光纖傳感技術實時監測管道彎曲的理論分析

王春雨

(山東建筑大學 山東 濟南 250101)

一、前言

伴隨著我國經濟的迅速發展，資源是大國必須擁有的產業，這關系到民生之命脈，科技的發展推動著整個社會的進步，石油資源的開采不斷進行，開采技術也在發展，但全球范圍內的石油產業安全事故時有發生并且給當地造成非常大的經濟損失，在石油開采中，套管是用在鉆井過程中保證鉆井和完井后整個油井正常運行的在油井、氣井井壁的鋼管[1]。套損現象危害之大是因為影響了油田井的穩定性，由于長時間的開采后油井會出現套損的現象，這對正常的開采會在成十分不利的影響。管道問題的出現會受地質環境影響油井進入高含水期之后會不斷增多套損井，這最大的關系就是地層水和注入水流的增快，在斷層地帶出現膠結物質水化現象，使地層不再穩定。也可能會受工程開發原因等等，主要是油井開發后期油層埋藏淺膠結變質不穩固，改變了受力情況，這都會造成管道損壞導致安全問題經濟問題環境問題[2]。隨著開采總量不斷增加，石油管道出現問題導致的問題井的數量也在不斷增加，也更能看出管道治理的重要意義。

傳感技術的提升也正是科技進步推動了石油開采過程的更安全，分布式光纖傳感技術能夠建立整個管道的應變監測來實現長期有效的安全管理和監控油氣井。管道的損壞導致的問題井是不容忽視的，通過先進傳感技術的監控管道損壞過程，能夠對井下管道情況進行準確地反映，以此來有效地治理管道問題。光纖傳感技術近年來不斷發展，可以在應變、溫度、振動、位移及各種變量的探測方面有著很好的性能。光纖傳感技術只用一根光纖在整個區域內實現各個參數的探測，這項技術之中，光纖作為感知的器件也同樣作為信號傳輸的器件，光纖細小，長度可以突破傳統傳感器件的長度極限，光波的傳輸會因為它的載體——光纖受到的力、熱等因素而產生應變和溫度的變化[3]。正因為光纖傳感技術的優點能夠很好的契合各類管道問題的外部表現，能夠實現很好的第一時間監測到故障信息，防患于未然提前做好安全防護準備。光纖由于材質選擇而擁有著質量輕和體積小的特征，能夠很靈敏的測到各類物理參量并且傳感信息沒有電線不受電磁影響，最主要的原因便是分布式或者準分布式的測量能夠使得整個管道鏈路有全面的監測。正是基于上述優點，科研人員們開始了關于各個領域的光纖傳感技術的研究與應用，光纖光柵傳感器、光時域反射儀(OTDR)、布里淵光時域分析儀(BOTDA)等技術的得到了發展并得到了更進一步的應用[4]。本文中針對實現對管道的實時監測和提前治理，以及建立井下套管應力應變監測系統，進行了綜述性分析。

二、分布式光纖傳感技術及其中的布里淵光時域分析技術

分布式光纖傳感技術是近二三十年來發展起來的新型傳感技術，其基本原理為利用光纖同時感知和傳輸信號。采用此技術，可以探測出長達幾十公里的光纖不同地點的溫度和應變等物理量。它具有其他光纖傳感器不可比擬的優勢。其主要應用領域有：電力行業、水利土木建筑行業、石油天然氣行業。分布式傳感器按傳感原理分為散射型、波長掃描型和干涉型。其中散射型是最具應用價值的一種。因為嚴格的講，以光纖布拉格光柵級聯或者網狀分布的傳感器，是準分布式傳感器[5],而光纖分布式傳感技術即散射型傳感技術，包括瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射分布式光纖傳感技術。

