分布式光纖連續測溫技術的研究與應用

摘 要：隨著光纖技術的不斷發展，光纖技術的應用領域也在不斷擴大，而目前作為最成熟穩定的光纖測溫技術基本已在電力安全領域開始應用。光纖測溫作為一種新型無源測溫技術，與傳統的測溫技術相比，具有不可比擬的優勢和特點。它不受外界磁場干擾、無電傳感、化學性能穩定、傳輸距離遠、可用于對外界參量的絕對測量，這種特性在傳感器領域中引起了革命。開展的套管內光纖連續測溫技術，實現了利用光纖對井筒內溫度的實時連續在線監測，真實反映了井筒內溫度分布情況，準確的井溫資料為與溫度參數相關的分析研究提供了重要依據。

關鍵詞：分布式光纖；連續測溫；應用

1 拉曼散射光纖測溫技術原理

1.1 光纖測溫的基本原理

當光波傳輸通過光纖光柵時，滿足布喇格條件的光波將被反射回來，這樣入射光就分成透射光和反射光。光纖光柵的反射波長或透射波長取決于反向耦合模的有效折射率和光柵周期，任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵布喇格波長的漂移，測量此漂移量就可直接或間接地感知外界物理量的變化。

光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導，光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調制后，即成為光柵。光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的窄帶光刺中心波長為布喇格波長。

1.2 分布式光纖測溫系統

分布式線型光纖溫度監測系統是一種用于實時測量空間溫度場的傳感系統，在系統中光纖既是傳輸媒體也是傳感媒體。利用光纖的喇曼光譜效應，光纖所處空間各點溫度場調制了光纖中傳輸的光載波，經解調后實時地顯示光纖所在空間的溫度值（類似于光通信系統）；利用光時域反射（OTDR）技術，由光纖中的光傳播速度和背向光回波時間，能對所測各溫度點定位（類似于光雷達系統）。

2 光纖性能測試

2.1 抗壓強度試驗

試驗選用的是多模石英系材質拉曼光纖，取3根長度300mm的試樣，放在壓力裝置上進行檢測，壓力達到某一值保持10min，試驗后試樣的光纖及其它組件無結構性破壞。

2.2 抗拉強度試驗

取3根長度300mm的試樣，放在拉力裝置上進行檢測，拉力達到某一值保持10min，試驗后試樣的光纖及其它組件無結構性破壞，因此現場試驗選用耐高溫型鎧裝光纜。

2.3 高低溫試驗

把試樣放在智能溫控儀中，光纖按圖中溫度及時間進行高低溫試驗，試驗后試樣仍留在裝置中3小時，等到與室溫相同時，查看實驗樣品，而表面沒有變形且整體結構沒有遭到破壞，因此，光纖的工作溫度能夠達到零下40度到零上120度之間，滿足實際應用要求。

3 現場試驗

在X油田A井下入拉曼光纖，該井日產液量18t/d，含水96.7%，泵深815.17米，光纖下入長度928.9米。

從不同日期測得的正常生產井溫來看，光纖測溫穩定性比較好，井筒內溫度在26-46.5℃。從同一日期不同時間測得的正常生產井溫來看，光纖測溫重復性比較好。

3.1 水泥車熱洗溫度監測結果

11月13日進行了水泥車熱洗溫度監測。9時6分開始進行熱水洗井，提高溫度，洗井溫度介質平均溫度85度左右，熱水從套管慢慢流入油套環形空間，井口平均注入壓力3MPa。熱洗開始后，井筒內溫度隨時間增加而上升。測得各階段溫度分布曲線如圖3所示。

3.2 高壓蒸汽熱洗溫度監測效果

11月10日進行了高壓蒸汽熱洗溫度監測實驗。9時15分開始熱洗，高溫熱水從套管慢慢流入油套環形空間，熱水溫度維持90℃以上，用水24m3，隨熱洗時間的推移，井筒內各節點溫度開始上升，井筒內各節點溫度達到一定數值后趨于平穩狀態。測得各階段溫度分布曲線如圖4所示現場監測得到了隨熱洗時間變化的溫度分布曲線，溫度測試精度達到±0.1℃，空間分辨率達到0.5m。

4 結束語

（1）分布式光纖連續測溫技術，相對于傳統監測手段取得了重大技術突破。

（2）拉曼光纖測溫技術性能穩定，可以連續監測正常生產時井筒內溫度分布情況，可在錄取測井資料的同時隨時了解井溫情況。

（3）能夠滿足不同方式熱洗過程中實時監測井筒溫度變化的要求。

參考文獻

[1]張萬成.分布式光纖溫度傳感器的系統設計及關鍵技術[J].電子工藝技術，2008，7：231-234.

[2]姚善化.光纖拉曼散射效應在傳感和通信技術中的應用[J].光電子技術與信息，2003，4：24-27.

作者簡介：丁玉柱，男，成人大學，1997年畢業于大慶石油學院石油工程專業，現從事設備管理工作。