Волоконно-оптическая система скважинной термометрии рециркуляционного типа

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ И НАДЕЖНОСТЬ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

УДК 621.373.826:681.7.068

А. В. Поляков

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СКВАЖИННОЙ ТЕРМОМЕТРИИ

РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТИПА

Представлена структура квазираспределенного волоконно-оптического датчика температуры, предназначенного для скважинной термометрии при добыче высоковязкой нефти. Принцип действия датчика основан на регистрации частоты рециркуляции одиночных импульсов с их периодической регенерацией на различных длинах волн.

Ключевые слова: квазираспределенный волоконно-оптический датчик, температура, частота рециркуляции, спектральное разделение информационных каналов.

В последние годы в связи с конструктивной сложностью информационно-измерительных систем, базирующихся на традиционных электронных измерительных технологиях, а также вследствие влияния различных дестабилизирующих факторов на погрешность измерений значительно возрос интерес к волоконно-оптическим датчикам. Наряду с такими достоинствами этих датчиков, как способность работать при воздействии интенсивных электрических и магнитных полей, стойкость к агрессивным средам, пожаро- и взрывобезопасность, не менее важным преимуществом является возможность создания на их основе распределенных (квазираспределенных) измерительных систем. Это означает, что один и тот же волоконно-оптический датчик может использоваться для выполнения измерений в различных (многочисленных) точках пространства. Полученные данные при этом передаются в виде пространственного распределения соответствующей измеряемой величины. В связи с этим весьма перспективным является применение таких датчиков в нефтяной и химической промышленности, в электроэнергетике, для контроля состояния турбин, котлов, дамб, мостов, плотин.

Практически безальтернативным является использование волоконно-оптических датчиков в нефтедобывающей промышленности при контроле физических параметров непосредственно в стволе шахты. Одним из примеров применения подобных систем может служить их использование в процессе добычи высоковязкой, тяжелой, так называемой битумной нефти. Добыча высоковязкой нефти связана с применением перегретого пара для локального разогрева нефтенасыщенного пласта. Такие тепловые методы целесообразно применять в пластах с вязкостью нефти более 50 мПас.

Используемая в процессе добычи нефти волоконно-оптическая система скважинной термометрии содержит волоконно-оптический кабель, который размещается в стволе скважины, и электронный блок обработки данных, устанавливаемый на поверхности. В данном случае

оптическое волокно является одновременно и датчиком температуры, и каналом передачи информации из ствола скважины на поверхность. Температурный мониторинг позволяет определить оптимальное время добычи разогретой вязкой нефти.

Современные технологии обеспечивают бурение под углом на глубину до нескольких километров и горизонтальное бурение на расстояние до 2 км. В частности, в Татарстане (Россия) и Гомельской области (Беларусь), которые обладают богатыми залежами битумной нефти, нефтеносные пласты располагаются на глубине от 1 до 3 км. Таким образом, волоконно-оптический датчик должен измерять температуру до 300 °С, при этом длина волоконно-оптического тракта должна достигать 5 км.

Для температурного мониторинга нефтяных скважин компаниями "Amoco" (США), "Alberta Research Council" (Канада), „Петролайт" (Россия) разработаны распределенные волоконно-оптические датчики, основанные на эффекте комбинационного рассеяния (по зарубежной терминологии — рассеяние Рамана) в материале волоконно-оптического световода и применении технологии оптической рефлектометрии. К недостаткам таких датчиков можно отнести следующие особенности: 1) наряду с комбинационным в оптическом волокне возбуждается рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, кроме того, полезный сигнал может маскироваться рэлеевским рассеянием; 2) вследствие малого значения коэффициента рамановского рассеяния требуется длительное накопление сигнала и использование импульсов большой мощности; 3) погрешность измерений температуры составляет 1 °С.

Для повышения точности измерений посредством волоконно-оптических датчиков необходимо отказаться от аналоговой модуляции одного из параметров потока излучения и перейти к неаналоговой (дискретной) модуляции, вводя новые, неоптические, параметры потока излучения. Одним из перспективных путей решения подобных задач является переход к частотному (временному) представлению измеряемой величины, при котором время задержки оптического излучения в световоде зависит от измеряемых физических величин. Высокая чувствительность частоты рециркуляции в замкнутой оптоэлектронной системе к малым внешним воздействиям на волоконный световод позволяет реализовать новый принцип частотного представления информации. При этом повышение точности измерений достигается за счет идентификации измеряемых физических величин по частоте рециркуляции одиночного оптического импульса с его периодическим восстановлением по амплитуде, форме и длительности на каждом цикле циркуляции [1, 2]. Поскольку для предлагаемого метода измерений не требуется информация о фазе и поляризации оптической волны, в схеме датчика могут быть использованы многомодовые инжекционные лазеры и волоконные световоды, что позволит значительно упростить стыковку между оптическими элементами. Известно, что применение многомодового инжекционного лазера в силу малой когерентности позволяет уменьшить уровень шумов.

