專利名稱：一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)的井下溫度監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光監(jiān)測技術領域，具體涉及一種溫度傳感系統(tǒng)及溫度監(jiān)測方法。
背景技術：
清蠟是油田開采中的一個重要難題，原因在于地層下溫度較低，當溫度低于蠟的結(jié)晶溫度時，蠟就會以固態(tài)的形式黏附在管壁上或夾雜在石油中，致使阻塞管道，大大降低了采油的效率。為解決這個問題，長年以來大慶油田抽油機井主要采用以熱洗清蠟為主，利用聲波降粘裝置、刮蠟桿、固體防蠟器等工具為輔的清蠟方法。目前油田上廣泛存在著油井熱洗效率低、熱洗方法的優(yōu)劣不明、缺乏反映油井熱洗過程實時溫度的數(shù)據(jù)等問題。存在這些問題的根本原因是缺乏油井和套管之間熱洗液體的溫度分布情況，致使熱洗過程中的溫度控制主要憑借施工人員的經(jīng)驗，從而導致熱洗效果時好時壞，可靠性不高。因此，對油井熱洗過程中的溫度進行監(jiān)測將成為提高油田熱洗效率的重要手段，即而達到提高石油開采效率的目的。 井下環(huán)境具有高溫，高壓，化學腐蝕強以及電磁干擾強等特點，這就使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮效用，因此就無法實現(xiàn)對油井溫度的實時監(jiān)測。由于缺乏對現(xiàn)場熱洗過程中熱洗參數(shù)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬這種手段也就不能很好的將熱洗過程中的溫度變化清晰地顯示出來。 近年來興起的光纖傳感器以其獨有的優(yōu)勢，非常適用于油井參數(shù)的測量，且能監(jiān)測油水井多個生產(chǎn)階段的分布式井溫。其突出的特點是抗干擾性強、耐腐蝕、靈敏度高、重量輕、體積小、測量對象廣泛、對被測場影響小、能夠?qū)崿F(xiàn)多參量的分布式測量。但光纖傳感器使用時可重復性不好，這是由于材質(zhì)和生產(chǎn)工藝等因素影響使其參數(shù)不同而導致，所以在使用之前必須經(jīng)過一定的標定實驗，以確定其參數(shù)。在目前的光纖傳感技術中，BOTDR是一種成熟而且應用廣泛的技術，我們已經(jīng)成功獲取了油田熱洗測溫的B0TDR技術實驗及其分析。通過這些實驗的數(shù)據(jù)我們可以實時監(jiān)測井下分布式溫度，并據(jù)此確定出合理的熱洗參數(shù)，提高熱洗的清蠟效果，提高采油效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的井下溫度監(jiān)測傳感器抗腐蝕性差、靈敏度低、結(jié)構復雜、穩(wěn)定性差的問題，提供一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)的井下溫度監(jiān)測方法。 —種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，它包括激光器、耦合器、檢測器和光纖傳感器，所述激光器輸出光束至耦合器信號輸入端，所述耦合器的輸入/輸出端與光纖傳感器的一端相連，所述耦合器的光信號輸出端與檢測器的信號輸入端相連，光纖傳感器的另一端布設在油管的外表面并且緊貼油管布設。 使用基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)的井下溫度監(jiān)測方法，具體
4過稱為將光纖傳感器下伸到油管的底端，利用光纖傳感器測量每一個油管待測量位置此時的布里淵頻移量Ve"。，T');通過下式 ^(f。，r)-^(o，:r。)+^^。+^'(r-:ro) 求得待測量的位置的溫度T'，其中，VB( e 。， T')表示光纖傳感器在油管待測量位置溫度T'下受到e。應變時的布里淵頻移量，VB(0， T。)為溫度T。下自由光纖(不發(fā)生
應變)的布里淵頻移量，^為溫度系數(shù)，"^為應變系數(shù)，T。為參考溫度。 使用基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)的井下溫度差監(jiān)測方法，具體步驟如下 步驟一、將光纖傳感器下伸到油管的底端，測量此時的布里淵頻移量VB2( e 2， T2);
氛
頻移i
公式一^( ^)=^(0，7;)+
其中VB2( e 2，T2)表示光纖傳感器在油管的底端溫度T2下受到VB (0， T。)為溫度T。下自由光纖(不發(fā)生應變)的布里淵頻移』
應變時的布里淵
37"
'為溫度系數(shù)，
