基于分布式光纖的油井溫度場測量系統(tǒng)設計

各部分的功能如下：脈沖激光器的主要作用是為系統(tǒng)提供光脈沖；光纖放大器對弱光信號進行放大，提高信號強度；光纖耦合器將光信號按照設計要求耦合進光纖，并將返回的散射光信號按事先確定的比例耦合到光處理通路中；濾波器分離出斯托克斯光和反斯托克斯光，濾除瑞利后向散射光；光電檢測器將接收到的光信號轉換成相應的電信號為信息處理電路提供輸入；放大器將微弱的電信號進行放大，以便進行A／D轉換；數(shù)據(jù)采集與處理電路主要完成對光信號的A／D轉換及信號的相關處理；計算機將數(shù)據(jù)進行分析和顯示處理，并與數(shù)據(jù)采集電路進行通信。其中，光纖耦合器、濾波器和光電檢測器等關鍵部件放置在恒溫箱中(恒溫200℃)。
溫度場測量系統(tǒng)的工作過程如下：在計算機和數(shù)據(jù)采集電路的控制下，脈沖激光器發(fā)出光脈沖信號，光脈沖信號通過光纖放大器放大后經(jīng)定向耦合器耦合到傳感光纖中，傳感光纖則置身于重質油溫度場中。在傳感光纖中傳播的光脈沖，其傳播過程中各點位置上引發(fā)的散射光(拉曼散射光中的斯托克斯和反斯托克斯)中的后向散射部分再次經(jīng)過光纖傳輸通道進入定向耦合器耦合到接收通道。通過光學濾波后，濾掉能量相對較強的瑞利后向散射光，分離出載有溫度信息的反斯托克斯光和斯托克斯光，分別送光電檢測器進行光電信號的轉換。再經(jīng)過放大后，送到數(shù)據(jù)采集與處理電路進行A／D轉換及信號的相關處理，并將處理后的信息送入計算機進行分析處理和顯示。
2．2 測量系統(tǒng)的軟件設計
系統(tǒng)的軟件主要包括數(shù)據(jù)采集與處理端軟件和計算機端軟件。其中，數(shù)據(jù)采集與處理端軟件主要負責實現(xiàn)信號的采集，目前這方面的技術已經(jīng)十分成熟，這里不再贅述。本系統(tǒng)的計算機端軟件采用的是NI公司的LabVIEW進行開發(fā)，主要實現(xiàn)溫度場測試系統(tǒng)的控制、系統(tǒng)設置及溫度場分布圖顯示等功能，軟件界面如圖2所示。

3 溫度場測量系統(tǒng)的實驗設計
根據(jù)結構框圖1構建測量系統(tǒng)，脈沖光源選用國產(chǎn)大光腔大功率半導體激光器，入纖峰值功率達110 W，脈沖寬度為50 ns，中心波長為1 550 nm，偏移量小于2 nm；耦合器分光比是50：38：12，目的是減少光損耗；濾波器采用鍍膜光學濾波片，并多片疊加使用以降低泵浦光的干擾，濾波器的波長偏移量小于5 nm；光電檢測器要求帶寬為80 MHz，選用C30902E/C30724E；放大器必須是高增益、寬帶、低噪聲的放大器，選用軌到軌運放AD8552；光纖傳感器是由線性分布光纖溫度傳感器和分布光纖點式繞組溫度傳感器組成；數(shù)據(jù)采集電路的A/D轉換器采用高速8位A/D轉換器AD9048來實現(xiàn)，最高采樣速率為35MSPS。
將自行設計的溫度場測量系統(tǒng)進行溫度標定后，在對重質油熱采時的溫度場進行時，將光纖分布在隔熱管內，可實現(xiàn)長度約為1 400 m的溫度場測量。經(jīng)過驗證發(fā)現(xiàn)，該溫度場測量系統(tǒng)設計方法獨特，系統(tǒng)的空間分辨率達到了1 m，測溫精度達到了O.5℃，可以滿足重質油熱采時的溫度場測量的要求。

4 結 語
分布式光纖測溫系統(tǒng)作為一種目前正在興起的測溫領域的新技術，優(yōu)勢十分明顯，不但在高尖領域得到應用，而且在傳統(tǒng)的工業(yè)領域被迅速推廣。該系統(tǒng)特別適用于對大面積、多點的連續(xù)實時性的溫度場測量要求，完全可以憑借其獨特的材料及形態(tài)上的優(yōu)點去取代大部分傳統(tǒng)的測溫系統(tǒng)。目前，我國石油行業(yè)對于分布式光纖測溫系統(tǒng)的使用和研發(fā)正處于起步階段，但可預知，隨著制作技術的日益成熟和器件性能的不斷提高，分布式光纖測溫系統(tǒng)必將在石油開采等領域中得到更為廣泛的應用。