・３８・ ２０１５年４月 工程技术 工程技术 分布式光纤测温技术在油田开发中的应用 赵汉峰 （胜利油田有限公司现河采油厂，山东东营２５７０００） 摘 要：用脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲，在光纤中形成后向散射光和前向散射光，通过测量后向反射光的强度，就 可以得出光纤所处的环境温度。它的技术基础是光时域反射技术，分布式光纤测温技术即由此发展而来。分布式测温技术的主 要优势在于光纤无须在检测区域内来回移动，无热滞后现象，无电缆拉伸或仪器浮动，能保证井内的温度平衡状态不受影响。 本文综合介绍了井下分布式光纤测温技术的研究应用及测试工艺。 关键词：分布式光纤测温；传感光纤；技术应用 中图分类号：ＴＮ２５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１．５５８６（２０１５）０９—００３８．０１ １引言 分布式光纤测温技术是近年来发展起来的一种用于实时测 量空间温度场分布的新技术，七十年代起伴随着光导纤维及光 纤通信技术的发展而迅速发展起来，我国从九十年代后期首次 利用分布式光纤监测技术测量温度以来，至今已有多个工程应 用。 ２光纤测温的基本原理 ２．１光纤测温原理 分布式光纤监测系统主要是一种时域分布式光纤监测系 统，它的技术基础是光时域反射技术。其工作机理是脉冲激光 器向被测光纤发射光脉冲，有一部分光会偏离原来的传播向空 间散射，在光纤中形成后向散射光和前向散射光。由于每一个 向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延时 即反应在光纤总线上的位置，背向反射光的强度可以反映出反 射点的温度。测量出背向反射光的强度，就可以计算出反射点 的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。 用公式表示： Ｒ（ｒ）＝Ｉａ／Ｉｓ＝（ ｓ／ ａ）４ｅｘｐ（－ｈｃｖ。 Ｔ１ Ｌ＝ｃｆｆ２ 式中，ｈ为普朗克常数；ｃ为真空中的光速；ｋ为波尔兹 曼常数；Ｔ为绝对温度；ｔ为渡越时间。 从式中可以看出，Ｒ（ｒ）仅与温度Ｔ有关，而与光强、入射 条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。据此，我们可以借助探 测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值来实现温度 绝对测量，利用该原理的温度传感检测原理图如下： 图１分布式光纤测温系统原理图 ｒ 镰八ｔ ． ． 矗 豫！』一一 麓辩 羝 特 图２分布式光纤测温系统结构框图 ２．２光纤测温系统组成 分布式光纤测温系统从硬件上讲由传感光纤、终端机、计 算机三个部分组成，从功能上讲由激光光源、传感光纤和检测 单元组成。 传感光纤既是信号的传输通道，又是温度传感器，它由高 纯度ｓｉＯ２制成的光纤经 ３×０．３６ｒａｍ毛细不锈钢管铠装后， 并填充润滑油制成。 终端机是系统的核心组成部分，其主要功能是实现信号的 发射、接收、滤波、放大和信息处理，数据分析和输出。由激 光二极管（ＬＤ）、驱动器（Ｄ ｖＥＲ）、光电检测器（ＡＰＤ）、 放大器组件（ＡＭＰ）、光纤传感回路（ＯＦＬ）、信号处理电路 和连接器组成。 计算机实现系统的控制、信号处理、显示储存和打印以及 外部其它扩展功能。 ２．３光纤测温施工方式 对光纤测温系统而言，光纤本身既是传感介质也是传输介 质，在测量时，不需要温度探头和电缆设备，主要的施工方式 有两种：移动方式和固定方式。 移动方式：移动方式与常规的电缆测井施工方法类似，即 将光纤放入井中，所不同的是无须挂接测量仪器。主要用于注 蒸汽井注水井的注入剖面、自喷井产出剖面、套管井的井况测 试。 固定方式：将外披钢丝光纤与生产管柱捆绑后下入井下， 直到下一次作业时起出，传感光纤在较长的一段时间内固定于 井下，这种工作方式主要用于对重要的油气井的井下温度分布 进行长期不间断的监测，尤其是在注蒸汽热采井中，通常使用 固定式。可用于深井泵、螺杆泵、采油井、高凝油井、稠油井 的生产动态剖面测试。 ３光纤测温在油田开发中的应用 ３．１找水、找漏、找窜 油田开发后期，油水井漏、窜现象严重，而油井逐渐加深， 注水井压力逐年上升，利用常规多参数测井仪器进行找水、找 漏、找窜时，由于电缆及下井仪的体积大，井底压力高，仪器 经常下不去。因此，使用新的光纤测井技术替代电缆测井非常 必要。 ３．２温度剖面监测 分布式光纤温度传感器其温度指标远远高于常规井温仪 器，充分满足了高温井筒的需要，从而为稠油高温蒸汽井的剖 面测试提供了一条新途径。解决了油水井的产出注入剖面、注 蒸汽井的吸汽剖面测试、判断产气层位，还可用于水平生产井 的产层部位监测。 ３．３实时井下监测 固定式光纤监测可以连续或根据需要提供数据，因此大大 地降低了数据采集的作业成本。几十年来，采油公司都在地面 采集数据，这些测量不能准确地反映生产趋势（下转第８５页） 工程技术 科技创新 ２０１５年４月 ・８５・ 当前帧的目标匹配后，要计算后续帧目标匹配用的各种运 算法进行精子运动轨迹跟踪得到的效果图。该图显示的是精子 动参数，这些参数包括当前帧目标的中心位置、精子的累积平 运动图像序列的最后一帧图像，图中画出的红线表示精子运动 均速度、当前帧精子的运动方向码、快速精子和慢速精子的判 轨迹，红点表示精子静止或者只发生了轻微摆动，这些精子有 断。 