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.