基于拉曼散射的分布式光纖傳感測溫系統(tǒng)研究及應(yīng)用

何巍巍，劉艷玲，李 軍，張 巍，王 磊

(1大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 2大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司)

近年來隨著油田開發(fā)手段的進(jìn)步，出現(xiàn)了新的能源及新型的驅(qū)油方式，傳統(tǒng)的測井方法在特殊的環(huán)境下存在著局限性滿足不了油田動態(tài)監(jiān)測的需求。在氣井、蒸汽驅(qū)井、水平井等特殊井中，溫度監(jiān)測面臨困難。在壓裂等施工工藝中，監(jiān)測及效果評價都存在困難。光纖傳感技術(shù)是上世紀(jì)70年代隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型傳感技術(shù)，作為其中的一個分支領(lǐng)域，分布式光纖測溫傳感系統(tǒng)(以下簡稱DTS)可以對空間溫度場分布進(jìn)行實(shí)時測量。在系統(tǒng)中，光纖既是傳感器，也是數(shù)據(jù)傳輸媒介。當(dāng)激光在光纖中傳輸時，通過測量后向拉曼散射的溫度效應(yīng)，可以了解采集光纖所在的溫度場變化，同時利用光時域反射技術(shù)可以準(zhǔn)確定位測量點(diǎn)。DTS利用一根光纖就可以實(shí)現(xiàn)井下的分布式溫度測量，布線簡單，可以在井下惡劣環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時的分布式溫度剖面監(jiān)測，在油田開發(fā)中具有非常廣闊的前景[1-3]。

本文研制了一種適用于油田的分布式光纖測溫系統(tǒng)，搭建了分布式光纖地面解調(diào)樣機(jī)，對光路的穩(wěn)定性進(jìn)行了測試，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)給出測溫系統(tǒng)的標(biāo)定曲線，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對光纖的感溫特性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，分布式光纖測溫系統(tǒng)對溫度有很好的線性響應(yīng)，測溫結(jié)果穩(wěn)定性好。將分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用于油田井下現(xiàn)場試驗(yàn)，用于溫度剖面的測量，可以實(shí)時反映井下溫度變化情況。

一、分布式光纖測溫原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)光通過介質(zhì)時，偏離入射方向而向四周傳播，這種現(xiàn)象稱為光的散射。光的后向散射光譜如圖1。目前應(yīng)用于油田的分布式光纖傳感技術(shù)主要分為基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)以及基于布利淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)[4-5]。其中由于拉曼散射的只與溫度相關(guān)，在溫度測量上基于拉曼散射的光纖測溫系統(tǒng)又更常見。

圖1 后向散射光分析

實(shí)驗(yàn)的光路圖如圖2所示。系統(tǒng)運(yùn)行時，電源控制模塊驅(qū)動脈沖激光器產(chǎn)生穩(wěn)定的、固定波長的、脈沖寬度可調(diào)的光脈沖信號。光脈沖耦合進(jìn)入測溫光纖，在測溫光纖內(nèi)傳輸時發(fā)生拉曼散射，其中后向拉曼散射光沿著光路返回到光耦合器。拉曼散射包含兩種頻率的光——斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光，二者頻率分別分布在入射光頻率兩側(cè)。通過光濾波器分離出帶有溫度信息的Anti-Stokes光以及作為參考信息的Stokes散射光，并分別通過雪崩光電二極管(APD)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。光信號轉(zhuǎn)換成電信號后，由于電信號十分微弱，必須利用放大電路對信號進(jìn)行放大，放大后的電信號由高速數(shù)據(jù)采集電路采集，經(jīng)上位機(jī)軟件計(jì)算出溫度值；發(fā)生散射的深度點(diǎn)能夠通過光時域反射技術(shù)確定，由此便可以將光纖的各個深度點(diǎn)與該點(diǎn)的溫度值相對應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度的分布式測量。

圖2 分布式光纖測溫系統(tǒng)光路圖

1. 光源發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光源系統(tǒng)控制激光器產(chǎn)生固定波長的光脈沖信號，生成的光脈沖信號進(jìn)入光纖，通過檢測后向拉曼散射光強(qiáng)度，獲取光纖溫度信息[6]。整個光源中最重要的器件就是激光器，產(chǎn)生的光脈沖信號的波長必須是穩(wěn)定的，選擇激光器時一定要注意峰值工作波長、溫度漂移、輸出功率等特性值。由于激光器產(chǎn)生光脈沖的波長隨激光器的溫度變化存在一定的漂移，所以必須設(shè)計(jì)溫度控制電路，保證激光器工作溫度穩(wěn)定[7]。