^"為應變系數(shù)，T。為參考溫度；
步驟二、將光纖傳感器向上移動N米，測量此時的布里淵頻移量VM( e p T》；
公
式二^(s,，。-^ (o，r0)+，"1+^"7;-r0)
& 一' sr 其中Vm(^， T》表示光纖傳感器在距油管底端N米處溫度L下受到^應變時的布里淵頻移量； 步驟三、將步驟一和步驟二測量的兩個布里淵頻移量做差，如公式三計算不同深度的溫度變化量；公式三^(&，:T2)-^(s,，7;)-^(r2-7;) 步驟一和步驟二為光纖傳感器的同一處光纖，h= e2。 本發(fā)明的有益效果為首先本發(fā)明結(jié)構簡單，本發(fā)明根據(jù)布里淵散射光時域反射光纖光學傳感原理的特點，巧妙地規(guī)避了油套環(huán)空中隨深度變化的井水壓力的影響，可以
直接測出液體的溫度，其次本發(fā)明測試精度高，其測試精度可以達到rc，空間分辨率能達
到lm甚至更小，可以通過改變光纖封裝方式和改變光纖在測量深度處的結(jié)構尺寸的方法達到改變精度的目的，滿足用戶對不同精度的需要；再次本發(fā)明的可靠性好，保證了傳感器內(nèi)部的氣密性并且防水保護，從而使傳感器在潮濕環(huán)境中具有優(yōu)良的耐久性；最后本發(fā)明可以實現(xiàn)分布式溫度監(jiān)測。把傳感器的一頭布設在最深處的油管外表面就可實現(xiàn)整個油井深度的溫度監(jiān)測。本發(fā)明實現(xiàn)了井下工況溫度的實時在線監(jiān)測。


圖1是基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)原理示意圖；圖2是光纖傳感器結(jié)構剖面示意圖；圖3為基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)布設示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 結(jié)合圖1說明本實施方式，一種基于布里淵散射光時域反射分 布式光纖傳感系統(tǒng)，它包括激光器10、耦合器11、檢測器12和光纖傳感器14，所述激光器 IO輸出光束至耦合器ll信號輸入端，所述耦合器11的輸入/輸出端與光纖傳感器14的一 端相連，所述耦合器11的光信號輸出端與檢測器12的信號輸入端相連，光纖傳感器14的 另一端布設在油管H的外表面并且緊貼油管H布設。
具體實施方式
二 結(jié)合圖l和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一 的不同之處在于光纖傳感器14，它包括充油束管1 、光纖2和PE護套4，所述PE護套4的中 心設置有充油束管l，充油束管1的中心設置有光纖2，所述光纖2沿充油束管1長度方向 設置。 充油束管1為內(nèi)部充有脂狀油膏的塑料管。
具體實施方式
三結(jié)合圖l和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一 或二的不同之處在于光纖傳感器14，還包括FRP加強件5，所述FRP加強件5包埋在PE護 套4中，并且對稱的設置在充油束管1的兩側(cè)。 在充油束管1兩側(cè)設置由纖維增強樹脂(FRP)制作成的加強件。把充油束管1和 FRP加強筋一起用PE護套4封裝起來。
具體實施方式
四結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一、二或三的不同之處在于光纖傳感器14，還包括阻水繩6，所述阻水繩6包埋在PE護套4 中，并且設置在充油束管1和FRP加強件5之間。 在充油束管1和FRP加強件5之間布設了阻水繩6，防止水的進入造成局部壓力過 大從而破壞光纖2。
具體實施方式
五結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式與
具體實施例方式
一、二、三或四的不同之處在于光纖傳感器14，還包括第二光纖3，所述光纖2和第二光纖3
并排設置在充油束管1內(nèi)，光纖2和第二光纖3沿充油束管1長度方向設置。 其中第二光纖3是為安全考慮，防止一根光纖被破壞而使傳感器失效。 以上結(jié)構使得傳感器敏感元件得到防水保護，從而使傳感器在潮濕環(huán)境中具有優(yōu)
良的耐久性。
具體實施方式
六結(jié)合圖1、圖2和圖3說明本實施方式，使用基于布里淵散射光 時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)的井下溫度監(jiān)測方法，具體過稱為將光纖傳感器14下伸 到油管H的底端，利用光纖傳感器14測量每一個油管H待測量位置此時的布里淵頻移量 VB(e。，T');通過下式 &(s。，r)=KB(o，r。)+f"。+~^*(r'-r0) 求得待測量的位置的溫度T'，其中，Ve"。，T')表示光纖傳感器14在油管H待 測量位置溫度T'下受到e。應變時的布里淵頻移量，VB(0， T。)為溫度T。下自由光纖(不
