CN101787882B - 一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统及利用该系统的井下温度监测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统及利用该系统的井下温度监测方法，它涉及一种温度传感系统及温度监测方法。解决了现有的井下温度监测传感器抗腐蚀性差、灵敏度低、结构复杂、稳定性差的问题，温度传感器包括充油束管、光纤和PE护套，所述PE护套的中心设置有充油束管，充油束管的中心设置有光纤，所述光纤沿充油束管方向设置。温度监测方法：一、将温度传感器下深到油管H的底端，测量此时的布里渊频移量V_B2(ε₂，T₂)；二、将温度传感器向上移动N米，测量此时的布里渊频移量V_B1(ε₁，T₁)；三、将步骤一和步骤二测量的两个布里渊频移量做差，计算不同深度的温度变化；本发明实现了井下工况温度的实时在线监测。

Description

一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统及利用该系统的井下温度监测方法

技术领域

本发明涉及激光监测技术领域，具体涉及一种温度传感系统及温度监测方法。

背景技术

清蜡是油田开采中的一个重要难题，原因在于地层下温度较低，当温度低于蜡的结晶温度时，蜡就会以固态的形式黏附在管壁上或夹杂在石油中，致使阻塞管道，大大降低了采油的效率。为解决这个问题，长年以来大庆油田抽油机井主要采用以热洗清蜡为主，利用声波降粘装置、刮蜡杆、固体防蜡器等工具为辅的清蜡方法。目前油田上广泛存在着：油井热洗效率低、热洗方法的优劣不明、缺乏反映油井热洗过程实时温度的数据等问题。存在这些问题的根本原因是缺乏油井和套管之间热洗液体的温度分布情况，致使热洗过程中的温度控制主要凭借施工人员的经验，从而导致热洗效果时好时坏，可靠性不高。因此，对油井热洗过程中的温度进行监测将成为提高油田热洗效率的重要手段，即而达到提高石油开采效率的目的。

井下环境具有高温，高压，化学腐蚀强以及电磁干扰强等特点，这就使得常规传感器难以在井下很好地发挥效用，因此就无法实现对油井温度的实时监测。由于缺乏对现场热洗过程中热洗参数的实时监测数据，数值模拟这种手段也就不能很好的将热洗过程中的温度变化清晰地显示出来。

近年来兴起的光纤传感器以其独有的优势，非常适用于油井参数的测量，且能监测油水井多个生产阶段的分布式井温。其突出的特点是抗干扰性强、耐腐蚀、灵敏度高、重量轻、体积小、测量对象广泛、对被测场影响小、能够实现多参量的分布式测量。但光纤传感器使用时可重复性不好，这是由于材质和生产工艺等因素影响使其参数不同而导致，所以在使用之前必须经过一定的标定实验，以确定其参数。在目前的光纤传感技术中，BOTDR是一种成熟而且应用广泛的技术，我们已经成功获取了油田热洗测温的BOTDR技术实验及其分析。通过这些实验的数据我们可以实时监测井下分布式温度，并据此确定出合理的热洗参数，提高热洗的清蜡效果，提高采油效率。

发明内容

为了解决现有的井下温度监测传感器抗腐蚀性差、灵敏度低、结构复杂、稳定性差的问题，提供一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统及利用该系统的井下温度监测方法。

一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统，它包括激光器、耦合器、检测器和光纤传感器，所述激光器输出光束至耦合器信号输入端，所述耦合器的输入/输出端与光纤传感器的一端相连，所述耦合器的光信号输出端与检测器的信号输入端相连，光纤传感器的另一端布设在油管的外表面并且紧贴油管布设。

使用基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统的井下温度监测方法，具体过称为：将光纤传感器下伸到油管的底端，利用光纤传感器测量每一个油管待测量位置此时的布里渊频移量V_B(ε₀，T′)；通过下式

$V_B({\mathrm{\ϵ}}_0,T^{\′})=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_0+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T^{\′}-T_0)$

求得待测量的位置的温度T′，其中，V_B(ε₀，T′)表示光纤传感器在油管待测量位置温度T′下受到ε₀应变时的布里渊频移量，V_B(0，T₀)为温度T₀下自由光纤(不发生应变)的布里渊频移量，

