利用适用于高温的光纤的传感系统的制作方法

专利名称：利用适用于高温的光纤的传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感系统、传感方法、和适用于高温环境的传感光纤。
技术背景在工业上需要长距离测量像应变或温度那样的条件和所有点上 的其它条件。典型使用是监视油气井、长缆线和管道。可以显示或分 析测量结果和将它们用于推断结构的条件。分布式温度传感器(DTS ) 常常将光纤中散射光的拉曼(Raman)或布里渊(Brillouin)成分用 作确定温度的手段。这里，向光纤发射来自光源的光线，并且分析散 射回到光源的少量光线。通过使用脉沖光和测量随时间而变的返回信 号，可以将背散射光与沿着光纤的距离相关联。这种背散射光包含弹 性散射的成分(瑞利(Rayleigh)光)、和频率相对于源光向上和向 下移动的成分(分别是拉曼和布里渊反斯托克斯(anti- Stokes)和斯托克斯(Stokes)光，也称为非弹性散射光)。返回拉曼成分的功率 是温度相关的，因此，分析这些成分可以得出温度。返回布里渊成分 的功率和频率是应变和温度相关的，因此，分析这两种成分可以独立 得出温度和应变。这样的系统已经存在许多年了。典型的光纤由一层包层内的芯线和此后的一个或多个緩冲层组 成。芯线为光线提供通路。包层将光线限制在芯线内。緩冲层为芯线 和包层两者提供机械和环境保护。典型单模光纤(SMF)由含有直径 为125±2微米(pm)的包层和在包层的中心上含有直径为8±1 nm的 芯线的精密压制玻璃组成。緩冲层通常由涂覆在包层外表面上的柔性 聚合物组成。大多数商用光纤由聚合物涂层的緩冲层制成。对于像聚 酰亚胺那样的特殊聚合物材料，这种类型的光纤在正常大气压下在高 达300。C的温度下可以提供良好的性能。但是，在300。C以上和在多 水或大含量氬环境下，由于涂层的恶化和/或氢的进入，光纤的性能显 著变差。众所周知，对于较高工作温度和较高抗氢进入性，在光纤上 使用金属涂层。在这种情况下，让光纤穿过熔点低于光纤的一罐(pot) 熔融金属。随着金属凝固，在光纤周围形成厚金属涂层。但是，由于 金属和光纤材料的膨胀系数不同，金属涂层将附加应力施加在光纤 上，通常导致更大的光损。另一个问题是，由于在光纤中金属涂层引 起脆弱点的几率较高、和常用涂覆设备的能力的局限性，使生产连续 长光纤的能力下降。此外，众所周知，纤维光缆在像在向下打眼(down-hole)光纤 传感应用中遇到的那些那样的恶劣环境下可以恶化。正如在美国专利 第6,404,961号中所讨论的那样，向下打眼环境条件可以包括超过 130。C的温度、超过1000巴的流体静压、振动、腐蚀性化学性质、和 氢的高分压的存在性。长期以来，人们已经证明了氢对光纤的光学性 能的有害影响，尤其在远程通信工业的海底设施中。为了防止光纤受 氢影响，像碳涂层等那样的密封涂层和屏障已经用于使氢的影响最小 化。但是，这样的水下环境是寒冷的。在在恶劣向下打眼环境下经历 的升高温度下，这样的涂层丧失了它们的抗氢渗透性。另外，在这样的高温下，氢对光纤的影响可能加速和加强。美国专利第6，404，961号建议使用包括含有包含在其中的一条或 多条光纤的内不透钢管的芯线，周围保护层包括外不透钢管和位于外 管和内管之间的像聚四氟乙烯那样的一层緩冲材料，緩沖材料维持一 般处在外管内的中心上的内管和提供内管和外管之间的机械连接以 防止它们之间的相对运动。可以给内钢管涂上像碳那样的低氬渗透性 材料，使氢的进入达到最小。可以给碳涂上聚合物的保护层，以防止 像碳擦破那样的伤害。另一个建议显示在WO2004066000中。它说明了由于光纤本身 相对脆弱，随着被放入井筒中和在井正常工作期间，必须特别小心地 保护它。 一种已知方法是安装有时称为毛细管或测量管、具有大约1/4 英寸的外径、完成时放在井下的空心细金属管。这样的管子通常也安 装在井中，用于像化学注射那样的其它目的。纤维光缆通常由一条玻 璃或塑料纤芯、 一个或多个緩冲层、和保护包层组成。光纤通常是单 股光纤，涂有通常由热聚合有机树脂组成的保护材料的薄层。为了安 装在工作温度可能达到250。C的井筒中，可以掺入强化纤维。纤维光 缆可能需要安装在长达40,000英尺的长度上。安装这样纤维光缆的现 有装置通常包括从缆盘拉出缆线、通过牵引齿轮或绞盘推进缆线、和 在一些情况下，通过流体拖拉将缆线推过管道的装置。在井钻好之后， 通过沿着管子向下泵送流体和利用流体速度沿着管子向下拖拉光纤 将传感光纤安装在测量或毛细管中。这种手段的一个优点是能够不干扰井正常工作地通过泵出出故 障光纤和再泵入新光纤更换出故障光纤。但是，用于沿着测量或毛细 管向下泵送光纤的流体可能对光纤有害和随着时间流逝导致光纤出 故障，尤其在通常在井筒内看到的升高温度下。尽管如上所述，可以 从井中泵出光纤和部署新光纤，但即使井在除去和重新部署光纤期间 可以继续工作，这个过程也是费时费钱的。此外，还存在更换操作不 成功的风险。并且，众所周知，在升高温度下，存在于测量或毛细管之中的任何湿气(水)也将严重地破坏光纤的完整性。