（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

為了實(shí)現(xiàn)油田井下溫度壓力的全分布式測(cè)量，提出了一種基于光纖散射原理的分布式溫度壓力測(cè)量方法。該方法通過(guò)對(duì)普通光纖進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)，制作成傳感光纖。由于光纖傳感器周?chē)黧w的溫度和壓力會(huì)對(duì)傳感光纖內(nèi)的散射光產(chǎn)生調(diào)制作用，通過(guò)光纖解調(diào)儀解調(diào)出光纖拉曼散射參數(shù)和布里淵散射頻移就能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和壓力的實(shí)時(shí)在線測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的分布式光纖溫度壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)量分辨率為0.1℃，壓力測(cè)量分辨率為0.07MPa?；緷M足油田井下溫度壓力測(cè)量的全分布式、實(shí)時(shí)在線、可靠性高、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等要求。

光纖傳感；溫度測(cè)量；壓力測(cè)量；拉曼散射；布里淵散射

1 引言

在油田的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，油田井下參數(shù)的測(cè)量對(duì)于了解井下流體狀態(tài)特性、優(yōu)化生產(chǎn)、提高原油采收率、降低采油成本有著重要的作用，在井下諸多參數(shù)的測(cè)量中，尤其以溫度和壓力參數(shù)的測(cè)量最為重要。對(duì)于油田井下溫度的測(cè)量，國(guó)內(nèi)外一直采用紅外熱像儀和熱成像儀。隨著油田對(duì)井下溫度測(cè)量精度、測(cè)量范圍的要求越來(lái)越高，以及新型傳感器的迅速發(fā)展，人們研制出越來(lái)越多的新型溫度傳感器，例如基于激光和超聲波原理的井下溫度測(cè)量傳感器。對(duì)于油田井下壓力的測(cè)量，常采用通過(guò)鋼絲繩將測(cè)量裝置下到井下某一深度，進(jìn)行單點(diǎn)壓力測(cè)量。根據(jù)測(cè)量原理，油田井下壓力測(cè)量裝置可以分為機(jī)械式和電子式，盡管機(jī)械式壓力測(cè)量裝置具有防震、抗電磁干擾、易維修等優(yōu)點(diǎn)，但是其致命缺陷為必須停止生產(chǎn)才能測(cè)量，嚴(yán)重影響油田的生產(chǎn)效率；電子式壓力測(cè)量裝置具有壽命長(zhǎng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是容易受井下潮濕、電磁等環(huán)境的干擾，測(cè)量和傳輸過(guò)程易產(chǎn)生誤差。

由以上分析可知，目前應(yīng)用于油田井下溫度壓力測(cè)量的傳統(tǒng)裝置和儀器具有以下缺陷：（1）傳統(tǒng)的測(cè)量裝置為單點(diǎn)測(cè)量裝置，隨著測(cè)點(diǎn)的增多，測(cè)量系統(tǒng)將變得繁雜，并且增加測(cè)量成本；（2）由于油井具有大量腐蝕性液體，常規(guī)測(cè)量裝置很難長(zhǎng)期置于井下，不能實(shí)現(xiàn)油田井下溫度和壓力的實(shí)時(shí)在線測(cè)量；（3）傳統(tǒng)測(cè)量裝置需要油井停產(chǎn)才能測(cè)量，影響油田的生產(chǎn)效率，并且其測(cè)量數(shù)據(jù)不能反映生產(chǎn)過(guò)程中真實(shí)參數(shù)；（4）目前測(cè)量裝置需要電信號(hào)來(lái)傳遞測(cè)量數(shù)據(jù)，由于井下電磁環(huán)境的干擾，數(shù)據(jù)測(cè)量有誤差。

