Диссертация (Мониторинг профиля притока (приемистости) в горизонтальных скважинах по результатам распределенной нестационарной термометрии), страница 8

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы составляет порядка8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокнеможет распространяться только один луч (одна мода). Из-за этого одномодовыеволокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосепропускания. Однако, одномодовые источники излучения в несколько раз дорожемногомодовых. В такой тип волокна труднее «ввести» излучение по причинемалых размеров жилы.47а)б)Рис. 2.2 Одномодовый (а) и многомодовый (б) оптические кабелиОба типа характеризуются двумя важнейшими параметрами: дисперсией изатуханием.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями напоглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери напоглощение напрямую зависят от чистоты, потери на рассеяние – отнеоднородностей преломления. Затухание зависит от длины волны вводимого вволокно излучения.

В настоящее время передачу сигналов по волокнуосуществляют в трех диапазонах: 0.85 мкм, 1.3 мкм, 1.55 мкм, так как именно вэтих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность. Другой важнейшийпараметр оптического волокна – дисперсия. Дисперсия – это рассеяние во времениспектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют тритипа дисперсии [94, 95, 96, 109]: Межмодовая дисперсия (обусловлена разной траекторией движения волн врезультате чего они приходят к приемнику в разные моменты времени); Межчастная дисперсия (расчет большей скорости распространения болеекоротких волн, волны достигают приемника в разные моменты времени); Материальная дисперсия (за счет различия в плотностях участков световодаволны достигают приемника в разные моменты времени).Оптоволоконные датчики, исходя из принципа кодирования измеряемойинформации, можно условно разделить на следующие большие группы [94, 95, 96,109]:48 фазовые — датчики, в которых используется высококогерентный источникизлучения и производится измерение фазы световой волны, изменяющейсяпод влиянием внешнего параметра; со спектральным кодированием — датчики, где, в отличие от чисто фазовых,используется источник излучения с широким спектром с возможностьюанализа всего спектра; амплитудные — датчики, в которых измеряемый параметр модулируетинтенсивность проходящей или отраженной световой волны; туннельные — датчики, где используется эффект туннелирования излучениячерез малый зазор; поляризационные — датчики, использующие информацию о поляризациисветовой волны;Стоит отметить, что это не единственный способ классификацииоптоволоконных датчиков.

Можно провести классификацию по принципудействия [94, 95, 96, 109]: интерференционные (Майкельсона, Фабри—Перо, Маха—Цандера и т.д.), распределенные (обратное и прямое рассеяние), люминесцентные, на внутриволоконных решетках, комбинированные.Также можно разделить датчики по локализации измеряемого параметра [94,95, 96, 109]: точечные — датчики, отвечающие за измерения непосредственно в однойлокальной точке; распределенные — сенсоры, представляющие результаты измерений вдольпротяженной системы, существенно большей, чем в точечном случае; квазираспределенные — представляют собой сеть точечных элементов,каждый из которых снимает показания в своей точке привязки.49Прииспользованиираспределенныхоптоволоконныхсистемпоследовательность кратковременных световых импульсов посылается вдольсоответствующего кабеля.

При прохождении импульса по волокну, этотоптический сигнал взаимодействует с микроскопическими дефектами, инебольшая часть фотонов этого светового импульса рассеивается (рис.2.3). Хотянекоторые из них снова захватываются волокном и в дальнейшем возвращаются.Однако, большинство из этих претерпевающих обратное рассеяние фотонов имеюттакую же длину волны, как у лазерного импульса, в результате чего возникаетявление обратного рассеяния по Рэлею [94, 95, 96, 109].Рис. 2.3 Принцип измерения распределенным датчиком на основе оптоволокнаОднако на небольшую часть фотонов обратного рассеяния оказываетвоздействие нелинейное событие, которое называется рамановским рассеянием(данное рассеяние лазерного импульса появляется непосредственно благодарямолекулярным колебаниям в оптоволокне), и возвращающиеся фотоны имеют двеновые длины волн.

