專利名稱：具有psc纖維的多波長dts纖維窗的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于井下氫環(huán)境(down-hole hydrogen environment)中的光纖分布式溫度系統(tǒng)(optical fiber distributed temperature system)的應用，特別涉及耐氫的PSC纖維(hydrogen tolerant PSC fiber)連同所選的多波長DTS技術的使用。相關申請的引用本申請要求于2010年3月19日提交的美國臨時申請系列號61/340，626的權益。
背景技術：
在20世紀80年代早期發(fā)明了基于拉曼譜的分布式溫度感測法(Raman basedDistributed Temperature Sensing) (DTS),并且在20世紀90年代首先在石油和天然氣工業(yè)(Oil&Gas industry)中展開?，F(xiàn)在DTS以大軌跡記錄廣泛用于常規(guī)油井中。成功的應用范圍從監(jiān)控水注入、氣舉(gas lift)、井完整性、流動建模到熱資源監(jiān)控(thermal assetmonitoring)。更具挑戰(zhàn)性的井下應用之一是具有高溫的井并且在該井中存在氫。一個實例應用是蒸汽輔助重力泄油(SAGD)技術，其被用作提高的采油技術以用于生產(chǎn)重質(zhì)原油和浙青，如在加拿大油砂中。由于增加的光學衰減，光纖在富氫熱井中的早期布置經(jīng)歷纖維損壞，還稱作纖維暗化(fiber darkening)。當氫與摻雜劑或纖維中的缺陷位點反應時，在電信級纖維中發(fā)生通過增加的光學衰減證實的纖維暗化。如果沒有解決，這隨著時間可以導致非功能性的溫度測量。大多數(shù)DTS系統(tǒng)基于光時域反射(OTDR)原理。非常短的光脈沖發(fā)射到光纖中并且該脈沖與光纖中的熔融石英相互作用，因為其在纖維下方傳播。這種相互作用將使光沿著光纖的全長背散射。背散射的光(backscattered light)將由3種不同的分量(components):瑞利(Rayleigh)、布里淵(Brillouin)和拉曼背散射的光組成。瑞利分量在與發(fā)射的脈沖相同的波長處背散射，而布里淵和拉曼分量均以波長轉移(偏移)。這些不同分量的測量可以用來測量許多參數(shù)，尤其是溫度和應變。這些參數(shù)測量的位置可以通過測量發(fā)射脈沖與反射光之間的飛行時間來確定。為了處理氫暗化的有害效應，已經(jīng)提出了許多解決方案，其中大多數(shù)已經(jīng)解決了特定應用中的問題，雖然不是全部可以被成功地用于每種情況中，尤其是用于非常高的溫度(>150° C)應用中。固定電纜可以利用電纜中的除氫凝膠(掃氫凝膠，hydrogenscavenging gel)來制造。除氫凝膠可以被視為吸收氫的海綿。在一些時間點，如果存在足夠的氫，則海綿將飽和。除氫凝膠用于低于150° C的應用中，因為該凝膠在升高的溫度下分解(損壞)并開始釋放氫。用于氫暗化的另一種減輕途徑是碳涂覆的纖維。這些可以有效地處理在可達150° C的光纖中的氫腐蝕，并且在一些情況下，高質(zhì)量的碳涂層可以在短時間段內(nèi)用于更高的溫度中。但是，清除凝膠和碳涂層兩者不適于高溫井。用于回收重質(zhì)油的增加的需要導致接近300° C的蒸氣驅動技術。在減輕氫暗化中受到很多關注的另一種途徑是純二氧化硅芯(PSC)光纖的使用?？梢灾苽錄]有添加的化學品和摻雜劑的PSC纖維，所述化學品和摻雜劑為與氫反應的前體。這種途徑可以比凝膠或碳涂層更有效，但是當在高溫下暴露于游離氫時仍然可以呈現(xiàn)氫引起的衰減。已經(jīng)描述了這些途徑的組合。美國申請公開20060222306A1描述了在寬溫度范圍內(nèi)耐氫致?lián)p失的光纖的開發(fā)，所述光纖使用純二氧化硅芯和碳、金屬或者氮化硅的氫阻止層(hydrogen retarding layer),然后另外的包覆層和保護外護套。氫引起的衰減的還有的另一種途徑經(jīng)由通過使用多波長途徑的DTS系統(tǒng)。在美國專利7，628，531中，使用了具有兩個光源的DTS系統(tǒng)并且其顯示出能夠校正由局部傳感纖維光纜的不確定性引起的誤差。