基于分布式光纖的油井溫度場測量系統設計

摘 要：分布式光纖測溫覆一種用于實時測量空間溫度場分布的新興技術，由于它在測量分布式溫度上的獨特之處，該技術在油井溫度場測量有很好的應用前景。首先從分布式測量原理、分布式測溫原理和測溫算法三個方面分析和研究喇曼分布式光纖測溫系統原理，接著介紹了分布式光纖測溫系統軟硬件的設計，并在此基礎上設計出了實驗系統。實驗證明所得結論是正確的，方法是可行有效的。
關鍵詞：分布式光纖；溫度場測量；喇曼散射；LabVIEW

0 引 言
在石油的開采過程中，井下溫度的測量是必不可少的測量參數，準確的井下溫度測量對于地質資料解釋和油井監測等都具有重要的作用。尤其在重質油熱采工藝中，需要監測井下溫度場變化情況。在傳統的測量井溫過程中，使用了紅外測溫儀、紅外熱成像儀、溫度傳感器陣列等，但由于井下惡劣環境將對測試儀器產生很大的影響，容易造成測試誤差，且對于溫度場的測量有很多不足。而現代的分布式光纖溫度傳感器具有測量點多，精度高，輕巧且能承受井下惡劣環境等優點，可以獲取整個光纖分布區域的溫度場信息。目前分布式光纖溫度傳感器已實現井下溫度場等參數的測量，在重質油熱采過程中溫度場的測量具有廣闊的應用前景。

1 分布式光纖溫度傳感器原理
1．1 分布式測量的原理
分布式溫度傳感器借助光時域后向散射(ODTR)技術實現分布式測量。當光脈沖從O點注入光纖，并在光纖中傳播時會產生散射。經過一段時間，后向散射光返回到O點。設光脈沖注入的時刻為時間原點那么光纖中散射點與O點距離L和該點散射光返回時間t的關系為：

式中：c為真空中的光速；n為光纖的折射率；t為信號從發射到接收所用的時間。
由式(1)可知，不同時刻的回波對應于不同距離點產生的散射，根據測量不同時間的回波來實現測溫點的定位。
1．2 分布式測溫的原理
溫度的感知和度量基于光纖背向喇曼散射原理。當波長為λ0。的激光注入光纖時，它在光纖中向前傳輸的同時不斷產生后向散射光，這些后向散射光中除了與入射光相同波長λ0。的中心譜線外，在其兩側，還存在著λ0一Δλ和λ0+Δλ的兩條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線，低頻一側波長為λs=λ0+Δλ的譜線稱為斯托克斯線(Stokes)；高頻一側波長為λa=λ0-Δλ的譜線稱為反斯托克斯線(Anti―Stokes)。由實驗可以發現，反斯托克斯散射光對溫度敏感，其強度受溫度調制，而斯托克斯散射光基本上與溫度無關。兩者光強的比值只與散射光的溫度有關，即：

式中：h為普朗克常數；c為真空中光速；k為波爾茲曼常數；T為絕對溫度；Δγ為偏移波數。
因此，以反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為參考通道，檢測兩者光強的比值，就可以解調出散射區的溫度信息。將后向拉曼散射信號的測量與OT-DR技術相結合，就可以實現基于后向拉曼散射的分布式光纖測溫系統。
1．3 測溫算法實現
對于式(2)，對其兩邊同時取對數函數，有：

通過變換可以得到：

在實際測試過程中，將光纖傳感器放置于溫度為T0恒溫箱中進行標定，通過標定可以得知：

由上面的式子可以得知，在進行標定后，通過測量光強的比值R(T)就可以推導出分布式光纖各點的溫度值。