近年來(lái)，隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，基于光纖的傳感技術(shù)逐步發(fā)展起來(lái)，并得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)原理是光脈沖在光線中傳輸時(shí)，其散射光的相位、頻率等參數(shù)會(huì)受到周?chē)h(huán)境溫度和壓力的調(diào)制作用而發(fā)生變化，測(cè)量端通過(guò)解調(diào)設(shè)備解析出散射光的各種參量變化，就能間接計(jì)算出要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度和壓力。由于光纖傳感器具有精度高、體積小、抗電磁干擾和腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感器被應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、航天等領(lǐng)域［1-5］，同時(shí)也有多種類(lèi)型的光纖傳感器被提出并應(yīng)用于油田井下的測(cè)量，其中光纖光柵傳感器［6-8］應(yīng)用最為廣泛，但是光纖光柵傳感器只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量。本文提出的基于拉曼和布里淵散射原理設(shè)計(jì)的光纖傳感器，除了具備光纖傳感器的所有優(yōu)點(diǎn)外，集傳感和信號(hào)傳輸于一體，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離全分布式實(shí)時(shí)在線測(cè)量與監(jiān)控。

2 光纖傳感器測(cè)量原理

2.1 溫度測(cè)量原理

光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種拉曼散射：斯托克斯散射和反斯托克斯散射［9］。

距離測(cè)量端L的斯托克斯光子數(shù)表達(dá)式為：

距離測(cè)量端L的反斯托克斯光子數(shù)表達(dá)式為：

式中：vs和va分別為斯托克斯頻率和反斯托克斯頻率，Ks和Ka分別為與斯托克斯和反斯托克斯散射截面有關(guān)的系數(shù)，α0為入射光傳輸損耗，αs和αa分別為斯托克斯和反斯托克斯光傳輸損耗，L為光纖距離，Rs（T）和Ra（T）分別為與光纖低能級(jí)和高能級(jí)布局?jǐn)?shù)有關(guān)的系數(shù)［10-12］。

其中，Rs（T）和Ra（T）與光纖局部溫度有關(guān)，

式中：h為普朗克常數(shù)；k為玻爾茲曼常數(shù)。

用式（1）除以式（2），并且?guī)胧剑?）和式（4）得到：

假設(shè)初始溫度T=T0，則有：

用式（5）除以式（6），經(jīng)過(guò)整理有：

測(cè)量端解調(diào)設(shè)備接收到L處的拉曼散射后，能夠?qū)ζ涔鈱W(xué)參數(shù)進(jìn)行解調(diào)，進(jìn)而通過(guò)式（7）就能計(jì)算得出L處光纖周?chē)h(huán)境的溫度值［13］。

2.2 壓力測(cè)量原理

當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生布里淵散射，散射光的頻率相對(duì)于入射光的頻率會(huì)發(fā)生多普勒頻移，稱(chēng)為布里淵散射頻移，其表達(dá)式為［14］：

式中：vB為布里淵散射頻移，n為光纖折射率，c為真空中的光速，μ為光纖泊松比，ρ為光纖密度，E為光纖彈性模量。

光纖材料的折射率、泊松比、密度和彈性模量會(huì)受到周?chē)h(huán)境溫度和應(yīng)力的調(diào)制作用而發(fā)生變化，因此vB可以表示為：

由上式可知，光纖中布里淵散射頻移為溫度和應(yīng)變的函數(shù)，為了進(jìn)行壓力測(cè)量，假設(shè)L處的溫度為常數(shù)T0，式（9）可改寫(xiě)為：

由于光纖材料具有較大的彈性模量，因此其應(yīng)變?chǔ)艠O小，將式（10）在ε=0處進(jìn)行泰勒展開(kāi)，并且保留一次項(xiàng)，得到：

對(duì)于同一種光纖，Δμ、ΔE、Δn、Δρ為與光纖折射率、彈性模量和密度有關(guān)的常數(shù)，因此在L處溫度已知的情況下，通過(guò)輸入端測(cè)量設(shè)備解調(diào)L處的布里淵散射頻移，就可以計(jì)算出L位置處的應(yīng)變值，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)換，就可得到測(cè)量位置的壓力值。

3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和靈敏度分析

3.1 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由以上光纖溫度壓力測(cè)量原理可知，本文設(shè)計(jì)的傳感器需要兩根光纖進(jìn)行溫度和壓力雙參數(shù)的解調(diào)。由于拉曼散射信號(hào)在多模光纖中更為明顯，因此選用G651多模光纖作為溫度測(cè)量傳感器；布里淵散射信號(hào)在單模光纖中傳輸?shù)母h(yuǎn)，因此選用G652D單模光纖作為壓力測(cè)量傳感器。

