专利名称：具有psc纤维的多波长dts纤维窗的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于井下氢环境(down-hole hydrogen environment)中的光纤分布式温度系统(optical fiber distributed temperature system)的应用，特别涉及耐氢的PSC纤维(hydrogen tolerant PSC fiber)连同所选的多波长DTS技术的使用。相关申请的引用本申请要求于2010年3月19日提交的美国临时申请系列号61/340，626的权益。
背景技术：
在20世纪80年代早期发明了基于拉曼谱的分布式温度感测法(Raman basedDistributed Temperature Sensing) (DTS),并且在20世纪90年代首先在石油和天然气工业(Oil&Gas industry)中展开。现在DTS以大轨迹记录广泛用于常规油井中。成功的应用范围从监控水注入、气举(gas lift)、井完整性、流动建模到热资源监控(thermal assetmonitoring)。更具挑战性的井下应用之一是具有高温的井并且在该井中存在氢。一个实例应用是蒸汽辅助重力泄油(SAGD)技术，其被用作提高的采油技术以用于生产重质原油和浙青，如在加拿大油砂中。由于增加的光学衰减，光纤在富氢热井中的早期布置经历纤维损坏，还称作纤维暗化(fiber darkening)。当氢与掺杂剂或纤维中的缺陷位点反应时，在电信级纤维中发生通过增加的光学衰减证实的纤维暗化。如果没有解决，这随着时间可以导致非功能性的温度测量。大多数DTS系统基于光时域反射(OTDR)原理。非常短的光脉冲发射到光纤中并且该脉冲与光纤中的熔融石英相互作用，因为其在纤维下方传播。这种相互作用将使光沿着光纤的全长背散射。背散射的光(backscattered light)将由3种不同的分量(components):瑞利(Rayleigh)、布里渊(Brillouin)和拉曼背散射的光组成。瑞利分量在与发射的脉冲相同的波长处背散射，而布里渊和拉曼分量均以波长转移(偏移)。这些不同分量的测量可以用来测量许多参数，尤其是温度和应变。这些参数测量的位置可以通过测量发射脉冲与反射光之间的飞行时间来确定。为了处理氢暗化的有害效应，已经提出了许多解决方案，其中大多数已经解决了特定应用中的问题，虽然不是全部可以被成功地用于每种情况中，尤其是用于非常高的温度(>150° C)应用中。固定电缆可以利用电缆中的除氢凝胶(扫氢凝胶，hydrogenscavenging gel)来制造。除氢凝胶可以被视为吸收氢的海绵。在一些时间点，如果存在足够的氢，则海绵将饱和。除氢凝胶用于低于150° C的应用中，因为该凝胶在升高的温度下分解(损坏)并开始释放氢。用于氢暗化的另一种减轻途径是碳涂覆的纤维。这些可以有效地处理在可达150° C的光纤中的氢腐蚀，并且在一些情况下，高质量的碳涂层可以在短时间段内用于更高的温度中。但是，清除凝胶和碳涂层两者不适于高温井。用于回收重质油的增加的需要导致接近300° C的蒸气驱动技术。在减轻氢暗化中受到很多关注的另一种途径是纯二氧化硅芯(PSC)光纤的使用。可以制备没有添加的化学品和掺杂剂的PSC纤维，所述化学品和掺杂剂为与氢反应的前体。这种途径可以比凝胶或碳涂层更有效，但是当在高温下暴露于游离氢时仍然可以呈现氢引起的衰减。已经描述了这些途径的组合。美国申请公开20060222306A1描述了在宽温度范围内耐氢致损失的光纤的开发，所述光纤使用纯二氧化硅芯和碳、金属或者氮化硅的氢阻止层(hydrogen retarding layer),然后另外的包覆层和保护外护套。氢引起的衰减的还有的另一种途径经由通过使用多波长途径的DTS系统。在美国专利7，628，531中，使用了具有两个光源的DTS系统并且其显示出能够校正由局部传感纤维光缆的不确定性引起的误差。发现其斯托克斯(Stokes)带与DTS系统的一次光源(主光源，primary light source)的反斯托克斯(anti-Stokes)带一致的二次光源(辅助光源，secondary light source)可以用于这种目的。这种类型的系统通过在测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这些分量的强度(亮度)以计算温度来操作。然后在收集或校准模式中，提供二次光源的脉冲并且收集二次光源的背散射的拉曼斯托克斯分量，并使用其来校正来自一次光源的拉曼反斯托克斯分布(Raman anti-Stokes prof ile),而在测量模式中，并且由校正的反斯托克斯分布来计算校正的温度。类似地，国际公开W02009011766A1表明在油井中暗化的一些纤维仍可以通过应用双波长DTS系统而用于准确测量，其中进入纤维中的二次光能量(辅助光能量，secondarylight energy)对应于一次光能量(主光能量,primary light energy)的反斯托克斯波长。随着传统轻质原油领域驱动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种更耐用的解决方案。其可以在高得多的温度环境中工作并且对于纤维装置的整个工作寿命是可靠的。
发明内容
