Волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения

Изобретение относится к устройствам для измерения температурного распределения в протяженных объектах и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности, например, для измерения температуры в добывающих скважинах на всем их протяжении, в энергетике.

Известно устройство для измерения температурного распределения, включающее чувствительный датчик (термометр), связанный с каротажным кабелем, и приспособление для измерения температуры, размещаемое на поверхности. В процессе выполнения в скважине спуска-подъема каротажного кабеля с присоединенным к нему термометром осуществляется регистрация термограммы по стволу скважины (патент РФ №2194855, 20.12.2002 г.).

Недостатком известного устройства является невозможность одновременной регистрации температуры по всему стволу скважины.

Известно устройство, содержащее чувствительный датчик (диагностический зонд), связанный с линией связи, измерительный блок, свободный конец линии связи связан с барабаном. Используется устройство для диагностики технологических каналов, скважин и трубопроводов (патент РФ №2149467, 20.05.2000 г.).

Недостатком известного устройства является невозможность одновременной регистрации температуры по всему технологическому каналу.

Известно волоконно-оптическое устройство для измерения температурного распределения, включающее чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна, импульсного источника оптического излучения, направленный ответвитель, устройство спектрального разделения и фотодетекторы (патент Великобритании GB 2140554 А, 28.11.1984 г.).

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения температурного распределения.

Задачей изобретения является создание простого по конструкции устройства, обеспечивающего высокую точность измерения температурного распределения при значительной длине чувствительного элемента за счет отношения сигнал/шум.

Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическом устройстве для измерения температурного распределения, содержащем импульсный источник оптического излучения, лазер, чувствительный элемент датчика в виде оптического волокна и узел обработки сигналов, включающий таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения и фотоприемные модули, дополнительно введен фотоприемник синхронизации, кроме того, оптическое волокно чувствительного элемента датчика выполнено многомодовым, лазер импульсного источника оптического излучения является одномодовым волоконным с накачкой от полупроводникового лазера, направленный оптический ответвитель выполнен связывающим одномодовое и многомодовое оптические волокна, причем импульсный источник оптического излучения связан с одномодовым входом направленного оптического ответвителя, узел спектрального разделения связан с многомодовым входом направленного оптического ответвителя, фотоприемник синхронизации связан с одномодовым выходом оптического ответвителя, узел обработки сигналов дополнительно содержит аналого-цифровые преобразователи и цифровые накопители сигналов, при этом фотоприемные модули связаны с выходами узла спектрального разделения и с аналого-цифровыми преобразователями, выходы которых связаны с входами цифровых накопителей сигналов, а таймер связан с аналого-цифровыми преобразователями.

Предпочтительно, чтобы устройство было снабжено узлом термостабилизации опорного отрезка многомодового оптического волокна.

В одном из конкретных примеров реализации изобретения в устройстве источник накачки представляет собой полупроводниковый лазер, а импульсный волоконный лазер представляет собой одномодовый лазер на ионах иттербия с длиной волны генерации около 1,08 мкм.

Изобретение поясняется блок-схемой устройства, приведенной на чертеже.