另外，在许多油气井中 通常都可以找到的氢气随着时间流逝也往往渗入测量或毛细管中。氲 气被光纤吸收，使光纤变暗。上述过程的最终结果是，光纤有时在大 约数天内，在井筒内经受高温时经常出故障，不得不更换。WO2004066000提出了围绕光纤芯线和包层的柔软保护屏障，保 护屏障足够柔软，以便允许在巻绕状态下存放光纤组件，并且具有其 尺寸容易与使光纤组件向下泵送到井筒中的测量或毛细管匹配的外径。保护屏障可以是由镍或不锈钢，或防止有害物质透入光纤的其它 材料形成的薄管。保护管可以包括涂在管子的内侧或外侧上的氢清除 材料。围住光纤的管子可以在部署期间和在实际工作期间保护光纤， 并且比棵光纤坚固得多，具有10倍于典型光纤的断裂强度。此外， 管子内的光纤未暴露在用于沿着测量管向下泵送的注入流体之中，使 作为光纤变差原因的对注入流体暴露达到最小。并且，由于可以密封 围住光纤的管子，可以使湿气远离光纤，因此消除了使光纤出故障的 另一个主要原因。可替代地，可以将像氮那样的惰性气体充入光纤管 中。一种特别恶劣的环境是用于高温蒸汽恢复的钻孔，由于在加拿大 正广泛用于油田恢复，所以称为蒸汽辅助重力排放(SAGD)和循环 蒸汽模拟(CSS)。为了充分理解和优化这种恢复，实时监视已经变 成SAGD和CSS过程的组成部分。这种监视利用分辨率好于0.01。C 和具有每隔1米测量一次的能力的光纤分布式温度传感器(DTS)测 量温度和压强。当前，光纤的安装方法是在井内安装l/4〃控制线和将 光纤"泵送"到控制线中。光纤的外保护涂层是由制造者调配成在实验 室条件下达到300。C的涂聚酰亚胺和碳纤维的组合。但是，实际上， 光纤常常在低得多的温度下(低于200。C)就出故障。人们已经看到 导致信号完全丧失的光纤变暗出现得比预期早得多，在从几个小时到 几个月的间隔内。对于精确分布式传感，能够计及光纤特性的变化和校正可以导致 测量误差的任何变化是重要的。对于分布式温度传感，如果未作适当校准，斯托克斯光和反斯托克斯光之间的微分损失的变化导致沿着光 纤的计算温度出现温度误差。此外，如果像在一些井中观察到的那样， 损失很大，不可能使可用光量向下穿过光纤，致使不能进行任何测量。发明内容本发明的目的是提供改进装置和方法。按照本发明的第一方面，提供了在温度高于300。C的环境下远程传感的系统，该系统含有包含 光纤的传感缆线，该光纤含有芯线、包层、和在包层上保护包层表面 的金属保护涂层，该包层具有大于150pm的直径、和至少50nm的厚 度。通过使用直径比通常大的包层，可以降低来自金属保护层的应力 影响。通过减小应力，可以实现低光损，因为可以减小模态应力扰动。 这意味着传感测量可以更精确，并可以延长光纤的使用寿命。这对于 像更换光纤极其昂贵的钻孔那样的应用尤其有价值。而且，低的应力 在制造期间可以导致高的成品率，因此导致较长的连续长度和因此减 少对既昂贵又易损坏的光纤接头的需要。增大的直径也可以阻止达到 与在光纤的芯线中传播的光相互作用的任何金属或气体扩散的影响， 因此导致更长的使用寿命。增大的直径也可以便于在相同光纤内容纳 多条芯线。一些实施例的附加特征是金属涂层含有如下的任何一个或多个 层Au、 Ag、 Al、 Cu、 Cr或这些金属的合金。这些尤其适用于保护光纤和可以形成与包层的结合物，或围绕光 纤的未结合涂层。中介结合底层可以用于帮助将金属涂层与光纤结 合。一些实施例的附加特征是金属涂层含有厚度为20 - 50nm的Au。 这可以在>400°(:的高温下提供特别好的保护。一些实施例的附加特征是金属涂层上的外层，外层含有如下的至 少一个层金属涂层的氧化层、含有它自己的氧化层的另一个金属层、和聚合物层。这可以有助于防止金属层在安装期间受到像擦破那样的物理伤 害，因此防止那个点上的光损或光纤故障。还可以有助于防止要不然 可以引起离解和因此引起更大氢伤害、与金属涂层的氢接触。例如，在Al的情况下，在它的表面上形成稳定氧化层。在金的情况下，不 形成氧化物，因此，可以使用另一个金属层或聚合物层保护金的表面， 减少与氢的接触和避免氢扩散增加。一些实施例的附加特征是传感缆线含有封装涂有金属传感光纤 的第一导管。这可以有助于提供附加物理保护和可以提供附加氢进入保护、机 械强度和/或抗腐蚀特性。一些实施例的附加特征是用于抽空或泵送第一导管中的流体的装置。这可用于减少导管中氢的积累，因此可以减少氢进入。流体可以 包含，例如，惰性气体，或可以有助于消除在升高温度下可以放出氢 的任何残余制造或润滑油。一些实施例的附加特征是与第 一导管的远端耦合以允许流体流 动和返回的第二导管。这条返回路径使可以比依赖于第一导管远端的非受控流出或流 入更可靠的受控循环成为可能。第二导管可以同心或不同心，并可以 有助于提供进一 步的机械保护。光纤可以封装在第一内导管和第二外导管内，其中，像氮那样的 惰性气体穿过内导管，然后通过外导管返回。可替代地，与内导管和 /或外导管液压连接的返回路径导管可以用于使流体围绕光纤和/或内 导管的外表面循环。