發(fā)生應變)的布里淵頻移量，^"為溫度系數(shù)，？為應變系數(shù)，T。為參考溫度。
具體實施方式
七結(jié)合圖1、圖2和圖3說明本實施方式，使用基于布里淵散射光 時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)的井下溫度差監(jiān)測方法，具體步驟如下 步驟一、將光纖傳感器14下伸到油管H的底端，測量此時的布里淵頻移量V^(h， T2);<formula>formula see original document page 7</formula>
其中VB2( e 2，T2)表示光纖傳感器14在油管H的底端溫度T2下受到e 2應變時的 布里淵頻移量，Ve(0，T。)為溫度T。下自由光纖(不發(fā)生應變)的布里淵頻移量，；f為溫度
系數(shù)，；！為應變系數(shù)，T。為參考溫度； 步驟二、將光纖傳感器14向上移動N米，測量此時的布里淵頻移量VB1 ( e p T》； 其中VB1 ( e p T》表示光纖傳感器14在距油管H底端N米處溫度1\下受到e工應 變時的布里淵頻移量； 步驟三、將步驟一和步驟二測量的兩個布里淵頻移量做差，如公式三計算不同深 度的溫度變化量；公式三<formula>formula see original document page 7</formula>
步驟一和步驟二為光纖傳感器14的同一處光纖，e工=e 2。 在光纖傳感器14下井前，地面需預留15m左右長度的冗余，以保證光纖不受到太 大的拉力。 本發(fā)明是依據(jù)以下原理來實現(xiàn)的 由于介質(zhì)分子內(nèi)部存在的一定形式的振動，引起介質(zhì)折射率隨時間和空間周期性 起伏，從而產(chǎn)生自發(fā)聲波場。布里淵散射是人射光波與聲波相互作用而產(chǎn)生的一種非彈性 散射，在散射過程中產(chǎn)生的斯托克斯(Stokes)光相對于泵浦光有一頻移，稱為布里淵頻 移。散射產(chǎn)生的布里淵頻移量fe與光纖中的聲速VA成正比。
fB = 2nVA/入 其中n為介質(zhì)折射率，A為入射波的波長。 而光纖中的折射率和聲速都與光纖的溫度及所受的應力等因素有關，激光在光纖 中傳播時，光波與光聲子相互作用即會產(chǎn)生布里淵散射光。布里淵光頻率的漂移量Ve與光 纖的溫度e和所受應變相關，其關系可用下式表示<formula>formula see original document page 7</formula>
式中vB( e ， e)表示光纖在溫度e下受到e應變時的布里淵頻移量，VB(o， e 。) 為e。下自由光纖(不發(fā)生應變)的布里淵頻移量，^為溫度系數(shù)，^為應變系數(shù)，e。 為參考溫度，e為光纖所受應變。 由于在實際施工過程中，布里淵光纖在下深過程中，由于卡具的夾緊作用、油管的局部彎曲及油管與套管的碰撞與摩擦的諸多因素的影響，以致松套布里淵光纖仍然承受較 大的應力作用。根據(jù)實際檢測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，光纖受卡具的夾緊作用影響最大，而光纖在 下深過程中的應力作用影響并不明顯。為了剔除其中應力作用的影響，我們采用光纖的相 同位置在不同的下深深度進行做差的方法，避免了隨深度變化的液體壓力對測量結(jié)果的影
響。通過在光纖中封裝FRP等強度加強件，這使得測試精度得到提高，溫度分辨率到達rc，
空間分辨率可以達到lm，甚至更高，并且還可以根據(jù)用戶的要求改變精度。這種傳感器加工 制作簡單，施工方便、成本較低，可作為實現(xiàn)全光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測熱洗的有效途徑， 能有效地提高石油開采效率，具有廣闊的應用前景。
8
權利要求
一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于它包括激光器(10)、耦合器(11)、檢測器(12)和光纖傳感器(14)，所述激光器(10)輸出光束至耦合器(11)信號輸入端，所述耦合器(11)的輸入/輸出端與光纖傳感器(14)的一端相連，所述耦合器(11)的光信號輸出端與檢測器(12)的信號輸入端相連，光纖傳感器(14)的另一端布設在油管(H)的外表面并且緊貼油管(H)布設。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于光纖傳感器(14)包括充油束管(1)、光纖(2)和PE護套(4)，所述PE護套(4)的中心設置有充油束管(l)，充油束管(1)的中心設置有光纖(2)，所述光纖(2)沿充油束管(1)長度方向設置。