Для одновременного измерения температуры в нескольких требуемых точках контролируемого объекта автором разработана структура квазираспределенного волоконно-оптического датчика температуры (ВОДТ) со спектральным разделением каналов [3]. Принцип измерений основан на том, что изменение температуры приводит к изменению длины волокна и его показателя преломления, в результате чего изменяется частота рециркуляции. Сущность функционирования волоконно-оптического датчика, схема которого представлена на рис. 1, заключается в организации рециркуляции одиночных оптических импульсов с периодической регенерацией одновременно на нескольких длинах волн.

Устройство работает следующим образом. По сигналу блока управления, обработки и отображения данных (БУО) блок регенерации (БРГ) генерирует стандартные по амплитуде, длительности и форме начальные импульсы и запускает процесс циркуляции. Данные импульсы тока накачки после усиления модулятором тока (МТ) поступают на входы инжекци-онных лазеров линейки излучателей (ИЛ). Для уменьшения задержки между импульсами тока

накачки и излучением инжекционного лазера импульсы смещаются в предпороговую область постоянной составляющей тока накачки. Импульсы оптического излучения инжекционных лазеров на разных длинах волн объединяются в один световод мультиплексором (МП) и через направленный ответвитель (НО) вводятся в волоконный световод (ВС), разделенный на секции дихроичными зеркалами (ДЗ). Дихроичные зеркала настроены таким образом, что отражают излучение на определенной длине волны и пропускают остальное, при этом отраженное излучение еще раз отражается от зеркального отражателя (О). Отраженное излучение после некоторой задержки, определяемой оптической длиной оптоволоконной секции, с помощью ответвителя направляется на демультиплексор (ДМП), который пространственно разделяет спектральные каналы, затем отраженное излучение регистрируется линейкой фотоприемников (ФП). Сигнал с фотоприемников поступает на пороговые устройства— компараторы (ПУ), на выходе которых в момент пересечения сигналом порогового уровня формируются импульсы, управляющие блоком регенерации, снова генерирующим стандартные по амплитуде, длительности и форме импульсы. Таким образом, цикл рециркуляции замыкается. Последовательность циркулирующих информационных импульсов по сигналу блока управления, обработки и отображения данных выбирается коммутатором (К) и регистрируется частотомером (ЧМ). Полученная по окончании фиксированного времени измерения усредненная частота рециркуляции с частотомера передается в блок управления, обработки и отображения данных, где по заданному алгоритму производится ее преобразование в измеряемую температуру.

Измеряемая величина

Хь.Аи ^ у ^ у Хи

X ^ МП - ^ВсУ ^ВС) п (ВС 1

БУО

БРГ

ЧМ

К

1

1о

МТ

,_, X . МП

1

ИЛ X

)Т

Х ДЗ1

ДЗ2

-I

О

/^л

ДМП

ПУ

кз-

ФП

Рис. 1

Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика представляет собой отрезки кварцевых многомодовых волоконных световодов. На каждом цикле рециркуляции осуществляется так называемая 2^-регенерация (ге-ашрНйсайоп+ге-вЬар^), т. е. происходит восстановление информационного импульса по форме, амплитуде и длительности, что позволяет поддерживать процесс рециркуляции неограниченно долго. Информационным параметром является временное положение циркулирующего импульса. При этом длина волны излучения каждого лазера соответствует спектральной полосе отражения определенного дихроичного зеркала. Блок управления через блок регенерации может управлять числом рециркуляционных информационных каналов, запуская либо их все, либо только те, которые соответствуют волоконным секциям.