圖 3 光源發(fā)生系統(tǒng)

光源發(fā)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的信號通過光脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生光脈沖驅(qū)動信號，該信號驅(qū)動激光器產(chǎn)生穩(wěn)定波長的光脈沖。此過程需要溫度控制電路控制激光器處于恒溫狀態(tài)，保證光脈沖的質(zhì)量。為提高光纖后向散射光強(qiáng)度，激光器產(chǎn)生的光脈沖信號經(jīng)過摻鉺光纖放大器進(jìn)行放大。光源系統(tǒng)控制電路以單片機(jī)為微控單元與主處理器通信，實(shí)現(xiàn)對光脈沖驅(qū)動電路與溫度控制電路的控制[8]。

2. 光電接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DTS系統(tǒng)光纖中的后向散射光由多種光構(gòu)成，而系統(tǒng)只處理其中的Anti-Stokes光與Stokes光。由光濾波器分離出Anti-Stokes與Stokes光信號，然后將光信號轉(zhuǎn)換成電信號才能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。光電轉(zhuǎn)換過程需要偏置高壓條件，且光電轉(zhuǎn)換元件受溫度影響，必須保持工作溫度穩(wěn)定。轉(zhuǎn)換后的電信號非常微弱，難以處理，必須將電信號放大，這一系列的功能由光接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。放大后的電信號被采集后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與溫度解調(diào)，可提取光纖中的溫度信息[9]。

光接收系統(tǒng)如下圖4所示，Anti-Stokes光濾波器與與Stokes光濾波器分別從后向散射光中分離出Anti-Stokes光信號與Stokes光信號。光電轉(zhuǎn)換與信號放大電路將Anti-Stokes光信號與Stokes光信號轉(zhuǎn)換成Anti-Stokes電信號與Stokes電信號，并將信號強(qiáng)度放大。光電轉(zhuǎn)換過程由高壓偏置電路提供偏置電壓，并由溫度控制電路保證光電轉(zhuǎn)換元件工作于恒溫狀態(tài)。轉(zhuǎn)換后的電信號被采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，減少數(shù)據(jù)中的噪聲干擾[10]。

圖 4 光電接收系統(tǒng)

3. 數(shù)據(jù)采集及處理模塊設(shè)計(jì)

DTS數(shù)據(jù)采集及處理模塊根據(jù)功能的不同可分為以下幾個部分：信號調(diào)理電路、ADC、FPGA、ARM、時鐘、以太網(wǎng)接口、電源、對外接口、其他電路，如圖5、圖6所示。FPGA信號處理鏈路：主要包含數(shù)據(jù)采集、緩存、求平均處理、及數(shù)據(jù)合路。數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集模塊接受上位機(jī)指令，根據(jù)上位指令要求可選擇采集率。兩路12位數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA后封裝成16位數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入緩存模塊進(jìn)行緩存。數(shù)據(jù)緩存：采用FPGA內(nèi)部RAM塊生成同步FIFO，用于緩存高速數(shù)據(jù)流。求平均處理：將高速數(shù)據(jù)流先作相鄰點(diǎn)平均，然后一幀數(shù)據(jù)作幀內(nèi)數(shù)據(jù)疊加并求取平均值。數(shù)據(jù)合路：將兩幀數(shù)據(jù)合成一幀，發(fā)送給ARM。將收到數(shù)據(jù)按以太網(wǎng)包格式，通過TCP協(xié)議輸出給上位機(jī)進(jìn)行顯示及處理。

圖 5 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

圖6 數(shù)據(jù)處理流程

二、分布式光纖傳感系統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在恒溫槽中對總長為2 km的裸光纖進(jìn)行了室內(nèi)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分兩部分進(jìn)行，第一部分驗(yàn)證了光纖測溫系統(tǒng)對于溫度響應(yīng)的線性特性；第二部分探測光纖測溫系統(tǒng)的測量上限、靈敏度。實(shí)驗(yàn)過程中將光源附近的100 m光纖放置于井溫儀校準(zhǔn)恒溫槽中，將這段光纖的測量數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)，對基于拉曼散射的光纖感溫特性進(jìn)行標(biāo)定[11]。

1. 響應(yīng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)

第一部分對光纖隨溫度變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以室溫為測溫起點(diǎn)，測量室溫到80℃范圍內(nèi)儀器的響應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過程中每5℃選取一溫度點(diǎn)，每個溫度點(diǎn)穩(wěn)定10 min選取兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行測量。從圖7中可以看出光纖對于溫度的響應(yīng)在室溫到80℃內(nèi)具有很好的線性規(guī)律。