為了保護(hù)纖細(xì)易碎的裸光纖，同時(shí)應(yīng)對(duì)油田井下高溫、高壓、腐蝕等嚴(yán)苛環(huán)境，本文將玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂（GFRP）材料與光纖相結(jié)合，設(shè)計(jì)了高強(qiáng)度光纖傳感器。具體制作過(guò)程為：將玻璃纖維紗浸潤(rùn)在樹(shù)脂中，然后通過(guò)合束盤(pán)的作用，將兩根光纖包裹在玻璃纖維紗的中心成為一束，接下來(lái)在加熱爐中將玻璃纖維紗熔化，最后通過(guò)模具將其拉擠出來(lái)，經(jīng)過(guò)冷卻，便得到了GFRP材料與光纖固化一體的光纖傳感器，其制作過(guò)程如圖1所示。

圖1 光纖傳感器制作過(guò)程Fig.1 Manufacturing process of optical fiber sensor

3.2 溫度測(cè)量靈敏度分析

截取長(zhǎng)為l的光纖傳感器進(jìn)行分析，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)為多層圓筒壁結(jié)構(gòu)，如圖2，由外到內(nèi)分別為GFRP層、光纖涂覆層和傳感光纖。圖中λ1為光纖涂覆層的導(dǎo)熱系數(shù)，λ1=0.8W/（m·K）；λ2為GFRP材料的導(dǎo)熱系數(shù)，λ2=2.8W/（m·K）；R1為內(nèi)部傳感光纖半徑，R1=62.5μm；R2為光纖涂覆層外徑，R2=0.49mm；R3為GFRP層外徑，R3=3.5mm；T1為內(nèi)部傳感光纖測(cè)量溫度；T2為光纖涂覆層外表面的溫度；T3為GFRP層外表面溫度。

圖2 光纖傳感器溫度傳遞模型Fig.2 Temperature transfer model of optical fiber sensor

由傳熱學(xué)原理可知，對(duì)于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，圓筒壁徑向熱流量Φs為：

將上式在光纖傳感器各傳熱界面進(jìn)行積分，便得出封裝后光纖傳感器外表面溫度T3與內(nèi)部傳感光纖測(cè)量溫度T1之間的關(guān)系：

顯然，由式（14）就得到傳感器總傳熱系數(shù)：

將光纖傳感器各層參數(shù)帶入式（15），經(jīng)過(guò)計(jì)算得出總傳熱系數(shù)UZ=82.197 8W/（m·K），可以看出，經(jīng)過(guò)封裝的光纖傳感器依然具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，其溫度測(cè)量延遲很小，具有較高的靈敏度，完全能夠滿足油田井下溫度測(cè)量的要求。

3.3 壓力測(cè)量靈敏度分析

由于內(nèi)部傳感光纖直徑相比光纖涂覆層非常小，現(xiàn)將光纖傳感器壓力傳遞模型簡(jiǎn)化為兩層圓筒壁結(jié)構(gòu)（圖3），分別為GFRP層和光纖涂覆層。圖中R1為光纖涂覆層半徑，R1=0.49mm；R2為GFRP層外徑，R2=3.5mm；E1為光纖涂覆層彈性模量，E1=4GPa；E2為GFRP層彈性模量，E2=60GPa；μ1為光纖涂覆層泊松比，μ1=0.5；μ2為GFRP層泊松比，μ2=0.17；P1為光纖涂覆層外表面所受均布?jí)毫?；P2為光纖GFRP層外表面所受均布?jí)毫Α?/p>

圖3 光纖傳感器壓力傳遞模型Fig.3 Pressure transfer model of optical fiber sensor

由廣義胡克定律，受到壓力P1后，光纖涂覆層外表面的徑向變形為：

由彈性力學(xué)中的拉梅公式可得出GFRP層內(nèi)壁表面位移：

并且由位移邊界條件可知ΔR2=-ΔR1：

整理上式得到：

帶入傳感器材料各層參數(shù)得出，K=0.654 33，即，P1=1.1930P2，由此可以看出，經(jīng)過(guò)封裝設(shè)計(jì)的光纖傳感器對(duì)外部壓力有放大作用，具有較高的壓力測(cè)量靈敏度，能夠滿足油田井下壓力的測(cè)量。