發(fā)現(xiàn)其斯托克斯(Stokes)帶與DTS系統(tǒng)的一次光源(主光源，primary light source)的反斯托克斯(anti-Stokes)帶一致的二次光源(輔助光源，secondary light source)可以用于這種目的。這種類型的系統(tǒng)通過在測量模型中使用一次光源并且收集背散射的拉曼斯托克斯和反斯托克斯光分量并使用這些分量的強度(亮度)以計算溫度來操作。然后在收集或校準模式中，提供二次光源的脈沖并且收集二次光源的背散射的拉曼斯托克斯分量，并使用其來校正來自一次光源的拉曼反斯托克斯分布(Raman anti-Stokes prof ile),而在測量模式中，并且由校正的反斯托克斯分布來計算校正的溫度。類似地，國際公開W02009011766A1表明在油井中暗化的一些纖維仍可以通過應用雙波長DTS系統(tǒng)而用于準確測量，其中進入纖維中的二次光能量(輔助光能量，secondarylight energy)對應于一次光能量(主光能量,primary light energy)的反斯托克斯波長。隨著傳統(tǒng)輕質(zhì)原油領域驅動勘探的降低速率日益朝向更重的原油，石油勘探的增加的需求需要比上述任何一種更耐用的解決方案。其可以在高得多的溫度環(huán)境中工作并且對于纖維裝置的整個工作壽命是可靠的。
發(fā)明內(nèi)容
這種需要通過本公開內(nèi)容的發(fā)明來滿足。該需要通過其中操作波長是至關重要的組合的多波長DTS和光纖系統(tǒng)來滿足。本發(fā)明的一個方面是用于在使用纖維光學分布式傳感器的系統(tǒng)中在測量模式期間在高溫富氫環(huán)境中自動校準溫度測量的方法，包括以下步驟在測量模式中，將一次光源光脈沖能量提供到傳感纖維中；收集背散射的拉曼斯托克斯和反斯托克斯光分量；使用所述背散射的拉曼斯托克斯和反斯托克斯光分量的強度來計算溫度；在校正模式期間，選擇二次光源并將所述二次光源的脈沖提供給傳感纖維；收集二次光源的背散射的拉曼斯托克斯分量；利用在所述校正模式中從二次光源收集的拉曼斯托克斯分量來校正在測量模式中時由一次光源收集的拉曼反斯托克斯分布(Raman anti-Stokes prof ile);以及由校正的反斯托克斯分布來計算校正的溫度。其中纖維光學分布式傳感器是純硅芯(PSC)纖維；并且其中一次光源是1064nm波長源,而二次光源是980nm波長源。本發(fā)明的另一個方面是用于在使用纖維光學分布式傳感器的系統(tǒng)中在高溫富氫環(huán)境中自動校準溫度測量的方法，至少包括以下步驟利用一次光源將一次光能量引入到傳感器纖維中；從一次光能量收集背散射的瑞利和反斯托克斯光分量；測量背散射的瑞利光分量的衰減并且利用其來校正反斯托克斯光分量；利用二次光源將二次光能量引入到傳感器纖維中；收集所述二次光源的背散射的瑞利和斯托克斯光分量；測量背散射的瑞利光分量的衰減并且利用其來校正斯托克斯光分量；利用一次光能量的校正的背散射反斯托克斯信號與二次光能量的校正的背散射斯托克斯信號的比率來計算溫度；其中，纖維光學分布式傳感器是純娃芯(PSC)纖維；并且其中一次光源是1064nm波長源,而二次光源是980nm波長源。本發(fā)明的另一個方面是用于在使用纖維光學分布式傳感器的系統(tǒng)中在高溫富氫環(huán)境中自動校準溫度測量的方法，包括以下步驟利用一次光源將一次光能量引入到傳感器纖維中；收集在一次光能量的拉曼反斯托克斯波長處的背散射的光能量并測量其強度；在一次光能量的拉曼反斯托克斯波長處利用二次光源將二次光能量引入到纖維中；收集在二次光能量的拉曼斯托克斯波長處的背散射的光能量并測量其強度；以及利用一次光能量的背散射的反斯托克斯信號和二次光能量的背散射的斯托克斯信號來計算溫度；其中，纖維光學分布式傳感器是純硅芯(PSC)纖維；并且其中一次光源是1030nm波長源，而二次光源是990nm波長源。在另一個方面中，單脈沖調(diào)制電路可以操作一次光源和二次光源。該方面為兩個激光器提供常見的調(diào)制參數(shù)，所述激光器不斷地以參數(shù)如調(diào)制電流幅度、重復頻率和脈沖寬度提供具有同一條件的好得多的連續(xù)脈沖。在另一個方面中，一次光源和二次光源還可以是相同的光源，S卩，可操作性地為傳感纖維提供至少兩種光學信號的雙波長激光源。在另一個方面中，PSC纖維還可以具有碳涂層以進一步增強對氫致衰減的耐性。
