光纤传感技术实时监测管道弯曲的理论分析

王春雨

(山东建筑大学 山东 济南 250101)

一、前言

伴随着我国经济的迅速发展，资源是大国必须拥有的产业，这关系到民生之命脉，科技的发展推动着整个社会的进步，石油资源的开采不断进行，开采技术也在发展，但全球范围内的石油产业安全事故时有发生并且给当地造成非常大的经济损失，在石油开采中，套管是用在钻井过程中保证钻井和完井后整个油井正常运行的在油井、气井井壁的钢管[1]。套损现象危害之大是因为影响了油田井的稳定性，由于长时间的开采后油井会出现套损的现象，这对正常的开采会在成十分不利的影响。管道问题的出现会受地质环境影响油井进入高含水期之后会不断增多套损井，这最大的关系就是地层水和注入水流的增快，在断层地带出现胶结物质水化现象，使地层不再稳定。也可能会受工程开发原因等等，主要是油井开发后期油层埋藏浅胶结变质不稳固，改变了受力情况，这都会造成管道损坏导致安全问题经济问题环境问题[2]。随着开采总量不断增加，石油管道出现问题导致的问题井的数量也在不断增加，也更能看出管道治理的重要意义。

传感技术的提升也正是科技进步推动了石油开采过程的更安全，分布式光纤传感技术能够建立整个管道的应变监测来实现长期有效的安全管理和监控油气井。管道的损坏导致的问题井是不容忽视的，通过先进传感技术的监控管道损坏过程，能够对井下管道情况进行准确地反映，以此来有效地治理管道问题。光纤传感技术近年来不断发展，可以在应变、温度、振动、位移及各种变量的探测方面有着很好的性能。光纤传感技术只用一根光纤在整个区域内实现各个参数的探测，这项技术之中，光纤作为感知的器件也同样作为信号传输的器件，光纤细小，长度可以突破传统传感器件的长度极限，光波的传输会因为它的载体——光纤受到的力、热等因素而产生应变和温度的变化[3]。正因为光纤传感技术的优点能够很好的契合各类管道问题的外部表现，能够实现很好的第一时间监测到故障信息，防患于未然提前做好安全防护准备。光纤由于材质选择而拥有着质量轻和体积小的特征，能够很灵敏的测到各类物理参量并且传感信息没有电线不受电磁影响，最主要的原因便是分布式或者准分布式的测量能够使得整个管道链路有全面的监测。正是基于上述优点，科研人员们开始了关于各个领域的光纤传感技术的研究与应用，光纤光栅传感器、光时域反射仪(OTDR)、布里渊光时域分析仪(BOTDA)等技术的得到了发展并得到了更进一步的应用[4]。本文中针对实现对管道的实时监测和提前治理，以及建立井下套管应力应变监测系统，进行了综述性分析。

二、分布式光纤传感技术及其中的布里渊光时域分析技术

分布式光纤传感技术是近二三十年来发展起来的新型传感技术，其基本原理为利用光纤同时感知和传输信号。采用此技术，可以探测出长达几十公里的光纤不同地点的温度和应变等物理量。它具有其他光纤传感器不可比拟的优势。其主要应用领域有：电力行业、水利土木建筑行业、石油天然气行业。分布式传感器按传感原理分为散射型、波长扫描型和干涉型。其中散射型是最具应用价值的一种。因为严格的讲，以光纤布拉格光栅级联或者网状分布的传感器，是准分布式传感器[5],而光纤分布式传感技术即散射型传感技术，包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射分布式光纤传感技术。

布里渊散射现象是莱昂·布里渊发现的光纤中的一种非线性现象。非线性光学是研究光的与介质相互作用的一个光学分支。任何高强度的电磁场都会和电介质发生作用而使光变的非线性，光纤也不例外。非线性效应在电介质里，如光纤是源于外在电场影响下的束缚电子的非简谐运动。布里渊散射的基本原理是在介质中由声子和光子的非线性效应产生相关的非线性散射，自发布里渊散射是入射光子能量变低而反向传输的散射光子和声子会是自发进行的；受激布里渊散射是入射光达到一定阈值就会产生受激效应，出现入射光大部分能量转为后向传输的散射波，导致了后向散射波被非线性放大[6]。

布里渊光时域分析技术最主要的特征是在光纤中让两束光反向传播，分别把这两束光称为：脉冲光和连续光。这项技术实现最根本上是利用了布里渊受激放大的特殊性能，换句话说，这是两束超窄线宽激光存在着频率差导致，频率差如果等于布里渊频移的时候，相对弱的连续光信号能够被强的脉冲光实现光放大，这也就是受激布里渊放大的过程。在具体的传感技术的实现过程中，某一段光纤发生了应变，能够引起这一段部位的布里渊散射信号衰减得十分剧烈，原因就是这一段部位有由于应变而产生的布里渊频移的频率变化。在传感过程中能够通过调谐入射的两束光的频率差与布里渊频移相等，就接收到了在这一段光纤的布里渊散射信号，其测试原理如图1所示[7]。

图1 BOTDA系统一般性结构原理框图

BOTDA和BOTDR相比有着更精准的更大范围的测量能力，主要的原因就是使用两束光方向相反传输增强了整个光纤链路中的布里渊散射，也自然拥有着更强的信号强度。性能优势的体现是在窄线宽脉冲光的泵浦和连续激光的探测这都使得BOTDA能够得到更高精度频率得分辨率，并且通常是将一个光滤波器放在接收机之前使用提高了布里渊散射信号的功率与瑞利信号的功率之比。但优势体现的同时，BOTDA的系统中相比于BOTDR，该系统使用了两条相对方向的光路，也就由于光学器件的增多导致成本增加。