一些实施例的附加特征是环绕第 一导管的第二导管、和设置成抽 空第一导管的内部和第一导管与第二导管之间的空间两者的泵。这使大多数氢渗漏物在到达光纤之前可以被除去。一些实施例的附加特征是将第一导管预装在传感位置上，带涂层的传感光纤足够柔软，以便在插入预装的第一导管之前可以盘起来， 并且该系统含有设置成通过如下手段的任何一种插入带涂层传感光纤的安装装置压入、拉出、注入和推进。这使更永久地安装第一导管成为可能，以及如果需要抽出传感光 纤，可以避免抽出导管的成本。可以将减小摩擦涂层用在带涂层光纤 上和/或第一导管的内部，以易于安装和减小光纤上的张力或压缩力。一些实施例的附加特征是将第二导管预装在传感位置上，含有第 一导管的传感缆线足够柔软，以便在插入预装的第二导管之前可以盘 起来，并且该系统含有设置成通过如下手段的任何一种插入传感缆线 的安装装置压入、拉出、注入和推进。这使第一导管能够防止涂有金属光纤在插入期间受到伤害。可以 将减小摩擦涂层用在导管面对面的表面之一或两者上，以易于安装和 减小光纤上的张力或压缩力。本发明的另一个方面是利用含有光纤的传感缆线远程传感的方 法，该光纤含有芯线、包层、和在包层上保护包层表面的金属保护涂 层，该包层具有大于150lam的直径、和至少50nm的厚度，该方法含 有通过如下手段的任何一种将传感缆线插入传感位置上的预装导管 中的步骤压入、拉出、注入和推进，和利用光纤传感条件的步骤。正如上面讨论的那样，这样具有适当(或足够大)直径和带有至 少一个金属涂层的光纤有助于使金属应力和/或蠕变的影响显著降低。 通过插入预装导管中，可以保持低的插入和抽出成本，并可以降低安 装期间或工作中光纤伤害的风险。这对于这样的伤害将缩短光纤寿命 的高温传感设施尤其有价值。可以将外层施加于涂有金属光纤的表 面，为更易于插入导管内提供低摩擦表面接触。可以将带涂层光纤制 造到金属导管中，以便在插入期间提供进一步的保护。本发明的第二方面提供用于远程传感和含有传感缆线的系统，该 传感缆线包含含有芯线和包层的光纤、和封装光纤的第一导管，该系 统还含有抽空第一导管的泵。这可用于减少导管中氢的积累，因此可以减少氢进入。一些实施例的附加特征是环绕第一导管的第二导管、和设置成抽 空第一导管的内部和第一导管与第二导管之间的空间两者的泵。这使大多数氢渗漏物在到达光纤之前可以被除去。一些实施例的附加特征是涂有金属光纤含有至少一个高温光纤接头，该高温光纤接头含有适合防止接头处在大于300。C的温度下的 陶瓷保护器。本发明的另一个方面提供了含有至少一个金属涂层和至少一个高温光纤接头的光纤，该高温光纤接头含有适合防止接头处在大于300。C的温度下的陶瓷保护器。一些实施例的附加特征是连续遍布陶资保护器的金属涂层。 一些实施例的附加特征是陶瓷保护器具有与如下的任何一个匹配的热胀系数光纤、金属涂层和光纤和金属涂层的膨胀系数之间的值。按照另一个方面，提供了一种传感系统，其含有传感光纤、安装成接收来自传感光纤的信 号和从信号中确定条件的接收器、和设置成使用OTDR,以便利用波长与斯托克斯和反斯托克斯成分相对应的激光，确定沿着光纤的不同 位置上的微分损失、并导出沿着光纤的微分损失的分布的光纤损失检 测器，激光的光镨与接收的斯托克斯和反斯托克斯成分的光谱匹配。这可以有助于使然后可以用于校正利用全频带接收获得的传感 结果的光纤微分损失分布得到更精确确定。这可以使容忍较高的损失 和较小的线性损失成为可能，因此可以延长传感光纤的使用寿命。这 也使单端测量成为可能，因此可以避免对返回光路的需要，从而节省 了第二光纤的成本、和远端的U形管，因此对于用在现有已安装光纤 上是有价值的。当用在光损和短光纤寿命是较大问题的高温环境下 时，所有这些优点都变得更加突出。一些实施例的附加特征是设置成扫描激光频率以便与接收成分 的光i瞽匹配的激光控制器。一些实施例的附加特征是设置成滤波所接收的成分以与激光的光谱匹配的带通滤波器。可替代地，宽带源或超连续源可以用于测量与斯托克斯和反斯托 克斯成分的光谱响应匹配以及通过相同接收检测器的总传输损失。按照另一个方面，提供了确定光纤的分布式特性的传感系统，该系统含有设置成沿着光纤 从近端发送光脉冲的发送器、测量散射光的检测器和处在远端使光沿 着第二光路返回到检测器的反射元件，该系统被设置成检测从光纤中 的任何给定点朝近端行进的第一散射，并检测从给定点朝远端行进且 反射回到检测器的第二散射，以及被设置成从检测的第 一和第二散射 中为沿着光纤的多个点确定分布式特性。通过使用反射元件，可以避免或降低利用U形管的包装成本、 复杂性、损失和风险。此外，外部尺寸可以小于U形管的那些尺寸， 使安装在较窄导管中成为可能。可以获得使用单条或双条光纤或双芯 光纤的更大灵活性，并可以更容易地并入像转子那样的其它部件。与 使用不同波长发送器的校准相比，可以避免多个波长发送器的附加成 本和复杂性。第二散射也称为"幻像"。一些实施例的附加特征是单条纤芯，发送器将这条纤芯用于多个 脉冲，并且第二光路使用同一条纤芯。与使用两条光纤或多芯光纤，可以使成本降低，这对于适用于高 温环境的较昂贵光纤尤其有价值。此外，由于在恶劣环境下使长度减 半，降低了引起传感损失的光纤恶化的风险，延长了光纤寿命。一些实施例的附加特征是光纤含有直径大于150^im的包层和在 包层上的金属涂层。其它优点对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，尤其结 合本发明人未知的其它现有技术。对于本领域的普通技术人员来说， 显而易见，可以将任何附加特征组合在 一起和与任何方面组合。