布里淵散射現象是萊昂·布里淵發現的光纖中的一種非線性現象。非線性光學是研究光的與介質相互作用的一個光學分支。任何高強度的電磁場都會和電介質發生作用而使光變的非線性，光纖也不例外。非線性效應在電介質里，如光纖是源于外在電場影響下的束縛電子的非簡諧運動。布里淵散射的基本原理是在介質中由聲子和光子的非線性效應產生相關的非線性散射，自發布里淵散射是入射光子能量變低而反向傳輸的散射光子和聲子會是自發進行的；受激布里淵散射是入射光達到一定閾值就會產生受激效應，出現入射光大部分能量轉為后向傳輸的散射波，導致了后向散射波被非線性放大[6]。

布里淵光時域分析技術最主要的特征是在光纖中讓兩束光反向傳播，分別把這兩束光稱為：脈沖光和連續光。這項技術實現最根本上是利用了布里淵受激放大的特殊性能，換句話說，這是兩束超窄線寬激光存在著頻率差導致，頻率差如果等于布里淵頻移的時候，相對弱的連續光信號能夠被強的脈沖光實現光放大，這也就是受激布里淵放大的過程。在具體的傳感技術的實現過程中，某一段光纖發生了應變，能夠引起這一段部位的布里淵散射信號衰減得十分劇烈，原因就是這一段部位有由于應變而產生的布里淵頻移的頻率變化。在傳感過程中能夠通過調諧入射的兩束光的頻率差與布里淵頻移相等，就接收到了在這一段光纖的布里淵散射信號，其測試原理如圖1所示[7]。

圖1 BOTDA系統一般性結構原理框圖

BOTDA和BOTDR相比有著更精準的更大范圍的測量能力，主要的原因就是使用兩束光方向相反傳輸增強了整個光纖鏈路中的布里淵散射，也自然擁有著更強的信號強度。性能優勢的體現是在窄線寬脈沖光的泵浦和連續激光的探測這都使得BOTDA能夠得到更高精度頻率得分辨率，并且通常是將一個光濾波器放在接收機之前使用提高了布里淵散射信號的功率與瑞利信號的功率之比。但優勢體現的同時，BOTDA的系統中相比于BOTDR，該系統使用了兩條相對方向的光路，也就由于光學器件的增多導致成本增加。

三、布里淵光時域分析技術在管道彎曲實時監測的應用

通過對基于布里淵光時域分析技術的分布式光纖傳感技術原理的分析，科研人員將BOTDA與BOTDR的技術進步體現在各項性能指標與參數上，目的是更好的實現其真正意義上的進步。例如對混凝土結構開裂的檢測控制中，早期的BOTDA與BOTDR系統由于空間分辨率僅為1m，無法滿足實際應用中工程項目的監測，時至今日，厘米量級靈敏度的分布式系統已經研究出來，并且測試距離也逐漸實現技術進步，可以達到100公里。與布拉格光柵(FBG)測試技術的專業復雜加工封裝對比來看，BOTDA與BOTDR有著最大的優勢，即傳輸即傳感[8]。

BOTDA與BOTDR系統，也就是布里淵光纖分布式傳感系統基于光時域分析法，考查這類系統最主要的性能指標就是空間和應力的分辨率，這取決于脈沖的半寬度，半寬度以內不能分辨物理參量，如應力和溫度。這類分辨率的提升與脈沖寬度、信噪比和增益譜線寬度息息相關，這類研究近些年有著很高的熱度，原因在于降低了短脈沖探測信號改善了空間分辨率，而與此同時卻又因為降低脈沖寬度而達到了桄子壽命以下造成了布里淵光譜展寬到了類高斯狀，降低了精度。所以這類研究的目的更是在于改進應力傳感系統的空間分辨率和應力精度[9]。

加拿大渥太華大學的研究小組提出了一種基于直流和脈沖結合的探測光，研究人員選擇在控制不降低應力精度的前提下，將整個傳感系統的空間分辨率提高到了厘米級[10]。研究人員選擇的傳感系統正是有著這樣的優勢，這類理論與實驗的結合能夠更好的驗證理論能夠被應用。布里淵光時域分析技術中，泵浦光為連續光，探測光中含有短脈沖，兩束光從光纖兩端被注入，泵浦光和探測光將會產生相互作用。這類相互作用即上文提到的布里淵散射，所得到的布里淵光譜可以分成兩個部分，首先是代表探測光中的直流分量與泵浦光相互作用的頂部類洛倫茲部分；其次是代表探測光中的脈沖光與泵浦光的相互作用的底部類高斯部分。

