基于分布式光纖布里淵頻移的液體壓力檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、基于分布式光纖布里淵頻移的傳感器不僅具有一般光纖傳感器特有的防爆、耐候等特點(diǎn),而且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里的分布式多參數(shù)測(cè)量,較適用于井下工作要求。該技術(shù)在溫度和形變測(cè)量方面,已經(jīng)成功應(yīng)用于某些大型工業(yè)結(jié)構(gòu)和建筑的健康監(jiān)測(cè),然而,在液體壓力檢測(cè)方面卻鮮有報(bào)道,更未見(jiàn)用于井下壓力參數(shù)的直接測(cè)量。因此,本文以油田重要地質(zhì)參數(shù)——壓力監(jiān)測(cè)為背景,研究基于分布式光纖布里淵頻移的液體壓力檢測(cè)技術(shù)。
　　在分析了分布式光纖布里淵頻移測(cè)量原理和方法的基

2、礎(chǔ)上,本文首先構(gòu)建了基于光纖受激布里淵散射(SBS)的布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在不同脈沖寬度入射光下,對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所測(cè)得的布里淵散信號(hào)進(jìn)行洛侖茲擬合優(yōu)度評(píng)估;并與商用布里淵光時(shí)域反射計(jì)(BOTDR)作了關(guān)于散射信號(hào)線(xiàn)寬的比較分析,從而驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)比BOTDR具有更高的布里淵頻移測(cè)量精度。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為本文后續(xù)工作的主要實(shí)驗(yàn)載體。
　　基于BOTDA技術(shù),本文對(duì)兩組不同裸光纖進(jìn)行了布里淵頻移的液體壓力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)

3、表明,布里淵頻移與光纖所受到的壓力存在負(fù)線(xiàn)性關(guān)系,對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)所用的G652標(biāo)準(zhǔn)單模裸光纖,其比例系數(shù)約為-0.742MHz/MPa。并且,該結(jié)果與基于塊狀硅玻璃的理論推導(dǎo)結(jié)果基本一致。此實(shí)驗(yàn)和分析驗(yàn)證了光纖布里淵頻移在壓力作用下的線(xiàn)性敏感特性,為利用基于分布式光纖布里淵頻移的傳感器進(jìn)行液體壓力檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。
　　為了跟一般情況下光纖不受徑向應(yīng)力時(shí)的布里淵頻移與光纖應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行比較和統(tǒng)一,本文還設(shè)計(jì)了一復(fù)合力學(xué)實(shí)驗(yàn),用于解耦壓力

4、導(dǎo)致的光纖軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變,從而獲得了布里淵頻移同時(shí)與光纖軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變關(guān)系模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,光纖布里淵頻移是這兩種應(yīng)變復(fù)合作用的結(jié)果,并與這兩種應(yīng)變都成線(xiàn)性關(guān)系,但它們的比例系數(shù)卻存在很大差異,其中軸向應(yīng)變系數(shù)實(shí)驗(yàn)值為0.053MHz/με,徑向應(yīng)變系數(shù)實(shí)驗(yàn)值為0.029MHz/με。此實(shí)驗(yàn)結(jié)論擴(kuò)展了光纖布里淵頻移關(guān)于應(yīng)變的傳感理論,并為利用不同光纖護(hù)套實(shí)現(xiàn)不同壓力靈敏度提供理論基礎(chǔ)。
　　基于上述布里淵頻移

5、與光纖軸向和徑向應(yīng)變的關(guān)系模型,本文進(jìn)而通過(guò)數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法,量化分析了典型雙層聚合物護(hù)套結(jié)構(gòu)光纖的外層護(hù)套各參數(shù)對(duì)布里淵頻移的溫度靈敏度和壓力靈敏度影響。分析表明:這兩種靈敏度都能通過(guò)聚合物護(hù)套得以大大增強(qiáng),其中,溫度靈敏度與護(hù)套泊松比關(guān)系不大,而隨著護(hù)套的彈性模量、厚度、熱膨脹系數(shù)增加而增大;然而,壓力靈敏度卻隨著護(hù)套彈性模量和泊松比增大而減弱,只能隨著護(hù)套厚度增加而增強(qiáng)。這些分析為后續(xù)利用不同護(hù)套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同溫度和壓力靈敏度

6、的分布式布里淵傳感器提供依據(jù)和參考。
　　雖然布里淵頻移對(duì)壓力敏感,但同時(shí)也對(duì)溫度敏感,即壓力和溫度交叉敏感,而且在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中又難以保持恒溫環(huán)境。于是,本文利用上述不同護(hù)套結(jié)構(gòu)的光纖具有不同壓力和溫度靈敏度系數(shù)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于雙通道分布式光纖布里淵頻移的傳感器,解決了壓力和溫度的交叉敏感問(wèn)題,并實(shí)現(xiàn)了壓力和溫度的同時(shí)測(cè)量。而且,本文還對(duì)該類(lèi)雙通道布里淵傳感器的測(cè)量誤差進(jìn)行了理論分析和設(shè)計(jì)質(zhì)量評(píng)估,并得到了基于誤差分析的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

7、以本文所構(gòu)建的雙通道分布式光纖布里淵傳感器為例,其理論壓力精度和溫度精度分別為0.256MPa和0.284°C,此結(jié)果對(duì)于30MPa左右的井下壓力已達(dá)到高于1％的精度,而且通過(guò)護(hù)套的優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)更高精度。
　　最后,本文在井下壓力監(jiān)測(cè)的實(shí)用化方面做了相關(guān)研究工作。不僅根據(jù)井下地層分層分塊的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了井下準(zhǔn)分布式光纖布里淵壓力傳感器方案;還根據(jù)井下空間狹長(zhǎng)的特點(diǎn),圍繞傳感探頭的小型化做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和研究:一方面,對(duì)于光纖纏繞式