下面参照附图举例描述本发明的实施例和如何付诸实施，在附图中图1示出了已知传感光纤；图2示出了按照一个实施例的传感光纤；图3和图4示出了按照实施例的传感缆线；图5示出了按照一个实施例的传感系统的应用；图6、图7和图8示出了按照一个实施例制作光纤接头的步骤；图9示出了背散射与沿着传感光纤的距离之间关系的曲线图；图10示出了按照一个实施例的损失测试系统的应用；图11示出了背散射与波长之间关系的曲线图；图12示出了按照一个实施例、利用远端反射元件的传感系统；图13、图14和图15示出了按照实施例的反射元件；图16示出了利用单条光纤的实施例；和图17和图18示出了按照实施例的双端传感的示意图。
具体实施方式
图1-5，用于高温的传感缆线作为实施例的引言，将描述一种已知光纤。图1示出了一种典型 已知传感光纤，它含有50pm的芯线、125pm的包层、厚度5pm的 碳保护层、和厚度20nm的聚酰亚胺外保护层。这可以利用现有技术 制造。高温光纤因素在理想条件下，通常将图1的涂层调配到300°C。但是，似乎是， 一旦将这些光纤安装在油井内，它们在低于200°C的温度下就不能正 常工作。这被认为是由两种因素综合引起的。1. 安装技术。在泵送期间，光纤涂层易受伤害，这降低了保护 光纤的水平。即使在低温应用中，也大范围变差。应该注意到，泵送 需要柔软、轻质的光纤等，该技术必须提供最小光纤保护。2. 氢恶化。已经发现，在1/4〃控制线中，氢分压通常是1 psi (磅/英寸2)。尽管碳涂层被设计成提供抗这种氢的密封屏障，但如果受到伤害，在高温下或甚至在低温下就变得无效。 一旦氬穿过碳涂 层，那么迅速渗透光纤，导致光纤变暗。现在看起来，即使在良好条 件下，单独的碳涂层在高温下也不能提供长期有效的氬屏障。通过泵送方法本身减轻氢伤害是完全可能的。取决于使用的流体，泵送流体可能吸收大气水分，对于用于部署的数千psi压强，氢可能被迫进入光纤中。图2示出了传感光纤的第一实施例。在这种情况下，芯线10被 包层20围绕，包层20具有较大的直径，至少150jim并可用180|um 到250nm范围内的值，或在所示的例子中，200pm。芯线直径较不重 要，但不应该太大，使包层变得太薄，并易受伤害，因此，包层应该 具有大于大约50nm的厚度。包层含有金属涂层30。这可以是许多金 属或合金的任何一种。提供突出优点的例子包括Au、 Ag、 Al、 Cu、 Cr或这些金属的合金。这一层可以防止包层的玻璃热恶化。它还可 以或可替代地防止氢进入。金属层的厚度可以在大约5pm到55nm的 范围内，在所示的例子中，它是35|im,这可以为Au涂层提供良好 性能。可选地，可以提供外保护层40，以保护或隔离金属层或对光纤 提供附加保护。这可以是按照，例如，工作温度选择的聚合物层，或 它可以是像在Al金属层上自发形成和稳定的Al氧化物那样的氧化 层。当然，如有需要，可以加入其它层，包括在金属层下的中介结合 层，或进一步的外层。一些实施例起因于就传感而言，在这样环境下光纤的使用寿命取 决于消除三个主要恶化原因的认识高温下的玻璃氧化或其它玻璃恶 化、氢进入和安装期间的物理伤害。金属涂层可以同时对这些原因的 一些或所有产生影响，因为涂层防止光纤的玻璃表面暴露出来，在这 样的高温下氧化或其它恶化。此外，基本上防止了氢的进入，并且还 防止玻璃受到物理伤害。延长使用寿命可以有助于降低在像钻孔那样 的位置上更换光纤的成本。一些SAGD设施具有超过250。C的温度， 一些CSS设施具有超 过360。C的温度。在这些升高温度下，涂有金属光纤尤其适用，并且还提供比碳涂层好的氢保护。图3和4示出了包括传感光纤的缆线的例子。在图3的例子中， 涂有金属的光纤300被具有金属导管330的形式的第一导管围绕。这 可以是环绕光纤焊接的不锈钢薄片。另一个例子是A1管，它可以在 高温下提供良好的抗氲进入性。在导管的内部和/或外部表面上可以含 有绝缘和/或氢保护涂层。这个第一导管包含在可以是，例如，1/4英 寸直径不锈钢管、具有测量管320的形式的第二导管内。可选地，可 以将它预装在像钻孔那样的传感位置上，并且可以将传感缆线压入或 插入预定第二导管中。可选地，可以在导管之间的流体间隙310中泵 送流体。图4示出了另一个实施例，这次示出了涂有金属的光纤与第一导 管之间的间隙。在第一导管与第二导管之间提供了第二间隙。沿着传 感光纤提供了两个分开间隙，因此，如果在远端耦合这两个间隙，可 以使流体循环。在本例中，提供了基本上无弯曲记忆的刚性层410。 