基于分布式光纤的油井温度场测量系统设计

摘 要：分布式光纤测温覆一种用于实时测量空间温度场分布的新兴技术，由于它在测量分布式温度上的独特之处，该技术在油井温度场测量有很好的应用前景。首先从分布式测量原理、分布式测温原理和测温算法三个方面分析和研究喇曼分布式光纤测温系统原理，接着介绍了分布式光纤测温系统软硬件的设计，并在此基础上设计出了实验系统。实验证明所得结论是正确的，方法是可行有效的。
关键词：分布式光纤；温度场测量；喇曼散射；LabVIEW

0 引 言
在石油的开采过程中，井下温度的测量是必不可少的测量参数，准确的井下温度测量对于地质资料解释和油井监测等都具有重要的作用。尤其在重质油热采工艺中，需要监测井下温度场变化情况。在传统的测量井温过程中，使用了红外测温仪、红外热成像仪、温度传感器阵列等，但由于井下恶劣环境将对测试仪器产生很大的影响，容易造成测试误差，且对于温度场的测量有很多不足。而现代的分布式光纤温度传感器具有测量点多，精度高，轻巧且能承受井下恶劣环境等优点，可以获取整个光纤分布区域的温度场信息。目前分布式光纤温度传感器已实现井下温度场等参数的测量，在重质油热采过程中温度场的测量具有广阔的应用前景。

1 分布式光纤温度传感器原理
1．1 分布式测量的原理
分布式温度传感器借助光时域后向散射(ODTR)技术实现分布式测量。当光脉冲从O点注入光纤，并在光纤中传播时会产生散射。经过一段时间，后向散射光返回到O点。设光脉冲注入的时刻为时间原点那么光纤中散射点与O点距离L和该点散射光返回时间t的关系为：

式中：c为真空中的光速；n为光纤的折射率；t为信号从发射到接收所用的时间。
由式(1)可知，不同时刻的回波对应于不同距离点产生的散射，根据测量不同时间的回波来实现测温点的定位。
1．2 分布式测温的原理
温度的感知和度量基于光纤背向喇曼散射原理。当波长为λ0。的激光注入光纤时，它在光纤中向前传输的同时不断产生后向散射光，这些后向散射光中除了与入射光相同波长λ0。的中心谱线外，在其两侧，还存在着λ0一Δλ和λ0+Δλ的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线，低频一侧波长为λs=λ0+Δλ的谱线称为斯托克斯线(Stokes)；高频一侧波长为λa=λ0-Δλ的谱线称为反斯托克斯线(Anti―Stokes)。由实验可以发现，反斯托克斯散射光对温度敏感，其强度受温度调制，而斯托克斯散射光基本上与温度无关。两者光强的比值只与散射光的温度有关，即：

式中：h为普朗克常数；c为真空中光速；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度；Δγ为偏移波数。
因此，以反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为参考通道，检测两者光强的比值，就可以解调出散射区的温度信息。将后向拉曼散射信号的测量与OT-DR技术相结合，就可以实现基于后向拉曼散射的分布式光纤测温系统。
1．3 测温算法实现
对于式(2)，对其两边同时取对数函数，有：

通过变换可以得到：

在实际测试过程中，将光纤传感器放置于温度为T0恒温箱中进行标定，通过标定可以得知：

由上面的式子可以得知，在进行标定后，通过测量光强的比值R(T)就可以推导出分布式光纤各点的温度值。