3. 根據(jù)權利要求2所述的一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于光纖傳感器(14)還包括FRP加強件(5)，所述FRP加強件(5)包埋在PE護套(4)中，并且對稱的設置在充油束管(1)的兩側(cè)。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于光纖傳感器(14)還包括阻水繩(6)，所述阻水繩(6)包埋在PE護套(4)中，并且設置在充油束管(1)和FRP加強件(5)之間。
5. 根據(jù)權利要求2或3所述的一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于光纖傳感器(14)，還包括第二光纖(3)，所述光纖(2)和第二光纖(3)并排設置在充油束管(1)內(nèi)，光纖(2)和第二光纖(3)沿充油束管(1)長度方向設置。
6. 根據(jù)權利要求4所述的一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)，其特征在于光纖傳感器(14)，還包括第二光纖(3)，所述光纖(2)和第二光纖(3)并排設置在充油束管(1)內(nèi)，光纖(2)和第二光纖(3)沿充油束管(1)長度方向設置。
7. 使用權利要求1所述的基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)的井下溫度監(jiān)測方法，其特征在于具體過稱為將光纖傳感器(14)下伸到油管H的底端，利用光纖傳感器(14)測量每一個油管H待測量位置此時的布里淵頻移量Ve"。，T');通過下式<formula>formula see original document page 2</formula>求得待測量的位置的溫度T'其中，VB( e 。， T')表示光纖傳感器(14)在油管(H)待測量位置溫度T'下受到e。應變時的布里淵頻移量，VB(0， T。)為溫度T。下自由光纖的布里淵頻移量，^為溫度系數(shù)，？為應變系數(shù)，T。為參考溫度。
8. 使用權利要求1所述的基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)的井下溫度差監(jiān)測方法，其特征在于具體步驟如下步驟一、將光纖傳感器(14)下伸到油管(H)的底端，測量此時的布里淵頻移量V^( e 2，T2);公式一<formula>formula see original document page 2</formula>其中VB2( e 2，T2)表示光纖傳感器(14)在油管(H)的底端溫度T2下受到e 2應變時的布里淵頻移量，VB(0， T。)為溫度T。下自由光纖的布里淵頻移量，；f為溫度系數(shù)，^"為應變系數(shù)，T。為參考溫度；步驟二、將光纖傳感器(14)向上移動N米，測量此時的布里淵頻移量VM(^，T》；加其中V^(^，T》表示光纖傳感器(14)在距油管(H)底端N米處溫度^下受到^應變時的布里淵頻移量；步驟三、將步驟一和步驟二測量的兩個布里淵頻移量做差，如公式三計算不同深度的溫度變化量；公式三^(s2，:t2)—^(s,，7;)-祭(r2 -7;)步驟一和步驟二為光纖傳感器(14)的同一處光纖，e工=e 2。
全文摘要
一種基于布里淵散射光時域反射分布式光纖傳感系統(tǒng)及利用該系統(tǒng)的井下溫度監(jiān)測方法，它涉及一種溫度傳感系統(tǒng)及溫度監(jiān)測方法。解決了現(xiàn)有的井下溫度監(jiān)測傳感器抗腐蝕性差、靈敏度低、結(jié)構復雜、穩(wěn)定性差的問題，溫度傳感器包括充油束管、光纖和PE護套，所述PE護套的中心設置有充油束管，充油束管的中心設置有光纖，所述光纖沿充油束管方向設置。溫度監(jiān)測方法一、將溫度傳感器下深到油管H的底端，測量此時的布里淵頻移量VB2(ε2，T2)；二、將溫度傳感器向上移動N米，測量此時的布里淵頻移量VB1(ε1，T1)；三、將步驟一和步驟二測量的兩個布里淵頻移量做差，計算不同深度的溫度變化；本發(fā)明實現(xiàn)了井下工況溫度的實時在線監(jiān)測。
文檔編號G01K11/32GK101787882SQ201010109410
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權日2010年2月11日
發(fā)明者何俊, 張廣玉, 朱丙奇, 楊衎, 林發(fā)枝, 董惠娟 申請人:哈爾濱工業(yè)大學