以滿足重質(zhì)油熱采時的溫度場測量的要求。

4 結(jié) 語
分布式光纖測溫系統(tǒng)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(yīng)用，而且在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域被迅速推廣。該系統(tǒng)特別適用于對大面積、多點(diǎn)的連續(xù)實(shí)時性的溫度場測量要求，完全可以憑借其獨(dú)特的材料及形態(tài)上的優(yōu)點(diǎn)去取代大部分傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)。目前，我國石油行業(yè)對于分布式光纖測溫系統(tǒng)的使用和研發(fā)正處于起步階段，但可預(yù)知，隨著制作技術(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(tǒng)必將在石油開采等領(lǐng)域中得到更為廣泛的應(yīng)用。