2. 測溫上限及靈敏度探測

第二部分對光纖溫度響應(yīng)的測量上限進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量室溫到150℃儀器響應(yīng)規(guī)律，每隔5℃選取一溫度點(diǎn)，同時隨機(jī)選取溫度點(diǎn)對光纖測溫的靈敏度及實(shí)時性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖8和圖9分別為室溫到150℃的光纖溫度響應(yīng)標(biāo)定圖版及相應(yīng)的誤差分析圖版。

圖7 室溫到80℃標(biāo)定圖版

圖8 室溫到150℃標(biāo)定圖版

圖9 室溫到150℃誤差分析圖版

實(shí)驗(yàn)表明，光纖在室溫到150 ℃內(nèi)對溫度仍有很好的線性響應(yīng)規(guī)律，在標(biāo)定范圍100 m內(nèi)數(shù)據(jù)波動小、測量相對誤差在±1%以內(nèi)。在0.5 ℃的間隔內(nèi)系統(tǒng)輸出有很好的響應(yīng)，溫度分辨率可以達(dá)到0.5 ℃。隨機(jī)抽取測量點(diǎn)儀器響應(yīng)滿足線性規(guī)律，證明利用光纖對溫度進(jìn)行監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時性。

三、現(xiàn)場試驗(yàn)

為了了解分布式光纖測溫系統(tǒng)在現(xiàn)場試驗(yàn)中的可行性，對大慶油田某水井進(jìn)行溫度剖面監(jiān)測，測量結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出隨著測井深度的增加，溫度逐漸升高，經(jīng)計(jì)算地溫梯度為3.1 ℃與大慶該地區(qū)地溫梯度理論值(3 ℃～3.5 ℃)相符。利用分布式光纖溫度測量系統(tǒng)進(jìn)行井下溫度剖面的測量，可以真實(shí)的反映井下溫度的變化情況。

圖11是利用研制的分布式光纖測溫系統(tǒng)對大慶油田某油井洗井過程進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果。該井為一口正常生產(chǎn)采油井，油壓0.67 MPa，日產(chǎn)液3.3 m3。洗井時，熱洗液由偏心井口注入井中，熱洗液溫度為100 ℃。隨著熱洗液的注入，井口監(jiān)測顯示溫度快速上升，在曲線也有相應(yīng)顯示，有峰值出現(xiàn)。熱洗后15 min左右井口溫度到達(dá)最高點(diǎn)，曲線峰值也隨之達(dá)到最高值；熱洗過程中熱洗液將溫度從井口向下傳播，曲線出現(xiàn)平穩(wěn)段，在井口形成一個逐漸加長的臺階。從曲線可以看出，熱洗中途換車時井內(nèi)溫度有一個短暫的下降過程，二次熱洗時溫度傳遞要快于第一次。熱洗45 min后，溫度傳遞變慢，洗井效率變低。

圖10 分布式光纖測溫曲線

圖11 熱洗過程中溫度監(jiān)測

分布式光纖溫度監(jiān)測曲線可以真實(shí)的將熱洗過程中溫度的傳遞反映出來。此次洗井以蠟熔點(diǎn)65 ℃為基準(zhǔn)，有效洗井深度為井口往下120 m左右。由于熱洗過程沒有密閉，且熱洗液供應(yīng)不足，溫度達(dá)到一定深度后傳遞變慢，不再向下傳遞，300 m以后溫度曲線顯示熱洗液未波及到。

四、結(jié)論

(1)在室溫到150℃內(nèi)，分布式光纖系統(tǒng)對于溫度的響應(yīng)具有很好的線性規(guī)律。

(2)分布式光纖測溫系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出穩(wěn)定，溫度分辨率可以達(dá)到0.5℃。

(3)分布式光纖測溫系統(tǒng)連接光纜下入井下，可以給出井下溫度隨深度變化的曲線，反映油水井的實(shí)時工作狀態(tài)。

(4)分布式測溫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對水平井、熱采井、注汽井、無測井通道井等常規(guī)測井技術(shù)無法施工的井進(jìn)行實(shí)時溫度監(jiān)測。隨著未來測井成本的降低，分布式光纖傳感技術(shù)將取代常規(guī)溫度測井，并進(jìn)一步拓展監(jiān)測功能及應(yīng)用范圍，為油田開發(fā)提供更為科學(xué)的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。