Первая рамановская, которая названа стоксовой длиной волны,больше длины волны лазерного луча [94, 95, 96, 109]. Другая, названнаяантистоксовой длиной волны, короче длины волны лазерного луча (рис.2.4).50Антистоксовая компонентаРамановского рассеяния  i<Бриллюэновское рассеяние  i<Влияние излучения источникаc длиной волныE*РассеянноеизлучениеEiРэлеевское рассеяние i=Стоксовая компонентаРамановского рассеянияEo i>Начальное энергетическое состояниевещества в интервале измеренияРис.2.4 Спектр обратного рассеяния.Отношение числа антистоксовых фотонов к стоксовым является функциейтемпературы.

Распределение температур вдоль волокна может быть вычислено спомощью нахождения отношения амплитуд стоксовых и антистоксовых сигналов,которые регистрируются на поверхности.Выделяется еще один вид рассеяния, так называемое бриллюэновское,которое более интенсивное чем стоксовые сигналы, но имеют меньшийспектральныйсдвиг.Такойспектральныйсдвигвызванакустическимиколебаниями кристаллической решетки волокна и несет в себе информацию омеханических напряжениях и температурах, которые воздействуют на волокноизвне. Воздействие температурных колебаний и механических напряженийспособствуют изменению положения бриллюэновской линии на шкале длин волн.Глубина, соответствующая каждому температурному замеру, являетсяфункцией расстояния по длине оптического волокна от поверхности до точкирегистрации.

Это расстояние определяется временем прохождения света отлазерного источника до точки измерения температуры и скоростью света вволокне. Для преобразования в измеренную скважинную глубину вышеупомянутоерасстояние согласуется с множеством естественных или расчетных температур вфиксированных точках на поверхности и в стволе скважины в разных частяхволоконно-оптического кабеля. Эти фиксированные температурные отметкисоответствуют строго определенным событиям [94, 95, 96, 109].Самым современным видом среди оптоволоконных систем мониторингасчитаются датчики температуры на основе Рамановских линий.

Принцип работытакого датчика заключается в том, что интенсивность стоксовой рамановской51компоненты рассеянного излучения практически не зависит от температуры, аинтенсивность антистоксовой линии наоборот – весьма сильно с ней связана. Этопозволяет найти значение температуры посредством определения отношенияинтенсивности антистоксовой стоксовой линии.522.4 Структура измерительной системыСхематическая структура волоконно-оптической системы измерения состоитиз блока формирования сигнала с частотным генератором, оптического модуля,лазера,приемногоблокаиблокамикропроцессора,атакжесамогооптоволоконного кабеля в качестве линейного температурного датчика.Принципизмерениясигнала заключаетсяв следующем:частотно-модулированный луч лазера направляется в световод, затем в каждой точке вдольволокна возникает комбинационный рассеянный свет, излучаемый во всехнаправлениях (рис.2.5).

Часть этого рассеянного света движется в обратномнаправлении к блоку формирования сигнала. Далее осуществляется спектральнаяфильтрация света обратного рассеивания, его преобразование в электрическиесигналы, усиление и дальнейшая обработка. Встроенный микропроцессорпроизводит расчет преобразования Фурье. В качестве промежуточного результатаполучаются кривые комбинационного обратного рассеивания. Амплитуда кривыхобратного рассеивания пропорциональна интенсивности соответствующегокомбинационного рассеивания.

Из отношения кривых обратного рассеиванияполучают температуру вдоль волоконного кабеля.J*J*tРис. 2.5 Особенности спектра отраженного (рассеянного) сигналаСистемы измерения температуры Рамана могут быть оптимизированыпосредством настройки таких параметров прибора как дальность действия,точностьтемпературы,Термостойкостьлокальноестекловолоконногоразрешение,покрытиявремяизмеренияограничиваетит.д.максимальныйдиапазон температуры кабеля. Следует отметить, что на стандартные типы волоконнаносят, как правило, акриловое покрытие, и пригодно оно лишь для диапазона53температур до 80 °C. Полиамидное же покрытие может использоваться домаксимальной температуры в 400 °C.Учитывая всё упомянутое ранее, одна из основных технических проблем припрактическомпримененииоптоволоконныхсистемдлястационарногомониторинга температуры в скважинах связана с обеспечением необходимойточности регистрируемых аномалий.Как известно, в процессе записи температуры происходит последовательныйприем отраженных сигналов с некоторым временным шагом.