RU2221225C1

RU2221225C1 - Fiber-optical device measuring temperature distribution

Info

Publication number: RU2221225C1
Application number: RU2003110529/03A
Authority: RU
Inventors: Б.Г. Горшков; М.В. Зазирный; А.Т. Кулаков
Original assignee: Зазирный Максим Владимирович
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2004-01-10

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of temperature distribution in extended objects, oil and gas production. SUBSTANCE: given fiber-optical device incorporates optical pulse radiation source that includes laser, sensitive element of pickup in the form of optical fiber and signal processing unit which incorporates timer, optical directional coupler and photoreceiving modules, synchronization photodetector. Optical fiber of sensitive element of pickup is multimode. Laser of optical pulse radiation source is single-mode with pumping from semiconductor laser. Optical directional coupler coupled single- mode and multimode optical fibers. Optical pulse radiation source is coupled to single-mode input of optical directional coupler, unit of spectral separation is coupled to multimode input of optical directional coupler, synchronization photodetector is coupled to single-mode output of optical directional coupler. Signal processing unit is supplemented with analog-to-digital converters and digital signal storage circuits. Photoreceiving modules are coupled to outputs of unit of spectral separation and to analog-to- digital converters which outputs are coupled to inputs of digital signal storage circuits. Timer is connected to analog-to-digital converters. Device can also bet fitted with thermal stabilization unit of reference length of multimode optical fiber. Single-mode fiber laser is built on ions of rare-earth elements. EFFECT: increased precision and simplified design of device. 2 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to devices for measuring the temperature distribution in extended objects and can be used in the oil and gas industry, for example, for measuring temperature in production wells along their entire length, in the energy sector.

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.).A device for measuring the temperature distribution is known, including a sensitive sensor (thermometer) connected to the logging cable, and a device for measuring temperature, placed on the surface. In the process of performing a logging cable run with a thermometer attached to it, a thermogram is recorded along the wellbore (RF patent No. 2194855, December 20, 2002).

Недостатком известного устройства является невозможность одновременной регистрации температуры по всему стволу скважины.A disadvantage of the known device is the inability to simultaneously register temperature throughout the wellbore.

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.).A device is known comprising a sensitive sensor (diagnostic probe) connected to a communication line, a measuring unit, the free end of a communication line connected to a drum. A device is used to diagnose technological channels, wells and pipelines (RF patent No. 2149467, 05.20.2000).

Недостатком известного устройства является невозможность одновременной регистрации температуры по всему технологическому каналу.A disadvantage of the known device is the inability to simultaneously register temperature across the entire technological channel.

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.).A fiber-optic device for measuring temperature distribution is known, including a sensor element in the form of an optical fiber, a pulsed optical radiation source, a directional coupler, a spectral separation device and photodetectors (GB patent GB 2140554 A, 11/28/1984).

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения температурного распределения.A disadvantage of the known device is the low accuracy of measuring the temperature distribution.

Задачей изобретения является создание простого по конструкции устройства, обеспечивающего высокую точность измерения температурного распределения при значительной длине чувствительного элемента за счет отношения сигнал/шум.The objective of the invention is to create a simple in design device that provides high accuracy of measuring the temperature distribution with a significant length of the sensitive element due to the signal-to-noise ratio.

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.The problem is solved in that in a fiber-optic device for measuring the temperature distribution containing a pulsed optical radiation source, a laser, a sensor element of the sensor in the form of an optical fiber and a signal processing unit, including a timer, a directional optical coupler, a spectral separation unit and photodetector modules, an additional synchronization photodetector was introduced; in addition, the optical fiber of the sensor element is multimode, a pulsed laser and the optical radiation is single-mode fiber pumped by a semiconductor laser, the directional optical coupler is made connecting the single-mode and multimode optical fibers, and the pulsed optical radiation source is connected to the single-mode input of the directional optical coupler, the spectral separation unit is connected to the multimode input of the directional optical coupler, the synchronization photodetector is connected with single-mode output of the optical coupler, complement the signal processing unit It contains analog-to-digital converters and digital signal storage devices, while photodetector modules are connected to the outputs of the spectral separation unit and to analog-to-digital converters, the outputs of which are connected to the inputs of digital signal storage devices, and the timer is connected to analog-to-digital converters.

Предпочтительно, чтобы устройство было снабжено узлом термостабилизации опорного отрезка многомодового оптического волокна.Preferably, the device was equipped with a node for thermal stabilization of the reference segment of a multimode optical fiber.

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.In one specific embodiment of the invention, the pump source is a semiconductor laser, and the pulsed fiber laser is a single-mode ytterbium ion laser with a generation wavelength of about 1.08 μm.

Изобретение поясняется блок-схемой устройства, приведенной на чертеже.The invention is illustrated in the block diagram of the device shown in the drawing.

