基于拉曼散射的分布式光纤传感测温系统研究及应用

2019-07-11何巍巍刘艳玲

钻采工艺 2019年3期

何巍巍，刘艳玲，李军，张巍，王磊

(1大庆师范学院机电工程学院 2大庆油田测试技术服务分公司)

近年来随着油田开发手段的进步，出现了新的能源及新型的驱油方式，传统的测井方法在特殊的环境下存在着局限性满足不了油田动态监测的需求。在气井、蒸汽驱井、水平井等特殊井中，温度监测面临困难。在压裂等施工工艺中，监测及效果评价都存在困难。光纤传感技术是上世纪70年代随着光纤通信技术的发展而产生的一种新型传感技术，作为其中的一个分支领域，分布式光纤测温传感系统(以下简称DTS)可以对空间温度场分布进行实时测量。在系统中，光纤既是传感器，也是数据传输媒介。当激光在光纤中传输时，通过测量后向拉曼散射的温度效应，可以了解采集光纤所在的温度场变化，同时利用光时域反射技术可以准确定位测量点。DTS利用一根光纤就可以实现井下的分布式温度测量，布线简单，可以在井下恶劣环境下进行实时的分布式温度剖面监测，在油田开发中具有非常广阔的前景[1-3]。

本文研制了一种适用于油田的分布式光纤测温系统，搭建了分布式光纤地面解调样机，对光路的稳定性进行了测试，通过室内实验给出测温系统的标定曲线，并对实验数据进行分析，对光纤的感温特性进行了验证。实验表明，分布式光纤测温系统对温度有很好的线性响应，测温结果稳定性好。将分布式光纤测温系统应用于油田井下现场试验，用于温度剖面的测量，可以实时反映井下温度变化情况。

一、分布式光纤测温原理及系统设计

当光通过介质时，偏离入射方向而向四周传播，这种现象称为光的散射。光的后向散射光谱如图1。目前应用于油田的分布式光纤传感技术主要分为基于拉曼散射的分布式光纤传感系统以及基于布利渊散射的分布式光纤传感系统[4-5]。其中由于拉曼散射的只与温度相关，在温度测量上基于拉曼散射的光纤测温系统又更常见。

图1 后向散射光分析

实验的光路图如图2所示。系统运行时，电源控制模块驱动脉冲激光器产生稳定的、固定波长的、脉冲宽度可调的光脉冲信号。光脉冲耦合进入测温光纤，在测温光纤内传输时发生拉曼散射，其中后向拉曼散射光沿着光路返回到光耦合器。拉曼散射包含两种频率的光——斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光，二者频率分别分布在入射光频率两侧。通过光滤波器分离出带有温度信息的Anti-Stokes光以及作为参考信息的Stokes散射光，并分别通过雪崩光电二极管(APD)进行光电转换。光信号转换成电信号后，由于电信号十分微弱，必须利用放大电路对信号进行放大，放大后的电信号由高速数据采集电路采集，经上位机软件计算出温度值；发生散射的深度点能够通过光时域反射技术确定，由此便可以将光纤的各个深度点与该点的温度值相对应，进而实现温度的分布式测量。

图2 分布式光纤测温系统光路图

1. 光源发生系统设计

光源系统控制激光器产生固定波长的光脉冲信号，生成的光脉冲信号进入光纤，通过检测后向拉曼散射光强度，获取光纤温度信息[6]。整个光源中最重要的器件就是激光器，产生的光脉冲信号的波长必须是稳定的，选择激光器时一定要注意峰值工作波长、温度漂移、输出功率等特性值。由于激光器产生光脉冲的波长随激光器的温度变化存在一定的漂移，所以必须设计温度控制电路，保证激光器工作温度稳定[7]。

图 3 光源发生系统

光源发生系统结构如图3所示，FPGA产生的信号通过光脉冲驱动电路产生光脉冲驱动信号，该信号驱动激光器产生稳定波长的光脉冲。此过程需要温度控制电路控制激光器处于恒温状态，保证光脉冲的质量。为提高光纤后向散射光强度，激光器产生的光脉冲信号经过掺铒光纤放大器进行放大。光源系统控制电路以单片机为微控单元与主处理器通信，实现对光脉冲驱动电路与温度控制电路的控制[8]。

2. 光电接收系统设计

DTS系统光纤中的后向散射光由多种光构成，而系统只处理其中的Anti-Stokes光与Stokes光。由光滤波器分离出Anti-Stokes与Stokes光信号，然后将光信号转换成电信号才能进行数据采集。光电转换过程需要偏置高压条件，且光电转换元件受温度影响，必须保持工作温度稳定。转换后的电信号非常微弱，难以处理，必须将电信号放大，这一系列的功能由光接收系统实现。放大后的电信号被采集后经过数据处理与温度解调，可提取光纤中的温度信息[9]。