这可以更易于将缆线插入或推进到第二导管中。此外，这还可以提供 导管之间的绝缘层。第一导管可以足够柔软，使缆线可以巻起来。这些实施例的一些关键特征可以包括1. 包含防止氢进入光纤的屏障的缆线设计；2. 金属层和涂有金属的光纤；3. 绝缘层氢可以以原子形式而不是以分子形式穿过金属。氢 原子可以通过由生产管和包含光纤的1/4〃线的腐蚀引起的电解过程 生成。为了防止它，保护性绝缘层将金属屏障分开， 一个实例显示在 图4中。不同金属屏障之间的绝缘层可以防止金属与金属直接接触。4. 可选地，也可以在金属表面之间施加正电位，以便吸走氢离 子或中和它们。5. 绝缘材料的外层还可以提供弯曲记忆降低或最好没有和表面 光滑的柔软总体结构，以便可以注入1/4〃管内。这可以提供纵向刚性， 并且弯曲记忆的缺乏可以有助于将組件推入管子中，因此避免或减少 了泵送流体的需要，从而淡化了氢伤害的另一个原因。另 一个特征是第 一导管与第二导管之间的流体填充间隙。这可以 有助于避免干扰测量的到光纤应力传递。此外，这可以有助于减轻氬 伤害，因为可以周期性地泵出扩散氢。流体可以包含空气或像，例如， 氮那样的惰性气体。可以抽空间隙。氢获得材料可以处在光纤与导管 之间，在内管与外管之间是气体。也可以使用其它顺序。为了使安装伤害最小，安装技术可以使用现有固定导管解决方 案，因此，光纤将得到良好保护，不会经受由泵送光纤引起的伤害。 这样就不需要流体与光纤接触，要不然上述接触可能是氢直接吸收到 光纤中的原因。保护涂层和多层保护可以涉及在光纤上提供密封，以及在比聚酰 亚胺/碳涂层高的温度下可以保持完好，因此可以起保护作用的金属涂层。通过将涂有金属光纤放入又可以保持在1/4〃不锈钢管内、具有毛 细管形式的不锈钢内管中，这种多层措施可以更好地防止氢进入光纤 中。氢只能以原子(而不是分子)形式通过金属有效扩散。在较低温 度下，金属表面上的离解通常作为腐蚀过程的一部分发生。氢原子可 以在1/4〃管的表面上形成，迅速扩散，在导管、1/4〃外管和内毛细管 之间的环形区中重新组合成氢分子。在1/4〃管和毛细管之间不应该存 在腐蚀过程，因此可以离解并进入毛细管的氢分子较少。的确在1/4〃管和毛细管之间的环形区中形成的任何氢分子仍然 存在毛细管的屏障要穿过。因此，光纤应该处在几乎无氢的大气中。 此外，还请注意，即使在毛细管中出现少量氢，也仍然必须离解和穿 过金属涂层，然后穿过光纤。对于像超过500。C,或超过600。C那样的更高温工作，氢以原子 形式而不是分子形式扩散，因此最好停止氢分子离解。通过停止腐蚀 机理，可以使离解停止。尽管这在低温下将停止几乎所有离解，但在 升高温度(大于100。C左右)下，氢将无需腐蚀反应地在金属表面上 自发离解。不同金属具有不同激活能，更重要的是，接触的相异 (dissimilar )金属可以形成有效屏障 一旦氢处在一种金属中，那么，它就不可能具有到达可能具有不同激发能的另一种金属的能量。Cu/Mo多层(每个只有几微米)可以形成好的屏障，甚至在高温下。 由于这些层可能较昂贵，使它们沉积在光纤上(较少材料)可能是最 有效的。像在铝上自然形成的氧化铝那样的氧化层也形成有效氢屏 障。在另一个实施例中，保护屏障可以是水蒸汽和流体不可渗透、并 可与氢气反应形成不能渗透到光纤中的涂层。适当的涂层材料可以包 括碳或已知吸收氢的其它材料。涂层可以是管子的替代品，或可以与 管子结合在一起。涂层可以由施加于涂有金属的纤维光缆包层材料， 围住芯线和包层的不腐蚀电镀材料组成。另一个特征是与在安装在管中之后在第一金属密封层和第二金属密封层之间施加电位差关联的电压源。这可以用于增强对氢的屏 障。图5示出了沿着钻孔传感条件的传感系统的应用。具有光纤70 的形式的传感光纤(在一些实施例中涂有金属)在表面(或海床或海 面)上与井口上的系统100耦合。钻孔60通常大到足以为可以伸展 从数百米到数千米的任何东西的垂直部分接納10英寸钢外壳55。对 于长达几千米的任何东西，钻孔通常窄成5英寸钻孔60和非常緩慢 地弯曲成水平延伸。通常，存在从单个井口位置作业的许多个钻孔， 每个钻孔沿着不同水平方向延伸，覆盖大面积油气田。在井口上，通 常通过阀门使生产流从一侧馈出，并且将适合承受高压的可换盖帽放 在顶上，对于，例如，钻井工具或传统插入方法，使垂直进入钻孔中 成为可能。可以将传感系统设置成在沿着钻孔的任何地方，分布式地 确定温度或像压强那样的其它条件。流速和蒸汽进入点可以从温度分 布中导出，用于控制和管理抽取。不同点上的应力可以用于校正温度 测量结果，或确定弯曲。应力和温度测量结果可以利用这里无需详细 描述的已有测量原理作出。图5还示出了传感光纤被封装在导管75中，导管75可以是第一 或第二导管。在井口上示出了流体泵170，用于抽空导管中的流体或使导管中的流体循环。在井口上还示出了巻轴和光纤插入器160，用 于将光纤插入导管中或从导管中移去光纤。显然，可以设想出许多其 它应用。流体泵可以具有设置成抽空导管或存在两个的内外导管两者的 真空泵的形式。真空泵可以附在缆线的顶端，泵出围绕光纤的空间中 的任何气体或液体。