这种需要通过本公开内容的发明来满足。该需要通过其中操作波长是至关重要的组合的多波长DTS和光纤系统来满足。本发明的一个方面是用于在使用纤维光学分布式传感器的系统中在测量模式期间在高温富氢环境中自动校准温度测量的方法，包括以下步骤在测量模式中，将一次光源光脉冲能量提供到传感纤维中；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强度来计算温度；在校正模式期间，选择二次光源并将所述二次光源的脉冲提供给传感纤维；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从二次光源收集的拉曼斯托克斯分量来校正在测量模式中时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来计算校正的温度。其中纤维光学分布式传感器是纯硅芯(PSC)纤维；并且其中一次光源是1064nm波长源,而二次光源是980nm波长源。本发明的另一个方面是用于在使用纤维光学分布式传感器的系统中在高温富氢环境中自动校准温度测量的方法，至少包括以下步骤利用一次光源将一次光能量引入到传感器纤维中；从一次光能量收集背散射的瑞利和反斯托克斯光分量；测量背散射的瑞利光分量的衰减并且利用其来校正反斯托克斯光分量；利用二次光源将二次光能量引入到传感器纤维中；收集所述二次光源的背散射的瑞利和斯托克斯光分量；测量背散射的瑞利光分量的衰减并且利用其来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号与二次光能量的校正的背散射斯托克斯信号的比率来计算温度；其中，纤维光学分布式传感器是纯娃芯(PSC)纤维；并且其中一次光源是1064nm波长源,而二次光源是980nm波长源。本发明的另一个方面是用于在使用纤维光学分布式传感器的系统中在高温富氢环境中自动校准温度测量的方法，包括以下步骤利用一次光源将一次光能量引入到传感器纤维中；收集在一次光能量的拉曼反斯托克斯波长处的背散射的光能量并测量其强度；在一次光能量的拉曼反斯托克斯波长处利用二次光源将二次光能量引入到纤维中；收集在二次光能量的拉曼斯托克斯波长处的背散射的光能量并测量其强度；以及利用一次光能量的背散射的反斯托克斯信号和二次光能量的背散射的斯托克斯信号来计算温度；其中，纤维光学分布式传感器是纯硅芯(PSC)纤维；并且其中一次光源是1030nm波长源，而二次光源是990nm波长源。在另一个方面中，单脉冲调制电路可以操作一次光源和二次光源。该方面为两个激光器提供常见的调制参数，所述激光器不断地以参数如调制电流幅度、重复频率和脉冲宽度提供具有同一条件的好得多的连续脉冲。在另一个方面中，一次光源和二次光源还可以是相同的光源，S卩，可操作性地为传感纤维提供至少两种光学信号的双波长激光源。在另一个方面中，PSC纤维还可以具有碳涂层以进一步增强对氢致衰减的耐性。
通过参照图I至图6可以最好地理解优选的实施方式以及它们的优点。图I显示了单端DTS系统。 图2显示了双端DTS系统。图3显示了对于四种不同的光学探针的OTDR信号水平。图4在(a)和(b)中显示了使用图3的探针的不同的温度测量结果。图5显示了对于代表性的PSC纤维的归因于氢减少(hydrogen regression)引起的损耗(感应损耗，induced loss)。图6显示了对于图5的纤维由于临界波长的检修损耗(attention loss)。
具体实施例方式虽然此处已经详细地描述了本发明的一些实施方式以及它们的优点，但是应当理解，在不背离如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变、替换和变更。而且，本发明的范围不用于限制于本文描述的工艺、机器、制造、手段(装置)、方法和步骤的特定实施方式。因为本领域普通技术人员将从该公开内容容易地理解，根据本发明可以采用目前存在的或后来待开发的执行基本上与本文描述的相应实施方式相同
权利要求
1. 一种用于在使用纤维光学分布式传感器的系统中在高温富氢环境中自动校准温度测量的方法，包括以下步骤 a.在测量模式中，将一次光源光脉冲能量提供到传感纤维中； 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强度来计算温度； b.在校正模式期间，选择二次光源并将所述二次光源的脉冲提供给传感纤维； 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从所述二次光源收集的所述拉曼斯托克斯分量来校正在测量模式中时从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来计算校正的温度， c.其中，所述纤维光学分布式传感器是纯硅芯(PSC)纤维；并且 d.其中，所述一次光源是1064nm波长源,而所述二次光源是980nm波长源。
2.一种用于在使用纤维光学分布式传感器的系统中在高温富氢环境中自动校准温度测量的方法，包括以下步骤 e.利用一次光源将一次光能量引入到传感器纤维中； f.从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.测量背散射的瑞利光分量的衰减并且利用其来校正反斯托克斯光分量； h.利用二次光源将二次光能量引入到传感器纤维中； 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.测量背散射的瑞利光分量的衰减并且利用其来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号与所述二次光能量的校正的背散射斯托克斯信号的比率来计算温度； I.其中，所述纤维光学分布式传感器是纯硅芯(PSC)纤维；并且 m.其中，所述一次光源是1064nm波长源,而所述二次光源是980nm波长源。
3.一种用于在使用纤维光学分布式传感器的系统中在高温富氢环境中自动校准温度测量的方法，包括以下步骤 a.利用一次光源将一次光能量引入到传感器纤维中； b.收集在所述一次光能量的拉曼反斯托克斯波长处的背散射的光能量并测量其强度； c.在所述一次光能量的拉曼反斯托克斯波长处利用二次光源将二次光能量引入到纤维中； d.收集在所述二次光能量的拉曼斯托克斯波长处的背散射的光能量并测量其强度；以及 e.利用所述一次光能量的背散射的反斯托克斯信号和所述二次光能量的背散射的斯托克斯信号来计算温度； f.其中，所述纤维光学分布式传感器是纯硅芯(PSC)纤维； 并且 g.其中，所述一次光源是1030nm波长源,而所述二次光源是990nm波长源。
全文摘要
一种DTS系统，在设施的使用寿命期间在低温和高温下耐氢致衰减损耗，其使用匹配的多波长DTS自动校准技术连同设计的耐氢纯二氧化硅芯(PSC)光纤。
文档编号E21B47/12GK102933794SQ201180014780
公开日2013年2月13日 申请日期2011年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者肯特·考拉尔, 米科·耶斯凯莱伊宁 申请人:萨索特兰公司