光接收系统如下图4所示，Anti-Stokes光滤波器与与Stokes光滤波器分别从后向散射光中分离出Anti-Stokes光信号与Stokes光信号。光电转换与信号放大电路将Anti-Stokes光信号与Stokes光信号转换成Anti-Stokes电信号与Stokes电信号，并将信号强度放大。光电转换过程由高压偏置电路提供偏置电压，并由温度控制电路保证光电转换元件工作于恒温状态。转换后的电信号被采集并进行数据处理，减少数据中的噪声干扰[10]。

图 4 光电接收系统

3. 数据采集及处理模块设计

DTS数据采集及处理模块根据功能的不同可分为以下几个部分：信号调理电路、ADC、FPGA、ARM、时钟、以太网接口、电源、对外接口、其他电路，如图5、图6所示。FPGA信号处理链路：主要包含数据采集、缓存、求平均处理、及数据合路。数据采集：数据采集模块接受上位机指令，根据上位指令要求可选择采集率。两路12位数据进入FPGA后封装成16位数据，然后进入缓存模块进行缓存。数据缓存：采用FPGA内部RAM块生成同步FIFO，用于缓存高速数据流。求平均处理：将高速数据流先作相邻点平均，然后一帧数据作帧内数据叠加并求取平均值。数据合路：将两帧数据合成一帧，发送给ARM。将收到数据按以太网包格式，通过TCP协议输出给上位机进行显示及处理。

图 5 数据采集及处理模块

图6 数据处理流程

二、分布式光纤传感系统室内实验及结果

在恒温槽中对总长为2 km的裸光纤进行了室内标定实验。实验分两部分进行，第一部分验证了光纤测温系统对于温度响应的线性特性；第二部分探测光纤测温系统的测量上限、灵敏度。实验过程中将光源附近的100 m光纤放置于井温仪校准恒温槽中，将这段光纤的测量数据作为标准，对基于拉曼散射的光纤感温特性进行标定[11]。

1. 响应规律实验

第一部分对光纤随温度变化规律进行实验，以室温为测温起点，测量室温到80℃范围内仪器的响应规律。实验过程中每5℃选取一温度点，每个温度点稳定10 min选取两组数据进行测量。从图7中可以看出光纤对于温度的响应在室温到80℃内具有很好的线性规律。

2. 测温上限及灵敏度探测

第二部分对光纤温度响应的测量上限进行实验，测量室温到150℃仪器响应规律，每隔5℃选取一温度点，同时随机选取温度点对光纤测温的灵敏度及实时性进行实验。如图8和图9分别为室温到150℃的光纤温度响应标定图版及相应的误差分析图版。

图7 室温到80℃标定图版

图8 室温到150℃标定图版

图9 室温到150℃误差分析图版

实验表明，光纤在室温到150 ℃内对温度仍有很好的线性响应规律，在标定范围100 m内数据波动小、测量相对误差在±1%以内。在0.5 ℃的间隔内系统输出有很好的响应，温度分辨率可以达到0.5 ℃。随机抽取测量点仪器响应满足线性规律，证明利用光纤对温度进行监测可以实现实时性。

三、现场试验

为了了解分布式光纤测温系统在现场试验中的可行性，对大庆油田某水井进行温度剖面监测，测量结果如图10所示。从图10中可以看出随着测井深度的增加，温度逐渐升高，经计算地温梯度为3.1 ℃与大庆该地区地温梯度理论值(3 ℃～3.5 ℃)相符。利用分布式光纤温度测量系统进行井下温度剖面的测量，可以真实的反映井下温度的变化情况。

图11是利用研制的分布式光纤测温系统对大庆油田某油井洗井过程进行监测的结果。该井为一口正常生产采油井，油压0.67 MPa，日产液3.3 m3。洗井时，热洗液由偏心井口注入井中，热洗液温度为100 ℃。随着热洗液的注入，井口监测显示温度快速上升，在曲线也有相应显示，有峰值出现。热洗后15 min左右井口温度到达最高点，曲线峰值也随之达到最高值；热洗过程中热洗液将温度从井口向下传播，曲线出现平稳段，在井口形成一个逐渐加长的台阶。从曲线可以看出，热洗中途换车时井内温度有一个短暂的下降过程，二次热洗时温度传递要快于第一次。热洗45 min后，温度传递变慢，洗井效率变低。