Волоконно-оптические преобразователи

Изменение теплового поля во времени при появлении и развитии заколонного перетока

Изменение теплового поля во времени при появлении и развитии заколонного перетока

Перспективным измерителем скважинных тепловых полей является распределенный волоконно-оптический термометр.
Этот тип датчиков построен на использовании эффекта спонтанного комбинационного рассеяния в материале волоконно-оптического световода и применении технологии оптической рефлектометрии.

Лазерный импульс, распространяющийся вдоль световода, взаимодействует с его материалом. При этом часть фотонов рассеивается в обратном направлении, неся информацию о температурных колебаниях молекул.
Хотя из-за малой величины сигнала от удаленных участков оптоволокна, для получения надежных результатов измерений производится накопление (суммирование и усреднение) данных на протяжении десятков секунд и даже нескольких минут, можно считать, что измерение профиля температуры по всей длине скважины происходит одномоментно без перемещения датчика.

Поскольку по своему принципу работы при таких измерениях получают только распределение температуры в условных единицах, то метрология датчиков на волоконно-оптической линии обеспечивается следующим образом.
С помощью скважинных и наземных измерений определяют значения температуры нескольких опорных точек на разных глубинах и присваивают найденные значения соответствующим точкам температурной кривой, полученной распределенным волоконно-оптическим термометром. Практически это делается с помощью двух опорных точек, обычно выбираемых на забое скважины, где температура остается достаточно стабильной во всех режимах работы скважины, и на ее устье, где ее можно замерить непосредственно в процессе проведения измерений.

Случайная составляющая погрешности измерений распределенным волоконно-оптическим термометром по сравнению с погрешностью электронного прибора (сектор А) значительно выше, что ограничивает его применение для точных измерений.
Основное применение распределенного волоконно-оптического термометра – постоянный контроль технического состояния скважины и мониторинг ее работы в процессе эксплуатации в реальном времени в течение длительного (до нескольких лет непрерывно) периода.
Погрешность распределенного термометра — на уровне +0,5…1ОС, порог чувствительности — +0,25…0,5ОС. Пространственная погрешность определения температуры в стандартных системах составляет примерно ± 50 см, но при необходимости может быть снижена до ± 12-15 см.

Волоконно-оптические интерферометрические датчики температуры.
В сенсорных устройствах этого типа используются два физических эффекта, имеющих место при температурных воздействиях на оптическое волокно: изменение геометрических размеров материала световода и изменение его показателя преломления. В результате этих эффектов меняется фаза световой волны, прошедшей по волокну, что регистрируется с помощью волоконно-оптического интерферометра.
Волоконно-оптические интерферометрические термометры обладают высокой разрешающей способностью, достигающей 10-3…10-4 ОС, обеспечивающей точные измерения термоаномалий, но недостаточная стабильность характеристики преобразования существующих датчиков пока не позволяет использовать их в качестве измерителей абсолютных значений температуры.

Большие надежды возлагались на термометры с искусственным оптическим резонатором, выполненном непосредственно в оптоволокне (решетки Брэгга, ВОБР).
Решетка формировалась кратковременным воздействием на отрезок оптоволокна двумя мощными когерентными лучами. При интерференции лучей появлялась световая картина с чередующимися томными и светлыми участками. Последние за счет большой интенсивности воздействующего света изменяли состояние оптического волокна в этих местах, создавая периодическую оптическую структуру, обладающую резонансной характеристикой.
Первые же испытания показали, что резонансная частота такой решетки обладает чувствительностью к температуре, причем, на порядок большей, чем следует из формул изменения геометрических размеров плавленого кварца при нагревании. Этот эффект вначале не получил объяснения, однако серьезные работы по применению брегговских волоконно-оптических датчиков для измерения температуры и давления были начаты.
В процессе работ выяснилось, что датчики ВОБР действительно обладают разрешающей способностью на уровне 0,1 ОС. Но крайне нестабильны во времени.
В 2006 г. была опубликована статья, в которой объяснялась физика формирования решеток Брэгга в волокне, откуда становились ясными причины как повышенной чувствительности решеток к температуре, так и нестабильности их метрологических характеристик.
По мнению авторов статьи, механизм формирования решеток Брэгга заключается в зарождении и росте микропор в областях максимальной интенсивности облучения, где локализованы механические напряжения. Отсюда следует, что при воздействии температуры изменяется длина пути светового луча в облученных интервалах решетки из-за изменения геометрических размеров микропор, которые луч вынужден огибать, что и обуславливает большую температурную чувствительность решетки Брэгга.
Следует также и то, что при долгом воздействии повышенной температуры происходит «отпуск» созданных при облучении механических напряжений, и размеры микропор необратимо изменяются, также необратимо изменяя резонансную частоту решетки Брэгга, т.е. характеристику преобразования датчика.
Таким образом, на сегодняшний день применение датчиков ВОБР для измерения температуры представляется проблематичным.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*