探測光中的脈沖光、直流分量分別與泵浦光的作用強度之比(也就是類洛倫茲和類高斯功率之比)，以及類高斯線寬可以分別表示為探測光的消光比和脈沖寬度來控制。光譜的類高斯部分是在半脈沖長度內做空間相關所得，它能夠提供局部應力信息，與此同時而類洛倫茲部分含有精確(由于其窄線寬)但非局部(對整根光纖做空間相關)的應力信息。當然也存在著消光比有限的情況，光譜的類洛倫茲代表的相互作用如下，脈沖寬度外的直流光-泵浦光作用與脈沖寬度內直流-泵浦光作用部分和脈沖-泵浦光作用的總和[10]。上述提到的這兩部分，第一部分提供了整根光纖的信息，與位置無關。第二部分提供了光纖局部受力信息，與位置有關。所以布里淵光譜的類洛倫茲部分是光纖沿線位置的函數。要得出厘米級的高空間分辨率，需要分兩步進行：第一步，先求得類洛倫茲部分的變化沿光纖縱向位置的函數，找到發生最大變化的位置，提取出光纖所受應力的空間信息，估算應力大?。坏诙剑缓髲那蟪龅穆鍌惼澓瘮抵星蟮寐鍌惼澐逯?，從而提取出受力部位的精確應力[11]。

管道在石油運輸中有著不可或缺的地位，相比于其他交通運輸工具來說，管道因為低廉的成本、更高的安全性、穩定的供給過程以及巨大的運輸量等等優點，從而成為了長距離運輸情況的天然氣和石油資源的選擇。國家發展靠資源，資源穩定科技進步，這時時刻刻影響著社會和國民經濟的進步，對于管道問題的妥善解決和防患于未然的措施，是很多科研人員研究的著力點，攻克各類技術難題，實現管道運輸安全性的更高更強。當前安全監測技術不斷發展，傳統選擇的方法是電測式傳感器，流量平衡法、超聲波法、渦流監測法和實時模擬法等等都在油氣井中使用，但也普遍存在著各類缺點，如監測距離短、實時性差、靈敏度問題和誤差大等等，而本文提到的分布式光纖傳感器在這類缺點中得到了優勢的體現，能夠很好的應用在油氣管道中，在線監測以及大范圍、長距離這些需求都能輕易實現，所以著眼于對基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術中的BOTDA和BOTDR的應用，將會是目前解決管道問題提升的好方法[12]。而在具體的操作中應該首先要考慮的是如何將光纖與油氣管道合為一，只有選取合適的鋪設方式才能提供有效的監測信息。這將在下一步工作中逐步展開并實施應用。

四、結論

基于BOTDA的光纖分布式傳感器在民用建筑結構安全監測、大型工業設備、水利水電設施，航空航天及軍事等領域內的應用有著極其廣闊應用前景。國內外研究機構都對該傳感技術的實用化，商用化做出了大量的研究。并且都取得了飛速的進步與發展。深埋地下的管道在長期服役過程中易受損，并且損傷的隨機性和滯后性會帶來不小經濟損失的問題，提出了基于分布式的光纖傳感技術中的BOTDA系統，對管道彎曲應變的在線監測方法。因此利用BOTDA系統來搭建管道彎曲的監測系統，這既可以為油井管柱設計提供依據，又能夠保障油田正常生產運轉。基于BOTDA的分布式光纖傳感器未來的研究方向應該是，快速測量，動態測量與多參量傳感，并且有著低系統復雜度，高系統可靠性。相信在國內外研究人員的不懈努力下，一定會得到更好的發展。