可能是死精或病态精子。从图中可以看出有一处（如图中方框 取出待匹配队列中的下一个精子目标重复上述匹配过程， 所示区域）可能存在误跟踪现象。经过动态观察图像序列，发 直到全部目标匹配结束。接着将当前帧中符合精子条件未被前 现图中左下角方框区域是由于发生了精子碰撞而引起的。图中 帧目标匹配的标号加入到下一帧的待匹配队列中，这些未被 菱形标记区域，通过动态观察图像序列，解决了多目标跟踪同 匹配的目标可能是在当前帧中浮现或从外部进入图像。到此当 目标的现象。图中圆圈标记区域是精子游出镜头区域的情况， 前帧目标匹配结束。 在图像中只留下一条运动轨迹。而椭圆标记区域是精子游入镜 后一帧目标匹配重复上述过程，直到所有序列图像都匹配 头区域的情况，由此可见对于图像序列采集过程中游入和游出 完，初步跟踪过程结束。 镜头区域的精子目标，也能进行很好的跟踪，其他情况，跟踪 ２实验结果与分析 效果较好。整体来说，本文算法跟踪准确性高，对多种可能的 精子运动情况，都能得到比较满意的结果。 参考文献 ［１】薛景浩，章毓晋，林行刚．一种新的图像模糊散度阈值化 分割算法［Ｊ］＿清华大学学报，１９９９，３９（１）：４７．５０． ［２】刘洋．运动视觉中目标的精确提取与跟踪技术【Ｄ】．西安： 西安电子科技大学，２００７． ［３】柳建武．精子质量计算机辅助分析技术的研究［Ｄ】．武汉： 华中科技大学，２００７． ［４］Ｒａｆａｅｌ Ｃ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｅ．Ｗｏｏｄｓ．数字图像处理（第三版） ［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２０１ １，５０１—５０８． ［５】苏兴俊，陈景波，胥法伟．交通图像序列中的多目标跟踪［Ｊ］． 常熟理工学院学报，２００９（０４）． ［６】陈天洲，石教英．精子图像的形态分析［Ｊ］．中国图像图形学 报，１９９９（２）：１４７．１５１． 一一［７］司锡才，陈玉坤，李志刚．数据关联算法的研究［Ｊ］．哈尔滨 工程大学学报，２００７（０７）． 图４跟踪效果图 图４为采用基于精子运动速度、方向估计的邻域匹配跟踪 （上接第３８页）及出现的问题。但根据实时井下监测数据，可 ４．２主要优势 通过分布式光纤测温工艺的特点及其同传统测温工艺的比 以及时地发现水、气或注入流体的早期突破等问题，并采取有 较来看，其主要优势在于以下几个方面： 效的措施。 （１）可以在高温高压环境下，对井下的温度场分布进行长 ３．４井下设备状况监测 监测电潜泵和螺杆泵的工作温度，以便为提前警告故障隐 患而评价动态特性；监测配置有气举阀的部位压力和温度，以 确定气体正在何处进人，使产量达到最大，从而优化其气 举过程；监控采油井的泵吸入排出口压力温度，合理确定油井 工作制度，避免过载或欠载引起的井下设备事故；还可用于油 田油气水管线的穿孔、泄露监测。 ４光纤测温工艺评价 ４．１主要特点 （１）光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目 前损耗能达到 ０．２ｄＢ／ｋｍ的水平。 （２）传感器频带宽，可进行超高速测量，一般８．１０秒完 成一次测量，灵敏度和线性度好。 （３）光纤传感器体积小，重量轻，能在恶劣环境下进行非 接触式、非破坏性以及远距离（０～８ｋｍ）大范围多点同时测量。 （４）结构简单，可靠性高。由于分布式传感型光纤监测系 统的光纤总线既作为传感器，又作为传输介质，不仅起传光作 用，而且起传感作用，因此结构异常简单，方便施工，潜在故 期的监测； （２）无热滞后现象，无电缆拉伸或仪器浮动，消除了常规 障率大大低于传统技术，可维护性好，可靠性高。 （５）无热滞后现象，无电缆拉伸或仪器浮动，消除了常规 测井深度误差的影响。 （６）信息量大。分布式传感型光纤监测系统能在整个连续 光纤的长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测温度随光 纤长度方向的变化，即光纤任一点都是“传感器”，它的信息 量可以说是海量信息。 测井深度误差的影响； （３）光纤无须在检测区域内来回移动，能保证井内的温度 平衡状态不受影响。 （４）信息量大，测量时间短，大大提高了测井效率。 ４．３存在问题 由于光纤传感器在石油测井领域的应用还处于研究开发阶 段，不可避免的存在一些问题，主要有以下几个方面： 是光纤以及连接器对信号的衰减问题，解决的方法为尽 量降低光源的谱宽、提高其稳定性，减少连接器的数目和光纤 熔接点以及改进连接器的性能。（接头衰减：１ｄＢ／点；熔接衰减： Ｏ．０１．０．０７ｄＢ／点） 二是实施永久监测时，井下安装光纤容易损坏，解决的方 法为配备熟练工人、光纤传感器需要外部保护层、减小应力。 ５结论 光纤测温系统是专门为长距离（０～８ｋｍ）大范围多点测 量的应用而设计制造的，它可以将整个油水井各点的温度实时 显示出来，突出时效性。光纤测温系统不受任何电磁干扰，并 且防燃、防爆、抗腐蚀、耐高温、使用方便，可以在恶劣的环 境下对复杂的温度场进行实时快速的检测和定位，具有传统井 温测量方法无可比拟的优势，决定了其在油田测试领域具有广 阔的应用前景。 一