这可以与像光纤的金属涂层那样的其它措施结 合，或取代这样的措施防止氢进入。最好泵送两根导管，因为不可能 泵出所有氢(因为总有新的氢渗入，并且从细长管子中泵送的速率4艮 低)，但真空泵可以除去外管中(比方说)99.9%的氢，然后只有微 小部分进入内管，其中，真空泵可以再泵出(比方说)99.9%。在这 种设置下，无需在底部连接导管，也不要求循环。泵送效率随通路的 尺寸显著提高，因此，最好是大管子且管子之间是大间隙。图6-8，用于高温的光纤接头最好避免使用接头，因为它们通常使损失和出故障的风险增加。 但是，尤其对于涂有金属的光纤，由于在一些情况下，产生足够长光 纤是困难的或昂贵的，所以使用接头是划算的。例如，对于涂金光纤， 当生产超过几百米的长度时，成品率迅速下降，并且带涂层光纤的成 本足以使使用拼接达到较大范围变得经济。高质量熔合接头通过两个参数衡量i. 接头损失，和ii. 抗张强度。对于折射率緩变多模光纤，光纤相关因素包括芯线直径失配、数 字孔径(NA)失配、折射率分布失配、芯线/包层同心误差、和包层 直径失配。接头工艺相关因素是由拼接方法和过程引起的那些。接头 工艺因素包括横向和角度未对准、污染和芯线变形。光纤准备包括光 纤剥离、表面清除和纤端削尖(fiber-end angle )。图6、 7和8示出了按照一个实施例准备高温光纤接头的步骤。 第一步是在要连接的端部除去外保护涂层和金属涂层，让包层暴露出 来。这可以通过化学或热处理完成。然后，切断、对准和熔合端部，其结果显示在图6中。可以使用传统熔合仪器。为了使泡状接头最小， 可以将一些熔合参数优化成与光纤的较大包层直径(200nm )相适应。 例如，可以扩大预熔和可以提高电弧功率。大约30mm(毫米)的无 涂层间隙现在被保护管覆盖着，保护管需要小心地与金属涂层和/或包 层匹配，或与这些系数之间的一些点匹配，以避免引入在高工作温度下将缩短光纤寿命或影响传感读数的应力。保护熔合接头的适当保护的例子涉及两阶段工艺。首先，在拼接之前，在涂金光纤上插入氧化铝陶瓷管，可选地，插入不锈钢管。如 图7所示，移动陶瓷管盖住接头，并且利用具有薄层自然硬化陶瓷接 合剂形式的密封剂620，在接头的每侧将陶瓷管粘在光纤上的金涂层 上。接合剂在室温下，在18-24个小时的间隔内硬化。如图8所示， 将可选钢管套在陶瓷管上，并且利用具有金属与金属和金属与陶瓷接 合特性好的氧化镁化学硬化粘合剂形式的密封剂620,将可选钢管粘 在涂金光纤和陶瓷管上。这种陶瓷粘合剂在室温下，在四个小时的间 隔内硬化。这些材料是水基型的，硬化之后不会放气。它们的硬化可 以通过低温烘烤加速。它们的最大工作温度超过1400。C。另一种可替 代密封剂是使用熔化形式的与金属涂层相同的金属(例如，Au)填充 间隙，起密封管端和将管子固定在适当位置上的密封剂作用。端接头 保护器具有大约40mm的长度。对于具有235nm外径的带涂层光纤， 陶瓷管可以具有大约0.5mm的内径、和0.8mm的外径。钢管可以具 有l.lmm的外径。内陶瓷管用于将光纤定位在外钢管的中心上和释放由玻璃光纤 与外加强钢管之间的热胀系数的失配引起的一些应力。 一种替代是使 用热膨胀和传导率与玻璃光纤较接近的较厚(超强)陶瓷。这也将缩 短硬化和制造时间。现在可以让金属涂层遍布保护管的端部，可选地， 遍布整个管子以密封接头。图9_11，针对微分损失的光纤校准可以影响传感测量的另一个不精确原因是微分损失。引起微分损 失是因为反斯托克斯成分和斯托克斯成分处在分开波带中，从而当返回到检测器时，它们遭受不同传输损失，因此，反斯托克斯成分与斯 托克斯成分之比随沿着光纤的距离而变。这通常称为导致沿着光纤的 温度传感误差的"微分损失"误差。已经发现，带涂层光纤存在较大问题。图9示出了对于斯托克斯 成分和反斯托克斯成分，对数刻度的功率随距离的分布的例子。图中 示出了四种分布，无涂层光纤的斯托克斯分布和反斯托克斯分布、以 及涂有金属的光纤的斯托克斯分布和反斯托克斯分布。对于这样的带 涂层光纤，损失随沿着光纤的距离更加非线性，因此，难以或不可能 通过线性因子补偿损失，取而代之，如果要保持传感精度，需要使用 随沿着光纤的距离的校准分布。这可以通过预安装完成，但是，由于 很有可能随时间，随温度和随安装伤害而变，所以在安装之后进行较 好，并且最好在测量之间周期性或连续地更新。人们已经描述了许多补偿或校正微分损失误差的技术。 一种方法 是使用多波长光源，在瑞利(Rayleigh)、反斯托克斯和斯托克斯波 带上测量光纤的传输损失，并校正沿着光纤的微分损失。这要求覆盖 波带的附加光源格外昂贵和复杂，并需要测量损失和斯托克斯成分的 多个测量。因此，按照本发明的一个实施例，利用OTDR测量微分损失， 以便利用波长与斯托克斯和反斯托克斯成分相对应的激光确定沿着 光纤的不同位置上的损失，并导出沿着光纤的微分损失的分布。如图 IO所示，这是利用微分损失测试器800进行的。这可以是系统的一部 分或可以是独立设备。它含有受激光扫描控制器870控制的激光脉冲 源860。