Использование дихроичных зеркал в качестве спектрально-селективных отражающих элементов имеет следующие преимущества:

X

п

— возможность работы при больших плотностях световой энергии, поскольку излучение в дихроичных зеркалах практически не поглощается;

— возможность работы при достаточно высоких температурах окружающей среды (до 500 °С) без расплавления и деформации зеркал;

— возможность долговременной эксплуатации зеркал без ухудшения спектрально-селективных свойств благодаря их конструкции;

— отсутствие необходимости применения специальных мер по стабилизации спектральных характеристик полупроводниковых лазеров благодаря тому, что дихроичные зеркала имеют широкую спектральную полосу отражения.

Анализ современного состояния технологий формирования дихроичных зеркал на основе тонких (порядка 100 мкм) АЮаАвМАхОу волноводов и слоев прозрачных диэлектрических материалов, таких как оксид титана и оксид кремния, наложенных на термостойкое бо-росиликатное стекло, показал (см. например, [4, 5]), что коммерчески доступные дихроичные зеркала при нормальном падении излучения в области ближнего ИК-диапазона обладают шириной спектра отражения 40—50 нм, коэффициент отражения при этом составляет 93—99 %, коэффициент пропускания 85—90 %. В качестве мультиплексора предлагается использовать волоконные сплавные разветвители типа 2x2 с сильно выраженными спектральными характеристиками с интервалом (по уровню 3 дБ) порядка 40 нм. По результатам измерений [6] отклонения центральных длин волн каналов от номинальных значений не превышает 2—3 нм, изоляция каждого канала от всех соседних каналов не менее 25 дБ, собственные вносимые потери по любому каналу составляют 0,5—1 дБ.

Относительная долговременная нестабильность (х) частоты рециркуляции является одним из основных факторов, определяющих метрологические характеристики волоконно-оптических датчиков рециркуляционного типа: величина ОДН х — есть результат наложения целого ряда как взаимосвязанных, так и не связанных между собой фундаментальных (обусловленных физическими принципами функционирования оптоэлектронных элементов) и технических (нестабильность питающих напряжений, температуры окружающей среды и т. п.) источников флуктуаций. Один из традиционных способов повышения метрологических характеристик измерительных устройств — увеличение времени измерений. Известно [7], что погрешность измерения случайной величины линейно уменьшается при увеличении времени измерения (и) пропорционально , где N=^/^0. На рис. 2 это проиллюстрировано зависимостью 1 при ¿и0=10 с; кривая 2 представляет собой экспериментальную зависимость относительной долговременной нестабильности х от времени измерения ¿и. Как следует из анализа графиков, нарастающее отклонение величины х от линейного закона при увеличении времени измерения свидетельствует о том, что волоконно-оптические датчики рециркуляционного типа обладают свойством накапливать флуктуации в процессе циркуляции. Следовательно, оптимальное время измерения при использовании подобных датчиков составляет 1 с.

Увеличение температуры Д9 волоконного световода приводит к увеличению его геометрической длины Ь (продольная деформация), изменению показателя преломления п и соответственно к изменению частоты рециркуляции. Одновременно с продольной деформацией световода происходит изменение его диаметра, т.е. возникает поперечная деформация. Этим

10

10-

10-

10-Рис. 2

10 4, с

объясняется эффект фотоупругости, который также приводит к изменению показателя преломления. В результате появляется дополнительная задержка ЛТ во времени распространения оптического сигнала по ВС. В общем случае зависимость изменения ЛТ при изменениях температуры может быть представлена следующим образом [8]:

ЛГ =

Ь0п

¡1 - у [ Р12-д(Р11 + Р12 )]|а + П Ц

Л0.

где р11 = 0,121 и р12 = 0,27 — коэффициенты Поккельса; д = 0,164 — коэффициент Пуассона; дп/ 50 — температурный коэффициент изменения показателя преломления ВС; Г0 — длина

участка ВС, подвергающегося температурному воздействию, при этом если импульс излуче-

0

ния распространяется в прямом и обратном направлениях, то Ь увеличивается в два раза; а — результирующий коэффициент линейного теплового расширения ВС с металлическим покрытием; с — скорость света.

В датчиках температуры, как правило, используются волоконные световоды с металлическим покрытием, нанесенным методом намораживания [9], который заключается в протягивании уже остывшего после вытяжки из заготовки волокна через слой жидкого металла конечной толщины. Это, во-первых, повышает чувствительность датчика, а, во-вторых, металлическое покрытие толщиной 15—20 мкм обеспечивает практически полную нечувствительность датчика к давлению [10]. В этом случае результирующий коэффициент линейного теплового расширения рассчитывается как

а = £SiEiа 1 /£ , г=1, 2, 3,

г i

где — площадь сечения волокна; Е — модуль Юнга; индекс г=1 соответствует сердцевине волокна, г=2 — его оболочке, г=3 — покрытию.