通過參照圖I至圖6可以最好地理解優(yōu)選的實施方式以及它們的優(yōu)點。圖I顯示了單端DTS系統(tǒng)。 圖2顯示了雙端DTS系統(tǒng)。圖3顯示了對于四種不同的光學探針的OTDR信號水平。圖4在(a)和(b)中顯示了使用圖3的探針的不同的溫度測量結果。圖5顯示了對于代表性的PSC纖維的歸因于氫減少(hydrogen regression)引起的損耗(感應損耗，induced loss)。圖6顯示了對于圖5的纖維由于臨界波長的檢修損耗(attention loss)。
具體實施例方式雖然此處已經(jīng)詳細地描述了本發(fā)明的一些實施方式以及它們的優(yōu)點，但是應當理解，在不背離如由所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行各種改變、替換和變更。而且，本發(fā)明的范圍不用于限制于本文描述的工藝、機器、制造、手段(裝置)、方法和步驟的特定實施方式。因為本領域普通技術人員將從該公開內(nèi)容容易地理解，根據(jù)本發(fā)明可以采用目前存在的或后來待開發(fā)的執(zhí)行基本上與本文描述的相應實施方式相同
權利要求
1. 一種用于在使用纖維光學分布式傳感器的系統(tǒng)中在高溫富氫環(huán)境中自動校準溫度測量的方法，包括以下步驟 a.在測量模式中，將一次光源光脈沖能量提供到傳感纖維中； i.收集背散射的拉曼斯托克斯和反斯托克斯光分量； .使用所述背散射的拉曼斯托克斯和反斯托克斯光分量的強度來計算溫度； b.在校正模式期間，選擇二次光源并將所述二次光源的脈沖提供給傳感纖維； 1.收集所述二次光源的背散射的拉曼斯托克斯分量； .利用在所述校正模式中從所述二次光源收集的所述拉曼斯托克斯分量來校正在測量模式中時從所述一次光源收集的拉曼反斯托克斯分布；以及 iii.由校正的反斯托克斯分布來計算校正的溫度， c.其中，所述纖維光學分布式傳感器是純硅芯(PSC)纖維；并且 d.其中，所述一次光源是1064nm波長源,而所述二次光源是980nm波長源。
2.一種用于在使用纖維光學分布式傳感器的系統(tǒng)中在高溫富氫環(huán)境中自動校準溫度測量的方法，包括以下步驟 e.利用一次光源將一次光能量引入到傳感器纖維中； f.從所述一次光能量收集背散射的瑞利和反斯托克斯光分量； g.測量背散射的瑞利光分量的衰減并且利用其來校正反斯托克斯光分量； h.利用二次光源將二次光能量引入到傳感器纖維中； i.收集所述二次光源的背散射的瑞利和斯托克斯光分量； j.測量背散射的瑞利光分量的衰減并且利用其來校正斯托克斯光分量；k.利用所述一次光能量的校正的背散射反斯托克斯信號與所述二次光能量的校正的背散射斯托克斯信號的比率來計算溫度； I.其中，所述纖維光學分布式傳感器是純硅芯(PSC)纖維；并且 m.其中，所述一次光源是1064nm波長源,而所述二次光源是980nm波長源。
3.一種用于在使用纖維光學分布式傳感器的系統(tǒng)中在高溫富氫環(huán)境中自動校準溫度測量的方法，包括以下步驟 a.利用一次光源將一次光能量引入到傳感器纖維中； b.收集在所述一次光能量的拉曼反斯托克斯波長處的背散射的光能量并測量其強度； c.在所述一次光能量的拉曼反斯托克斯波長處利用二次光源將二次光能量引入到纖維中； d.收集在所述二次光能量的拉曼斯托克斯波長處的背散射的光能量并測量其強度；以及 e.利用所述一次光能量的背散射的反斯托克斯信號和所述二次光能量的背散射的斯托克斯信號來計算溫度； f.其中，所述纖維光學分布式傳感器是純硅芯(PSC)纖維； 并且 g.其中，所述一次光源是1030nm波長源,而所述二次光源是990nm波長源。
全文摘要
一種DTS系統(tǒng)，在設施的使用壽命期間在低溫和高溫下耐氫致衰減損耗，其使用匹配的多波長DTS自動校準技術連同設計的耐氫純二氧化硅芯(PSC)光纖。
文檔編號E21B47/12GK102933794SQ201180014780
公開日2013年2月13日 申請日期2011年3月19日 優(yōu)先權日2010年3月19日
發(fā)明者肯特·考拉爾, 米科·耶斯凱萊伊寧 申請人:薩索特蘭公司