该光源通过分束器810与传感光纤耦合，根据传感系统100 发送的脉冲的波长，在与斯托克的频带和反斯托克背散射的频带相对 应的穿过频带扫描的波长上沿着光纤向下发送脉冲。该测试器含有与 激光源的频带匹配的带通滤波器820。这些都可以利用传统光学部件 实现。在带通滤波之后，接收器830接收来自斯托克波长脉冲的瑞利 背散射，第二接收器835接收来自反斯托克波长脉冲的背散射。这些 接收器输出传递给积分器840和845以获取损失与距离之间的损失分布、散射功率与时间之间的分布。现在相减这些分布，以获取可以由传感系统100的接收器104用作校正因子的微分损失与时间之间的分 布。图11示出了对于传感系统发出的脉冲，背散射与波长之间关系 的曲线图。这示出了不同背散射成分的三个峰。中心峰是在与发射脉 沖相同的波长，在这种情况下，是1064nm (纳米)上的瑞利成分。 右側是在1010nm上，但遍布相当宽频带的反斯托克斯成分。左侧是 在1110nm上的斯托克斯成分。这也遍布相当宽频带。频带的比例越 大，测试就越精确。带通滤波器应该与激光的频带匹配，以降低经过 处理的信号中的噪声和提高精度。图12-18，双端工作克服非线性;敝分损失的另一种技术是使用双端传感测量。这牵涉 到在环路配置中从两端激发同一光纤，然后采用从两个方向测量的反 斯托克斯和斯托克斯比的几何平均。这种技术意味着需要像第二接收 器或光纤开关那样的附加设备，以便使测量结果从光纤的两端馈送到 同一接收器链，并且在一些情况下，可能在技术上不切实际或在商业 上不可行。例如，如果沿着像向下打眼油井或管道那样的窄路径安装 光纤，可能难以使光纤沿着同一条安装路径绕回来。另外，光纤的附加长度的成本可能也是不经济的。通过使用已知U形管部件(可从AFL专利中了解到)可以在一 定程度上克服在远端绕回来的尺寸约束。这是通过使一段光纤逐渐变 细成小直径，然后使光纤在自身上折回来形成小直径(几毫米)环路 形成的。但是，这种设备依赖于保持受玻璃与空气界面之间的高折射 率差支配的光，因此，需要高度密封的包装解决方案。这种对设备包 装的约束也可能限制部署或安装光纤的条件和方式。 一个例子是在， 例如，油井中的恶劣环境下。于是，另一个实施例在远端配备了反射元件，使光沿着第二光路 返回到检测器，该系统被设置成检测从光纤中的任何给定点朝近端行 进的第 一散射，以及检测从给定点朝远端行进且反射回到检测器的第二散射。图12示出了与两条光路耦合，接收第一和第二散射的传感 系统。反射元件900配备在光路的远端。可以从检测的第一和第二散 射中为沿着光纤的许多点确定传感的特性。这可以用于取代如上所述 的测试器，或可以将测试器用于配置期间的分布的初始精确测量，以 及在工作期间可以周期性地将双端测量结果用于进一步检验损失改变了多少。在生成反向传播脉冲，以便从反射脉冲与正向传播连续波的非线 性相互作用中传感条件的系统的背景下已经描述了将反射镜用在传 感光纤的远端。另一个例子是通过将两条光纤熔合在一起并使它们逐 渐变细形成的光纤反射耦合器，并且将反射元件插入耦合部分中，以 便通过耦合部分反射回来的光被耦合到像第二光纤那样的第二光路。 图13示出了将布拉格光栅910用作反射元件的例子。这可以通过使 光纤暴露在UV光中形成布拉格光栅反射镜来形成。反射元件可以通 过切断耦合部分，然后在切断部分的端部沉积反射金属或介电涂层插 入。这种情况的例子显示在包括反射镜920的图14中。这使两条分开光纤可以相互并排地包装，以及在远端，在两条光 纤的相同总尺度内将来自 一条光纤的光耦合到另 一条。熔合耦合部分 可以与像Vicor那样的低折射率玻璃毛细管插接。耦合器的表面可以 涂上金属或介电涂层，以便提供与周围环境的更好保护屏障。在这种情况下，从第一光纤发出光脉冲，并随着脉冲穿过第一光 纤、被反射和耦合到第二光纤、然后穿过第二光纤，测量和分析通过 同一光纤接收的反向和散射光成分。然后，从第二光纤发出光脉冲， 并随着脉冲穿过第二光纤、被反射和耦合到第一光纤、然后穿过第一 光纤，测量和分析通过同一光纤接收的反向和散射光成分。可以与沿 着同一光纤的双端测量类似，综合两次测量来校正沿着第一和第二光 纤的微分损失影响。如图15所示的另一个例子示出了用作传感光纤、像双芯光纤那 样带有多条芯线的单条光纤。在同一光纤内提供了两条光路。在这种 情况下，可以将光纤的远端熔合成逐渐变细，使光纤的芯线更靠近，在芯线之间引入强模耦合。可以将反射元件插入耦合部分中，反射通 过耦合部分回来的光和将穿过的光耦合到其它芯线。另 一种替代是提供将光反射回到同 一条光路和沿着相反方向传播的反射元件900。 一个例子显示在图16中。在这种情况下，将光脉 冲远离发射端传播时反射和散射光轨迹的第一部分与光脉冲被反射 和回头朝发射端传播时，通过同一光纤返回的本文称为幻像(ghost image)的反射和散射光轨迹的第二部分相比较。可以结合散射光轨 迹的第一和第二部分来校准像折射率、损失分布和极化特性那样的光 纤和同轴部件的分布式特性。图17和18示意性地示出了对于双光纤或单光纤例子，如何进行 这样的双端传感测量。