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

4.1 溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了標(biāo)定本文設(shè)計(jì)的光纖傳感器的溫度測(cè)量性能，將傳感器置于恒溫箱內(nèi)，恒溫箱溫度范圍設(shè)置為15～120℃，采用美國(guó)MOI公司的DTS5100拉曼光纖解調(diào)儀對(duì)測(cè)量的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后根據(jù)本文提出的基于拉曼散射原理的溫度測(cè)量方法計(jì)算得出測(cè)量溫度值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中間隔5℃進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣，并且進(jìn)行升溫與降溫兩個(gè)循環(huán)，因此共取得44組數(shù)據(jù)，最后將實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制曲線圖，橫坐標(biāo)為恒溫箱環(huán)境溫度值，縱坐標(biāo)為用本文設(shè)計(jì)的光纖傳感器結(jié)合拉曼光纖解調(diào)儀測(cè)量計(jì)算的出的恒溫箱中的溫度值，如圖4所示。

圖4 光纖傳感器溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Temperature measuring result of optical fiber sensor

由于光纖傳感器置于恒溫箱內(nèi)，隨著恒溫箱溫度的變化，周?chē)鸁崃客ㄟ^(guò)光纖傳感器的GFRP保護(hù)層傳遞到內(nèi)部傳感光纖。由2.1節(jié)可知，光纖材料的Rs（T）和Ra（T）參數(shù)受到周?chē)鷾囟鹊恼{(diào)制作用，從而使得其斯托克斯光子數(shù)Ns和反斯托克斯光子數(shù)Na根據(jù)周?chē)鷾囟鹊淖兓兓?。在測(cè)量端首先使用拉曼光纖解調(diào)儀測(cè)量初始標(biāo)定溫度的斯托克斯和反斯托克斯光子數(shù)；然后測(cè)量各個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)刻的托克斯和反斯托克斯光子數(shù)，并且與初始測(cè)量時(shí)的光子數(shù)進(jìn)行比對(duì)；最后通過(guò)式（7）就能夠計(jì)算得出測(cè)量的環(huán)境溫度值。由上圖測(cè)量結(jié)果可以看出，測(cè)量曲線線性度良好，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的GFRP封裝光纖傳感器具有較高的溫度測(cè)量精度。

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出了標(biāo)定之后光纖傳感器溫度測(cè)量的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如表1所示，由表1可以看出，本文設(shè)計(jì)的光纖傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足油田井下溫度測(cè)量的要求。

表1 光纖傳感器溫度標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Measuring results of system temperature calibration

4.2 壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了標(biāo)定GFRP封裝光纖傳感器的壓力測(cè)量性能指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行了壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)。將光纖傳感器置于充滿機(jī)油的自制液壓缸內(nèi)，然后將光纖傳感器從液壓缸密封接口引出，連接到AQ8603布里淵光纖解調(diào)儀上，進(jìn)行布里淵散射信號(hào)的解調(diào)，進(jìn)而通過(guò)上文提出的壓力測(cè)量原理計(jì)算液壓缸內(nèi)周?chē)后w的靜壓力值。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，維持環(huán)境溫度為恒定值，對(duì)液壓缸在0～20MPa范圍內(nèi)逐級(jí)進(jìn)行加壓和泄壓，壓力變化2MPa進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣，共進(jìn)行兩個(gè)升降壓力循環(huán)，獲得壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。以液壓缸內(nèi)壓力為橫坐標(biāo)軸，光纖解調(diào)儀采樣得出的布里淵頻移為縱坐標(biāo)，繪制了測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 光纖傳感器壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Pressure measuring result of optical fiber sensor

