分布式光纖連續(xù)測(cè)溫技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘 要：隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，而目前作為最成熟穩(wěn)定的光纖測(cè)溫技術(shù)基本已在電力安全領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用。光纖測(cè)溫作為一種新型無(wú)源測(cè)溫技術(shù)，與傳統(tǒng)的測(cè)溫技術(shù)相比，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。它不受外界磁場(chǎng)干擾、無(wú)電傳感、化學(xué)性能穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)、可用于對(duì)外界參量的絕對(duì)測(cè)量，這種特性在傳感器領(lǐng)域中引起了革命。開(kāi)展的套管內(nèi)光纖連續(xù)測(cè)溫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了利用光纖對(duì)井筒內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，真實(shí)反映了井筒內(nèi)溫度分布情況，準(zhǔn)確的井溫資料為與溫度參數(shù)相關(guān)的分析研究提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：分布式光纖；連續(xù)測(cè)溫；應(yīng)用

1 拉曼散射光纖測(cè)溫技術(shù)原理

1.1 光纖測(cè)溫的基本原理

當(dāng)光波傳輸通過(guò)光纖光柵時(shí)，滿(mǎn)足布喇格條件的光波將被反射回來(lái)，這樣入射光就分成透射光和反射光。光纖光柵的反射波長(zhǎng)或透射波長(zhǎng)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(gè)參量發(fā)生改變的物理過(guò)程都將引起光柵布喇格波長(zhǎng)的漂移，測(cè)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(guò)對(duì)芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當(dāng)芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為光柵。光柵會(huì)對(duì)入射的寬帶光進(jìn)行選擇性反射，反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光刺中心波長(zhǎng)為布喇格波長(zhǎng)。

1.2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)

分布式線型光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)的傳感系統(tǒng)，在系統(tǒng)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(yīng)，光纖所處空間各點(diǎn)溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖中傳輸?shù)墓廨d波，經(jīng)解調(diào)后實(shí)時(shí)地顯示光纖所在空間的溫度值（類(lèi)似于光通信系統(tǒng)）；利用光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)，由光纖中的光傳播速度和背向光回波時(shí)間，能對(duì)所測(cè)各溫度點(diǎn)定位（類(lèi)似于光雷達(dá)系統(tǒng)）。

2 光纖性能測(cè)試

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)選用的是多模石英系材質(zhì)拉曼光纖，取3根長(zhǎng)度300mm的試樣，放在壓力裝置上進(jìn)行檢測(cè)，壓力達(dá)到某一值保持10min，試驗(yàn)后試樣的光纖及其它組件無(wú)結(jié)構(gòu)性破壞。

2.2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

取3根長(zhǎng)度300mm的試樣，放在拉力裝置上進(jìn)行檢測(cè)，拉力達(dá)到某一值保持10min，試驗(yàn)后試樣的光纖及其它組件無(wú)結(jié)構(gòu)性破壞，因此現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用耐高溫型鎧裝光纜。

2.3 高低溫試驗(yàn)

把試樣放在智能溫控儀中，光纖按圖中溫度及時(shí)間進(jìn)行高低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)后試樣仍留在裝置中3小時(shí)，等到與室溫相同時(shí)，查看實(shí)驗(yàn)樣品，而表面沒(méi)有變形且整體結(jié)構(gòu)沒(méi)有遭到破壞，因此，光纖的工作溫度能夠達(dá)到零下40度到零上120度之間，滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

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

從不同日期測(cè)得的正常生產(chǎn)井溫來(lái)看，光纖測(cè)溫穩(wěn)定性比較好，井筒內(nèi)溫度在26-46.5℃。從同一日期不同時(shí)間測(cè)得的正常生產(chǎn)井溫來(lái)看，光纖測(cè)溫重復(fù)性比較好。

3.1 水泥車(chē)熱洗溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果

11月13日進(jìn)行了水泥車(chē)熱洗溫度監(jiān)測(cè)。9時(shí)6分開(kāi)始進(jìn)行熱水洗井，提高溫度，洗井溫度介質(zhì)平均溫度85度左右，熱水從套管慢慢流入油套環(huán)形空間，井口平均注入壓力3MPa。熱洗開(kāi)始后，井筒內(nèi)溫度隨時(shí)間增加而上升。測(cè)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(jiān)測(cè)效果

11月10日進(jìn)行了高壓蒸汽熱洗溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。9時(shí)15分開(kāi)始熱洗，高溫?zé)崴畯奶坠苈魅胗吞篆h(huán)形空間，熱水溫度維持90℃以上，用水24m3，隨熱洗時(shí)間的推移，井筒內(nèi)各節(jié)點(diǎn)溫度開(kāi)始上升，井筒內(nèi)各節(jié)點(diǎn)溫度達(dá)到一定數(shù)值后趨于平穩(wěn)狀態(tài)。測(cè)得各階段溫度分布曲線如圖4所示現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到了隨熱洗時(shí)間變化的溫度分布曲線，溫度測(cè)試精度達(dá)到±0.1℃，空間分辨率達(dá)到0.5m。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）分布式光纖連續(xù)測(cè)溫技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段取得了重大技術(shù)突破。

（2）拉曼光纖測(cè)溫技術(shù)性能穩(wěn)定，可以連續(xù)監(jiān)測(cè)正常生產(chǎn)時(shí)井筒內(nèi)溫度分布情況，可在錄取測(cè)井資料的同時(shí)隨時(shí)了解井溫情況。

（3）能夠滿(mǎn)足不同方式熱洗過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井筒溫度變化的要求。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：丁玉柱，男，成人大學(xué)，1997年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。