为温度系数，

为应变系数，T₀为参考温度。

使用基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统的井下温度差监测方法，具体步骤如下：

步骤一、将光纤传感器下伸到油管的底端，测量此时的布里渊频移量V_B2(ε₂，T₂)；

公式一 $V_{B2}({\mathrm{\ϵ}}_2,T_2)=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}{\·\mathrm{\ϵ}}_2+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T_2-T_0)$

其中V_B2(ε₂，T₂)表示光纤传感器在油管的底端温度T₂下受到ε₂应变时的布里渊频移量，V_B(0，T₀)为温度T₀下自由光纤(不发生应变)的布里渊频移量，

为温度系数，

为应变系数，T₀为参考温度；

步骤二、将光纤传感器向上移动N米，测量此时的布里渊频移量V_B1(ε₁，T₁)；

公式二 $V_{B1}({\mathrm{\ϵ}}_1,T_1)=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_1+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T_1-T_0)$

其中V_B1(ε₁，T₁)表示光纤传感器在距油管底端N米处温度T₁下受到ε₁应变时的布里渊频移量；

步骤三、将步骤一和步骤二测量的两个布里渊频移量做差，如公式三计算不同深度的温度变化量；

公式三 $V_{B2}({\mathrm{\ϵ}}_2,T_2)-V_{B1}({\mathrm{\ϵ}}_1,T_1)=\frac{\∂V_B}{\∂T}(T_2-T_1)$

步骤一和步骤二为光纤传感器的同一处光纤，ε₁＝ε₂。

本发明的有益效果为：首先本发明结构简单，本发明根据布里渊散射光时域反射光纤光学传感原理的特点，巧妙地规避了油套环空中随深度变化的井水压力的影响，可以直接测出液体的温度，其次本发明测试精度高，其测试精度可以达到1℃，空间分辨率能达到1m甚至更小，可以通过改变光纤封装方式和改变光纤在测量深度处的结构尺寸的方法达到改变精度的目的，满足用户对不同精度的需要；再次本发明的可靠性好，保证了传感器内部的气密性并且防水保护，从而使传感器在潮湿环境中具有优良的耐久性；最后本发明可以实现分布式温度监测。把传感器的一头布设在最深处的油管外表面就可实现整个油井深度的温度监测。本发明实现了井下工况温度的实时在线监测。

附图说明

图1是基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统原理示意图；图2是光纤传感器结构剖面示意图；图3为基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统布设示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统，它包括激光器10、耦合器11、检测器12和光纤传感器14，所述激光器10输出光束至耦合器11信号输入端，所述耦合器11的输入/输出端与光纤传感器14的一端相连，所述耦合器11的光信号输出端与检测器12的信号输入端相连，光纤传感器14的另一端布设在油管H的外表面并且紧贴油管H布设。

具体实施方式二：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于光纤传感器14，它包括充油束管1、光纤2和PE护套4，所述PE护套4的中心设置有充油束管1，充油束管1的中心设置有光纤2，所述光纤2沿充油束管1长度方向设置。

充油束管1为内部充有脂状油膏的塑料管。

具体实施方式三：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二的不同之处在于光纤传感器14，还包括FRP加强件5，所述FRP加强件5包埋在PE护套4中，并且对称的设置在充油束管1的两侧。

在充油束管1两侧设置由纤维增强树脂(FRP)制作成的加强件。把充油束管1和FRP加强筋一起用PE护套4封装起来。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同之处在于光纤传感器14，还包括阻水绳6，所述阻水绳6包埋在PE护套4中，并且设置在充油束管1和FRP加强件5之间。

在充油束管1和FRP加强件5之间布设了阻水绳6，防止水的进入造成局部压力过大从而破坏光纤2。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三或四的不同之处在于光纤传感器14，还包括第二光纤3，所述光纤2和第二光纤3并排设置在充油束管1内，光纤2和第二光纤3沿充油束管1长度方向设置。

其中第二光纤3是为安全考虑，防止一根光纤被破坏而使传感器失效。

以上结构使得传感器敏感元件得到防水保护，从而使传感器在潮湿环境中具有优良的耐久性。

具体实施方式六：结合图1、图2和图3说明本实施方式，使用基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统的井下温度监测方法，具体过称为：将光纤传感器14下伸到油管H的底端，利用光纤传感器14测量每一个油管H待测量位置此时的布里渊频移量V_B(ε₀，T′)；通过下式