Устройство включает приспособление для измерения температуры и чувствительный элемент датчика 4 в виде многомодового оптического волокна. Приспособление для измерения температуры содержит импульсный одномодовый волоконный лазер на ионах редкоземельных элементов 2, который в конкретном случае выполнен на ионах иттербия с длиной волны генерации около 1,08 мкм. Выход источника накачки 1 связан отрезком многомодового оптического волокна с входом импульсного волоконного лазера 2, имеющего выход на одномодовое оптическое волокно. Направленный оптический ответвитель 3 связывает одномодовое оптическое волокно с выхода лазера 2 с оптическим многомодовым волокном (чувствительным элементом датчика 4). Вход узла 5 спектрального разделения, обратно рассеянного в волокне излучения, связан с многомодовым выходом ответвителя 3. Первый и второй фотоприемные модули 6, 7 оптически связаны с выходом узла 5 спектрального разделения. Входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей 8, 9 соединены с выходами фотоприемных модулей 6, 7 соответственно. Выходы преобразователей 8, 9 соединены с входами первого и второго цифровых накопителей сигналов 10, 11 соответственно. Выходы цифровых накопителей 10, 11 объединены цифровой шиной 12, которая выполнена с возможностью подключения к компьютеру 13. Таймер 15 выполнен цифровым, соединен с фотоприемником синхронизации 14 и с преобразователями 8, 9. Устройство может быть снабжено блоком термостабилизации 16 опорного отрезка многомодового оптического волокна (чувствительного элемента датчика 4), что еще в большей мере будет способствовать повышению точности измерений. Блок термостабилизации 16 обеспечивает поддержание постоянной температуры некоторого (опорного) участка многомодового оптического волокна (чувствительного элемента датчика 4). Источник накачки 1 может представлять собой полупроводниковый лазер. Направленный оптический ответвитель 3 может быть выполнен, в частности, по сварной технологии. Многомодовое оптическое волокно (чувствительный элемент датчика 4) представляет собой в конкретном примере воплощения кабель определенной конструкции, выдерживающий необходимую растягивающую нагрузку и допускающий эксплуатацию в необходимом диапазоне температур. Его длина может составлять несколько километров. Он может располагаться на лебедочном барабане, например, установки для проведения геофизических исследований в скважинах. Приспособление для измерения температуры может быть выполнено в виде отдельных блоков и смонтировано на этой же установке.

Устройство работает следующим образом. После расположения известным образом чувствительного элемента датчика 4 (многомодового оптического волокна), например, в скважине включают источник накачки 1, и под действием излучения накачки происходит импульсная генерация лазера 2 в режиме релаксации. Лазерное излучение по одномодовому оптическому волокну поступает в направленный оптический ответвитель 3, а далее в многомодовое оптическое волокно (чувствительный элемент датчика 4). Соединение одномодового и многомодового оптических волокон в направленном ответвителе 3 обеспечивает малые потери при вводе излучения в многомодовое оптическое волокно из одномодового и при прохождении излучения в обратном направлении по многомодовому оптическому волокну (чувствительному элементу датчика 4). При распространении излучения по многомодовому оптическому волокну (чувствительному элементу датчика 4) происходит рассеяние излучения с преобладанием релеевской (несмещенной) компоненты и двух компонент комбинационного рассеяния (стоксовой и антистоксовой). Отношение интенсивности антистоксовой компоненты комбинационного рассеивания к интенсивности релеевского рассеяния или к интенсивности стоксовой компоненты комбинационного рассеивания есть функция абсолютной температуры соответствующего участка многомодового оптического волокна (чувствительного элемента датчика 4). Поэтому для получения температурного распределения в объекте измерения излучение рассеяния разделяется на спектральные компоненты узлом 5 спектрального разделения, каждая из которых принимается индивидуальным фотоприемным модулем 6, 7. Электрические сигналы с выхода модулей 6, 7 поступают в аналого-цифровые преобразователи 8, 9, оцифровываются и затем происходит синхронное цифровое накопление сигналов для повышения отношения сигнал/шум в цифровых накопителях 10, 11. По объединяющей их цифровой шине 12 эти накопители отправляют накопленную информацию в компьютер 13, где и вычисляется температурное распределение, обеспечивается удобное для пользователя представление измерительной информации и ее хранение. Аналого-цифровые преобразователи 8, 9 запускаются в работу по сигналам цифрового таймера 15, который синхронизируется по моменту генерации лазерного импульса фотоприемником синхронизации 14. Блок термостабилизации 16 поддерживает постоянной температуру некоторого участка многомодового оптического волокна, играющего роль опорного канала.

Пример. С использованием предлагаемого устройства было проведено измерение температурного распределения в нагнетательной скважине №1768 глубиной 1714 м на месторождении “Возейское” НГДУ “Комиарктикнефть”. Измерения проводились во время закачки в скважину жидкости сразу после прекращения закачки и через 2 часа после прекращения закачки. Для сопоставительного анализа была проведена параллельно термометрия с использованием аппаратуры КСА-Т7. Данные измерений температурного распределения с использованием предлагаемого устройства подтвердились.

Использование изобретения позволяет, расположив чувствительный элемент датчика, например, в скважине, получать температурное распределение по всему стволу скважины. При этом устройство отличается простотой конструкции, позволяет повысить точность и упростить процесс измерений.