Для многомодового световода диаметр сердцевины П1 = 50 мкм, диаметр оболочки Б2 = 125 мкм, толщина металлического покрытия к3 = 15 мкм. Следовательно,

^ = тсД2 /4, £2 = л

В формуле (2) физические величины имеют следующие значения: а1=

9-10 °С-1,

а2=5,5-10-7 °С-1, а3=1,7-10-5 °С-1, Е1 =73 ГПа, Е2 =62 ГПа, Е3 = 82 ГПа.

Погрешность волоконно-оптического датчика температуры рециркуляционного типа определяется условием, что дополнительное приращение (уменьшение) времени задержки циркулирующего импульса при изменении температуры должно превышать максимальную величину нестабильности Хтах частоты рециркуляции, обусловленную не связанными с измеряемой температурой внешними и внутренними дестабилизирующими факторами. Выражение для оценки погрешности ВОДТ в широком температурном диапазоне имеет следующий вид:

Л0 = _

Хт

( т Т"0

Ь - Ь0 п0

л

1 -у [Р12 -д(р

11

-Р12 Д

1 дп

а+---

п д0

Л

+1

Ь0

п

Ь0 = [1 + а(0-00)], п = п

1 + -11

п0 ш

где п и Ь0 фиксируются при температуре 00 калибровки датчика.

Из выражения (4) следует, что погрешность ВОДТ зависит от длины Ье участка ВС, подвергающегося температурному воздействию. Как показывают проведенные расчеты для комнатной температуры (рис. 3), при использовании традиционных телекоммуникационых воло-

кон, легированных, например, оксидом германия или алюминия, с небольшим температурным коэффициентом изменения показателя преломления (ёп/ё9 = 2-10-5 °С-1), для получения наименьшей температурной погрешности необходимо уменьшать величину х, при этом длина световода Ье должна составлять 80—95 % от общей длины волоконной секции Ь (кривые 1 и 2 на рис. 3). Кривая 1 рассчитывалась для х=4-10-6, что соответствует Ь=25.. .50 м, для кривых 2 и 3 х=2-10-6 при Ь>100 м. Для того чтобы уменьшить влияние величины Ье на значение Д^тт, необходимо использовать специальные световоды с повышенным температурным ко-

A9min, C

1,5 1,25 1

0,75 0,5 0,25

0,45 0,6 Рис. 3

0,9 L /L

эффициентом изменения показателя преломления (dn/d9 = 2-10-5 °C-1 — кривая 3), что достигается, например, в световодах с эллиптической сердцевиной, легированной оксидом бора. В работах [2, 8] показано, что использование B2O3 позволяет повысить (по сравнению с Al2O3) чувствительность датчика на 27 % при комнатной температуре и на 45 % при 9 = 400 °С. Однако здесь имеются ряд трудностей и ограничений. Легирование кварцевого стекла примесью B2O3 приводит к уменьшению показателя преломления сердцевины волокна. В то же время для возникновения эффекта полного внутреннего отражения показатель преломления оболочки ВС должен обладать еще более низким значением (разница должна составлять 1—4 %). В этом случае оболочку ВС необходимо легировать, например, фтором. Изготовление таких волокон технологически является достаточно сложной задачей. Температурный предел функционирования боросиликатных волокон составляет приблизительно 500 °С.

Проведенные в соответствии с выражениями (2)—(4) расчеты показали, что для L>100 м

величина xmax< 3 • 10-6 при условии, что температурному воздействию подвергается до 90 % волоконной секции стандартного световода, погрешность измерений не превышает 0,2 °С.

Наряду с информационными импульсами в системе могут возникать паразитные сигналы, связанные с шумовыми процессами. Проведенные исследования показали, что во избежание ложного срабатывания и для устойчивого функционирования датчика минимальный уровень сигнала на входе компаратора должен составлять не менее 4 мВ. Порог срабатывания компаратора соответствует половине амплитуды входного сигнала, что обеспечивает наибольшую стабильность частоты рециркуляции. При этом уровень составляющих излучения, связанных с рэлеевским рассеянием, спонтанным рассеянием Мандельштама — Бриллюэна и комбинационным рассеянием Рамана, существенно меньше информационных сигналов.