$V_B({\mathrm{\ϵ}}_0,T^{\′})=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_0+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T^{\′}-T_0)$

求得待测量的位置的温度T′，其中，V_B(ε₀，T′)表示光纤传感器14在油管H待测量位置温度T′下受到ε₀应变时的布里渊频移量，V_B(0，T₀)为温度T₀下自由光纤(不发生应变)的布里渊频移量，为温度系数，为应变系数，T₀为参考温度。

具体实施方式七：结合图1、图2和图3说明本实施方式，使用基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统的井下温度差监测方法，具体步骤如下：

步骤一、将光纤传感器14下伸到油管H的底端，测量此时的布里渊频移量V_B2(ε₂，T₂)；

公式一 $V_{B2}({\mathrm{\ϵ}}_2,T_2)=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_2+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T_2-T_0)$

其中V_B2(ε₂，T₂)表示光纤传感器14在油管H的底端温度T₂下受到ε₂应变时的布里渊频移量，V_B(0，T₀)为温度T₀下自由光纤(不发生应变)的布里渊频移量，

为温度系数，

为应变系数，T₀为参考温度；

步骤二、将光纤传感器14向上移动N米，测量此时的布里渊频移量V_B1(ε₁，T₁)；

公式二 $V_{B1}({\mathrm{\ϵ}}_1,T_1)=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_1+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T_1-T_0)$

其中V_B1(ε₁，T₁)表示光纤传感器14在距油管H底端N米处温度T₁下受到ε₁应变时的布里渊频移量；

步骤三、将步骤一和步骤二测量的两个布里渊频移量做差，如公式三计算不同深度的温度变化量；

公式三 $V_{B2}({\mathrm{\ϵ}}_2,T_2)-V_{B1}({\mathrm{\ϵ}}_1,T_1)=\frac{\∂V_B}{\∂T}(T_2-T_1),$

步骤一和步骤二为光纤传感器14的同一处光纤，ε₁＝ε₂。

在光纤传感器14下井前，地面需预留15m左右长度的冗余，以保证光纤不受到太大的拉力。

本发明是依据以下原理来实现的：

由于介质分子内部存在的一定形式的振动，引起介质折射率随时间和空间周期性起伏，从而产生自发声波场。布里渊散射是人射光波与声波相互作用而产生的一种非弹性散射，在散射过程中产生的斯托克斯(Stokes)光相对于泵浦光有一频移，称为布里渊频移。散射产生的布里渊频移量f_B与光纤中的声速V_A成正比。

f_B＝2nV_A/λ

其中n为介质折射率，λ为入射波的波长。

而光纤中的折射率和声速都与光纤的温度及所受的应力等因素有关，激光在光纤中传播时，光波与光声子相互作用即会产生布里渊散射光。布里渊光频率的漂移量V_B与光纤的温度θ和所受应变相关，其关系可用下式表示：

$V_B(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\θ})=V_B(0,{\mathrm{\θ}}_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·\mathrm{\ϵ}+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\θ}}\·(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)$

式中：V_B(ε，θ)表示光纤在温度θ下受到ε应变时的布里渊频移量，V_B(0，θ₀)为θ₀下自由光纤(不发生应变)的布里渊频移量，

为温度系数，

为应变系数，θ₀为参考温度，ε为光纤所受应变。

由于在实际施工过程中，布里渊光纤在下深过程中，由于卡具的夹紧作用、油管的局部弯曲及油管与套管的碰撞与摩擦的诸多因素的影响，以致松套布里渊光纤仍然承受较大的应力作用。根据实际检测数据结果显示，光纤受卡具的夹紧作用影响最大，而光纤在下深过程中的应力作用影响并不明显。为了剔除其中应力作用的影响，我们采用光纤的相同位置在不同的下深深度进行做差的方法，避免了随深度变化的液体压力对测量结果的影响。通过在光纤中封装FRP等强度加强件，这使得测试精度得到提高，温度分辨率到达1℃，空间分辨率可以达到1m，甚至更高，并且还可以根据用户的要求改变精度。这种传感器加工制作简单，施工方便、成本较低，可作为实现全光纤温度监测系统中监测热洗的有效途径，能有效地提高石油开采效率，具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统，其特征在于它包括激光器(10)、耦合器(11)、检测器(12)和光纤传感器(14)，所述激光器(10)输出光束至耦合器(11)信号输入端，所述耦合器(11)的输入/输出端与光纤传感器(14)的一端相连，所述耦合器(11)的光信号输出端与检测器(12)的信号输入端相连，光纤传感器(14)的另一端布设在油管(H)的外表面并且紧贴油管(H)布设；