由于液壓缸內(nèi)的光纖傳感器受到周?chē)后w壓力的作用，光纖材料的折射率、泊松比、密度和彈性模量會(huì)發(fā)生變化，由2.2節(jié)可知，其布里淵散射頻移相應(yīng)地就會(huì)受到壓力和溫度的調(diào)制作用而發(fā)生變化，因此由式（12）就可以對(duì)光纖周?chē)鷫毫M(jìn)行測(cè)量。由圖5測(cè)量結(jié)果可以看出，光纖傳感器測(cè)量的壓力值與布里淵頻移近似呈線性關(guān)系，符合上文提出的基于布里淵散射理論進(jìn)行壓力測(cè)量的原理方法，用最小二乘法對(duì)以上測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出布里淵散射頻移與測(cè)量壓力的線性關(guān)系為：

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光纖解調(diào)儀的采樣頻率設(shè)置為1MHz，因此根據(jù)式（20）可以得出此光纖傳感器的壓力測(cè)量分辨率為0.067 6MPa，對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就得出了光纖傳感器壓力測(cè)量標(biāo)定的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如表2所示。由表2可以看出，本文設(shè)計(jì)的光纖傳感器各項(xiàng)指標(biāo)均滿足油田井下壓力測(cè)量的要求。

表2 光纖傳感器壓力標(biāo)定結(jié)果Tab.2 Measuring results of pressure calibration

5 結(jié)論

本文基于光纖拉曼散射和布里淵散射理論，提出了采用光纖傳感器進(jìn)行溫度和壓力分布式測(cè)量的方法。為了提高光纖傳感器的實(shí)用性，本文確定了采用GFRP材料進(jìn)行光纖傳感器的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且對(duì)封裝之后的光纖傳感器的溫度壓力測(cè)量靈敏度進(jìn)行了分析，確定了傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。最后，為了標(biāo)定本文設(shè)計(jì)的分布式光纖溫度壓力傳感器，分別進(jìn)行了溫度標(biāo)定測(cè)量實(shí)驗(yàn)和壓力標(biāo)定測(cè)量實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的全分布式光纖溫度壓力傳感器溫度測(cè)量分辨率為0.1℃，壓力測(cè)量分辨率為0.07MPa，滿足油田井下溫度壓力參數(shù)的要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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徐 寧（1987—），男，山東萊陽(yáng)人，博士研究生，研究實(shí)習(xí)員，2013年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光電探測(cè)成像結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析方面的研究。E-mail：xuninghit@163.com

戴明（1965—），男，湖北潛江人，博士生導(dǎo)師，研究員，1993年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事光電平臺(tái)穩(wěn)定技術(shù)、圖像穩(wěn)定技術(shù)及航空光電成像技術(shù)方面的研究。E-mail：daim@vip.sina.com

分布式光纖溫度壓力傳感器設(shè)計(jì)

徐 寧1，2*，戴 明1

Design of distributed optical fiber sensor for temperature and pressure measurement

XU Ning1，2*，DAI Ming1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）
*Corresponding author，E-mail：xuninghit@163.com

In order to realize fully distributed measurement for temperature and pressure in an oil well，a measurement method of distributed temperature and pressure based on scattering theory of optical fiber is established.The method makes the common optical fiber into the sensing fiber through package design.Since the scattered light in the sensor fiber is modulated by the temperature and pressure of the fluid surrounding the optical fiber sensor，the real-time on-line measurement of the temperature and pressure is accomplished through the demodulation of the parameters of Raman scattering and Brillouin scattering frequency shift within the optical fiber by the optical fiber demodulator.Experimental results indicate that the distributed optical fiber sensor for temperature and pressure measurement can realize that the temperature resolution is 0.1℃ and pressure resolution is 0.07 MPa.It can satisfy the requirements of fully distributed，real-time，on-line，higherreliability，higher precision and strong anti-jamming for the measurement of temperature and pressure in an oil well.

optical fiber sensor；temperature measurement；pressure measurement；Raman scattering；Brillouin scattering

2095-1531（2015）04-0629-07

TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.3788/CO.20150804.0629

2015-02-11；

2015-03-13

中科院長(zhǎng)春光機(jī)所重大創(chuàng)新項(xiàng)目（No.Y3CX1SS14C）