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.The device includes a device for measuring temperature and the sensor element 4 in the form of a multimode optical fiber. The temperature measuring device comprises a pulsed single-mode fiber laser based on rare-earth elements 2, which in a particular case is made on ytterbium ions with a generation wavelength of about 1.08 μm. The output of the pump source 1 is connected by a segment of a multimode optical fiber with the input of a pulsed fiber laser 2 having an output to a single-mode optical fiber. A directional optical coupler 3 connects a single-mode optical fiber from the output of the laser 2 with an optical multimode fiber (sensor element 4). The input of the spectral separation unit 5 backscattered in the radiation fiber is connected to the multimode output of the coupler 3. The first and second photodetector modules 6, 7 are optically coupled to the output of the spectral separation unit 5. The inputs of the first and second analog-to-digital converters 8, 9 are connected to the outputs of the photodetector modules 6, 7, respectively. The outputs of the converters 8, 9 are connected to the inputs of the first and second digital signal storage 10, 11, respectively. The outputs of digital drives 10, 11 are connected by a digital bus 12, which is configured to connect to a computer 13. The timer 15 is digital, connected to a synchronization photodetector 14 and to converters 8, 9. The device can be equipped with a thermal stabilization unit 16 of the reference segment of a multimode optical fiber ( sensitive element of the sensor 4), which will further contribute to improving the accuracy of measurements. The thermal stabilization unit 16 ensures that the temperature of a certain (reference) portion of the multimode optical fiber (sensor element 4) is kept constant. The pump source 1 may be a semiconductor laser. The directional optical coupler 3 can be made, in particular, by welded technology. The multimode optical fiber (sensor sensitive element 4) is, in a specific embodiment, a cable of a certain design that can withstand the necessary tensile load and can be operated in the required temperature range. Its length can be several kilometers. It can be located on a winch drum, for example, installations for conducting geophysical surveys in wells. The device for measuring temperature can be made in the form of separate blocks and mounted on the same installation.

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.The device operates as follows. After the sensing element of the sensor 4 (multimode optical fiber) is positioned in a known manner, for example, the pump source 1 is turned on in the well, and under the influence of the pump radiation, the laser 2 is pulsed in the relaxation mode. Laser radiation through a single-mode optical fiber enters the directional optical coupler 3, and then into the multimode optical fiber (sensor element 4). The combination of single-mode and multimode optical fibers in a directional coupler 3 provides small losses when radiation is introduced into a multimode optical fiber from a single-mode and when radiation passes in the opposite direction along a multimode optical fiber (sensor sensitive element 4). When radiation propagates through a multimode optical fiber (sensor sensitive element 4), radiation is scattered with a predominance of Rayleigh (unbiased) component and two Raman components (Stokes and anti-Stokes). The ratio of the intensity of the anti-Stokes component of Raman scattering to the intensity of Rayleigh scattering or to the intensity of the Stokes component of Raman scattering is a function of the absolute temperature of the corresponding section of the multimode optical fiber (sensor sensitive element 4). Therefore, to obtain the temperature distribution in the measurement object, the scattering radiation is divided into spectral components by the spectral separation unit 5, each of which is received by an individual photodetector module 6, 7. Electrical signals from the output of modules 6, 7 are fed to analog-to-digital converters 8, 9, digitized and then there is a synchronous digital accumulation of signals to increase the signal-to-noise ratio in digital drives 10, 11. These drives drive the accumulated digital bus 12 combining them information in the computer 13, where the temperature distribution is calculated, provides a user-friendly presentation of the measurement information and its storage. Analog-to-digital converters 8, 9 are put into operation by the signals of a digital timer 15, which is synchronized by the time the laser pulse is generated by the synchronization photodetector 14. The thermal stabilization unit 16 keeps the temperature of a certain section of a multimode optical fiber playing the role of a reference channel constant.

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.Example. Using the proposed device, the temperature distribution in the injection well No. 1768 with a depth of 1714 m was measured at the Vozeyskoye field of the Komiarkticneft Oil and Gas Production Unit. The measurements were carried out during the injection into the well of the liquid immediately after the termination of the injection and 2 hours after the termination of the injection. For comparative analysis, thermometry was carried out in parallel using KSA-T7 equipment. The temperature distribution measurements using the proposed device were confirmed.

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.The use of the invention allows, by positioning the sensor element of the sensor, for example, in the well, to obtain the temperature distribution throughout the wellbore. At the same time, the device is notable for its simple design, it allows to increase accuracy and simplify the measurement process.

Claims

1. Fiber-optic device for measuring the temperature distribution, containing a pulsed optical radiation source, including a laser, a sensor element in the form of an optical fiber and a signal processing unit, including a timer, a directional optical coupler, a spectral separation unit and photodetector modules, characterized in that additionally introduced a synchronization photodetector, the optical fiber of the sensor element is multimode, the laser is a pulsed optical source and radiation is single-mode fiber pumped by a semiconductor laser, the directional optical coupler is made connecting the single-mode and multimode optical fibers, and the pulsed optical radiation source is connected to the single-mode input of the directional optical coupler, the spectral separation unit is connected to the multimode input of the directional optical coupler, the synchronization photodetector is connected to the single-mode the output of the optical coupler, the signal processing unit further comprises analog-to-digital converters and digital signal storage devices, while photodetector modules are connected to the outputs of the spectral separation unit and to analog-digital converters, the outputs of which are connected to the inputs of digital signal storage devices, and the timer is connected to analog-to-digital converters.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a node for thermal stabilization of the reference segment of a multimode optical fiber.

3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the single-mode fiber laser is made on rare-earth ions.