Компоненты схемы представленного волоконно-оптического датчика температуры имеют следующие параметры: мощность излучения AlGaAs/GaAs и InGaAsP/InP инжекционных лазеров — 5 мВт (типа EG&G Optoelectronics SG2004A, NEC NX6306 и NX8562); спектральная чувствительность Ge-ЛФД и InGaAs-ЛФД — 8,8...9,4 А/Вт для полосы 1 ГГц и коэффициента лавинного умножения М=10 (типа NEC NR4210, EG&G Optoelectronics J16A и C30645E); нагрузочное сопротивление фотоприемника — 50 Ом; потери на каждом дихроичном зеркале — 1,6 дБ (при прохождении излучения в двух направлениях); суммарные потери на мультиплексоре, демультиплексоре, направленном ответвителе и всех соединениях — 9 дБ.

Увеличение общих потерь в световоде с металлическим покрытием в основном связано с микроизгибными потерями, увеличение которых наблюдается при росте температуры до +250 °С. Согласно [11] наименьшее приращение оптических потерь в волокне при нагревании наблюдается в световоде с медным покрытием, но и оно может возрастать в 4—5 раз по

сравнению с комнатной температурой. Несмотря на это рассмотренное измерительное устройство с указанными параметрами позволяет обеспечить работу с волоконно-оптическим преобразователем требуемой длины. Максимальная измеряемая температура ограничивается динамической прочностью волокна, сроком эксплуатации датчика и может достигать +400 °С.

Таким образом, предложенная структура квазираспределенного волоконно-оптического датчика температуры, принцип действия которого основан на регистрации частоты рециркуляции одиночного импульса с его периодической регенерацией на разных длинах волн в спектральном интервале 850—1610 нм, позволяет одновременно проводить измерения в нескольких (до десяти) точках. Погрешность измерений температуры не превышает 0,2 °С при времени измерения 1 с в диапазоне температур от 0 до +100 °С, при этом максимальная измеряемая температура составляет +400 °С для длины волоконно-оптического измерительного преобразователя в несколько километров при использовании многомодовых градиентных волоконных световодов с металлическим покрытием.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузьмин К. Г., Малевич И. А., Поляков А. В., Чубаров С. И. Прецизионный волоконно-оптический датчик на основе оптоэлектронной рециркуляционной системы // Измерительная техника. 1999. № 7. С. 32—35.

2. Поляков А. В. Частотная волоконно-оптическая измерительная система // Датчики и системы. 2008. № 1. С. 29—32.

3. Поляков А. В. Рециркуляционный волоконно-оптический датчик температуры // Измерительная техника. 2002. № 4. С. 40—43.

4. Hideyuki Takada, Masayuki Kakehata, Kenji Torizuka. High-energy dichroic chirped mirror for an ultrashort pulse amplification system // Jpn. J. Appl. Phys. 2003. Vol. 42. P. L760—L762.

5. Dichroic mirror embedded in a submicrometer waveguide for enhanced resonant nonlinear optical devices / Luigi Scaccabarozzi, M. M. Fejer, Yijie Huo et al. // Optics Lett. 2006. Vol. 31. P. 3285—287.

6. Прокофьев Л. П., Сахаров В. К., Щербаков В. В. Мультиплексоры на одномодовых разветвителях для техники CWDM // Радиотехника. 2004. № 12. С. 50—53.

7. Купер Дж., Макгиллем К. Вероятностные методы анализа сигналов и систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

8. Поляков А. В. Чувствительность рециркуляционных волоконно-оптических датчиков температуры // Оптич. журн. 2004. Т. 71, № 9. С. 84—87.

9. Бирюков А. С., Богатырев В. А., Хитун А. Г. Моделирование метода намораживания металлического покрытия на волоконный световод // ЖТФ. 1997. Т. 67, № 1. С. 100—109.

10. Окоси Т. Волоконно-оптические датчики: Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат, 1990.

11. Влияние металлического покрытия на оптические потери при отжиге волоконных световодов / В. В. Волошин, И. Л. Воробьев, Г. А. Иванов и др. // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35, № 8. С. 41—47.

Сведения об авторе

Александр Владимирович Поляков — канд. физ-мат. наук, доцент; Белорусский государственный университет, кафедра физики и аэрокосмических технологий, Минск; E-mail: polyakov@bsu.by

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

физики и аэрокосмических технологий 02.03.11 г.