三、布里渊光时域分析技术在管道弯曲实时监测的应用

通过对基于布里渊光时域分析技术的分布式光纤传感技术原理的分析，科研人员将BOTDA与BOTDR的技术进步体现在各项性能指标与参数上，目的是更好的实现其真正意义上的进步。例如对混凝土结构开裂的检测控制中，早期的BOTDA与BOTDR系统由于空间分辨率仅为1m，无法满足实际应用中工程项目的监测，时至今日，厘米量级灵敏度的分布式系统已经研究出来，并且测试距离也逐渐实现技术进步，可以达到100公里。与布拉格光栅(FBG)测试技术的专业复杂加工封装对比来看，BOTDA与BOTDR有着最大的优势，即传输即传感[8]。

BOTDA与BOTDR系统，也就是布里渊光纤分布式传感系统基于光时域分析法，考查这类系统最主要的性能指标就是空间和应力的分辨率，这取决于脉冲的半宽度，半宽度以内不能分辨物理参量，如应力和温度。这类分辨率的提升与脉冲宽度、信噪比和增益谱线宽度息息相关，这类研究近些年有着很高的热度，原因在于降低了短脉冲探测信号改善了空间分辨率，而与此同时却又因为降低脉冲宽度而达到了桄子寿命以下造成了布里渊光谱展宽到了类高斯状，降低了精度。所以这类研究的目的更是在于改进应力传感系统的空间分辨率和应力精度[9]。

加拿大渥太华大学的研究小组提出了一种基于直流和脉冲结合的探测光，研究人员选择在控制不降低应力精度的前提下，将整个传感系统的空间分辨率提高到了厘米级[10]。研究人员选择的传感系统正是有着这样的优势，这类理论与实验的结合能够更好的验证理论能够被应用。布里渊光时域分析技术中，泵浦光为连续光，探测光中含有短脉冲，两束光从光纤两端被注入，泵浦光和探测光将会产生相互作用。这类相互作用即上文提到的布里渊散射，所得到的布里渊光谱可以分成两个部分，首先是代表探测光中的直流分量与泵浦光相互作用的顶部类洛伦兹部分；其次是代表探测光中的脉冲光与泵浦光的相互作用的底部类高斯部分。

探测光中的脉冲光、直流分量分别与泵浦光的作用强度之比(也就是类洛伦兹和类高斯功率之比)，以及类高斯线宽可以分别表示为探测光的消光比和脉冲宽度来控制。光谱的类高斯部分是在半脉冲长度内做空间相关所得，它能够提供局部应力信息，与此同时而类洛伦兹部分含有精确(由于其窄线宽)但非局部(对整根光纤做空间相关)的应力信息。当然也存在着消光比有限的情况，光谱的类洛伦兹代表的相互作用如下，脉冲宽度外的直流光-泵浦光作用与脉冲宽度内直流-泵浦光作用部分和脉冲-泵浦光作用的总和[10]。上述提到的这两部分，第一部分提供了整根光纤的信息，与位置无关。第二部分提供了光纤局部受力信息，与位置有关。所以布里渊光谱的类洛伦兹部分是光纤沿线位置的函数。要得出厘米级的高空间分辨率，需要分两步进行：第一步，先求得类洛伦兹部分的变化沿光纤纵向位置的函数，找到发生最大变化的位置，提取出光纤所受应力的空间信息，估算应力大小；第二步，然后从求出的洛伦兹函数中求得洛伦兹峰值，从而提取出受力部位的精确应力[11]。

管道在石油运输中有着不可或缺的地位，相比于其他交通运输工具来说，管道因为低廉的成本、更高的安全性、稳定的供给过程以及巨大的运输量等等优点，从而成为了长距离运输情况的天然气和石油资源的选择。国家发展靠资源，资源稳定科技进步，这时时刻刻影响着社会和国民经济的进步，对于管道问题的妥善解决和防患于未然的措施，是很多科研人员研究的着力点，攻克各类技术难题，实现管道运输安全性的更高更强。当前安全监测技术不断发展，传统选择的方法是电测式传感器，流量平衡法、超声波法、涡流监测法和实时模拟法等等都在油气井中使用，但也普遍存在着各类缺点，如监测距离短、实时性差、灵敏度问题和误差大等等，而本文提到的分布式光纤传感器在这类缺点中得到了优势的体现，能够很好的应用在油气管道中，在线监测以及大范围、长距离这些需求都能轻易实现，所以着眼于对基于布里渊散射的分布式光纤传感技术中的BOTDA和BOTDR的应用，将会是目前解决管道问题提升的好方法[12]。而在具体的操作中应该首先要考虑的是如何将光纤与油气管道合为一，只有选取合适的铺设方式才能提供有效的监测信息。这将在下一步工作中逐步展开并实施应用。

四、结论

基于BOTDA的光纤分布式传感器在民用建筑结构安全监测、大型工业设备、水利水电设施，航空航天及军事等领域内的应用有着极其广阔应用前景。国内外研究机构都对该传感技术的实用化，商用化做出了大量的研究。并且都取得了飞速的进步与发展。深埋地下的管道在长期服役过程中易受损，并且损伤的随机性和滞后性会带来不小经济损失的问题，提出了基于分布式的光纤传感技术中的BOTDA系统，对管道弯曲应变的在线监测方法。因此利用BOTDA系统来搭建管道弯曲的监测系统，这既可以为油井管柱设计提供依据，又能够保障油田正常生产运转。基于BOTDA的分布式光纤传感器未来的研究方向应该是，快速测量，动态测量与多参量传感，并且有着低系统复杂度，高系统可靠性。相信在国内外研究人员的不懈努力下，一定会得到更好的发展。