所述光纤传感器(14)包括充油束管(1)、光纤(2)和PE护套(4)，所述PE护套(4)的中心设置有充油束管(1)，充油束管(1)的中心设置有光纤(2)，所述光纤(2)沿充油束管(1)长度方向设置。

2.根据权利要求1所述的一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统，其特征在于光纤传感器(14)还包括FRP加强件(5)，所述FRP加强件(5)包埋在PE护套(4)中，并且对称的设置在充油束管(1)的两侧。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统，其特征在于光纤传感器(14)还包括阻水绳(6)，所述阻水绳(6)包埋在PE护套(4)中，并且设置在充油束管(1)和FRP加强件(5)之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统，其特征在于光纤传感器(14)还包括第二光纤(3)，所述光纤(2)和第二光纤(3)并排设置在充油束管(1)内，光纤(2)和第二光纤(3)沿充油束管(1)长度方向设置。

5.根据权利要求3所述的一种基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统，其特征在于光纤传感器(14)还包括第二光纤(3)，所述光纤(2)和第二光纤(3)并排设置在充油束管(1)内，光纤(2)和第二光纤(3)沿充油束管(1)长度方向设置。

6.使用权利要求1所述的基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统的井下温度监测方法，其特征在于具体过程为：将光纤传感器(14)下伸到油管(H)的底端，利用光纤传感器(14)测量每一个油管(H)待测量位置此时的布里渊频移量V_B(ε₀，T′)；通过下式

$V_B({\mathrm{\ϵ}}_0,T^{\′})=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_0+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T^{\′}-T_0)$

求得待测量的位置的温度T′，其中，V_B(ε₀，T′)表示光纤传感器(14)在油管(H)待测量的位置温度T′下受到ε₀应变时的布里渊频移量，V_B(0，T₀)为温度T₀下自由光纤的布里渊频移量，为温度系数，

为应变系数，T₀为参考温度。

7.使用权利要求1所述的基于布里渊散射光时域反射分布式光纤传感系统的井下温度差监测方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一、将光纤传感器(14)下伸到油管(H)的底端，测量此时的布里渊频移量V_B2(ε₂，T₂)；

公式一 $V_{B2}({\mathrm{\ϵ}}_2,T_2)=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_2+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T_2-T_0)$

其中V_B2(ε₂，T₂)表示光纤传感器(14)在油管(H)的底端温度T₂下受到ε₂应变时的布里渊频移量，V_B(0，T₀)为温度T₀下自由光纤的布里渊频移量，

为温度系数，

为应变系数，T₀为参考温度；

步骤二、将光纤传感器(14)向上移动N米，测量此时的布里渊频移量V_B1(ε₁，T₁)；

公式二 $V_{B1}({\mathrm{\ϵ}}_1,T_1)=V_B(0,T_0)+\frac{\∂V_B}{\∂\mathrm{\ϵ}}\·{\mathrm{\ϵ}}_1+\frac{\∂V_B}{\∂T}\·(T_1-T_0)$

其中V_B1(ε₁，T₁)表示光纤传感器(14)在距油管(H)底端N米处温度T₁下受到ε₁应变时的布里渊频移量；

步骤三、将步骤一和步骤二测量的两个布里渊频移量做差，如公式三计算不同深度的温度变化量；

公式三 $V_{B2}({\mathrm{\ϵ}}_2,T_2)-V_{B1}({\mathrm{\ϵ}}_1,T_1)=\frac{\∂V_B}{\∂T}(T_2-T_1)$

步骤一和步骤二为光纤传感器(14)的同一处光纤，ε₁＝ε₂。

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