这种特性可以用于校正如这里所述的拉曼分布式温度传感器中 的微分损失影响。在图17中，第一脉沖行进一段距离z，接着，同一 脉沖反射回来，回头行进到同一点。因此，从任何给定点看过去，都 存在两个背散射事例。第一散射直接返回到接收器。第二背散射返回 到反射镜，从那里开始反射回到接收器。可以证明，第一归一化 (normalised)散射轨迹，即反斯托克斯与斯托克斯比可以表示成雖)-琳一',"),如 和第二归 一化散射轨迹可以表示成罪-当采用两个测量结果的几何平均时，我们可以获得<formula>formula see original document page 24</formula>但是，当采用比值时，我们可以获得:<formula>formula see original document page 24</formula>当知道至少 一个位置上的温度时，我们可以从上面的关系中求出积分损失，然后求出分布式微分损失。图18示出了接收信号强度与时间关系的曲线图。左侧示出了第 一散射轨迹，其中响应中的峰代表反射脉冲的到达。这个值太高，通 常通过时间门防止它到达接收器和使接收器饱和。额外光纤长度被显 示成为时间门提供边界的緩冲区。右侧示出了也叫做幻像轨迹的第二 散射轨迹的轨迹。结论性评语对于给定范围、给定精度、给定噪声重复和平均量、给定光纤寿 命、以及对于给定仪器、安装和操作成本，可以组合所述的一些或所 有测量，使在更高温度下的传感成为可能。可以改善在这些或其它因 素之间的折衷选择。可以设想出在权利要求书内的其它变体。
权利要求
1.一种在温度高于300℃的环境下远程传感的系统，该系统含有包含光纤的传感缆线，该光纤含有芯线(10)、包层(20)、和在该包层上保护该包层的表面的金属保护涂层(30)，该包层具有大于150μm的直径、和至少50μm的厚度。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，金属涂层含有如下的任 何一个或多个层Au、 Ag、 Al、 Cu、 Cr或这些金属的合金。
3. 根据权利要求l所述的系统，其中，金属涂层含有厚度为20 - 50|nm的Au。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的系统，含有金属涂层上的外层 (40)，该外层含有如下的至少一个层金属涂层的氧化层、含有它 自己的氧化层的另一个金属层、和聚合物层。
5. 根据前面权利要求中的任何一项所述的系统，其中，传感缆 线含有封装涂有金属的传感光纤的第一导管(330 )。
6. 根据权利要求5所述的系统，含有用于抽空或泵送第一导管 中的流体的装置(170)。
7. 根据权利要求6所述的系统，含有与第一导管的远端耦合以 允许流体流动和返回的第二导管(320)。
8. 根据权利要求6所述的系统，含有环绕第一导管的第二导管、 和设置成抽空第一导管的内部和第一导管与第二导管之间的空间两 者的泵(170)。
9. 根据权利要求5或6所述的系统，其中，将第一导管预装在 传感位置上，带涂层的传感光纤足够柔软，以便在插入预装的第一导 管之前可以盘起来，并且该系统含有设置成通过如下手段的任何一种 插入带涂层传感光纤的安装装置(160):压入、拉出、注入和推进。
10. 根据权利要求7或8所述的系统，其中，将第二导管预装在 传感位置上，含有第一导管的传感缆线足够柔软，以便在插入预装的 第二导管之前可以盘起来，并且该系统含有设置成通过如下手段的任何一种插入传感缆线的安装装置压入、拉出、注入和推进。
11. 一种利用含有光纤(70)的传感缆线远程传感的方法，该光 纤含有芯线(10)、包层(20)、和在该包层上保护该包层的表面的 金属保护涂层(30)，该包层具有大于150pm的直径、和至少50pm 的厚度，该方法含有通过如下手段的任何一种将传感缆线插入传感 位置上的预装导管(75)中的步骤压入、拉出、注入和推进，以及 利用光纤传感条件的步骤。
12. —种用于远程传感和含有传感缆线的系统，该传感缆线包含 含有芯线(10)和包层(20)的光纤，并且该缆线含有封装传感光纤 的第一导管(330 )，该系统还含有抽空第一导管的泵(170)。
13. 根据权利要求12所述的系统，含有环绕第一导管的第二导 管(320 )、以及设置成抽空第一导管的内部和第一导管与第二导管 之间的空间两者的泵。
14. 根据权利要求1到10中的任何一项所述的系统，其中，涂 有金属光纤含有至少一个高温光纤接头，该高温光纤接头含有适合防 止接头处在大于300。C的温度下的陶瓷保护器。
15. —种含有至少一个金属涂层和至少一个高温光纤接头的光 纤，该高温光纤接头含有适合防止接头处在大于300°C的温度下的陶 瓷保护器(600 )。
16. 根据权利要求15所述的光纤，含有连续遍布所述陶瓷保护 器的所迷金属涂层。
17. 根据权利要求15或16所述的光纤，其中，所述陶瓷保护器 具有与如下的任何一个匹配的热胀系数所述光纤、金属涂层和光纤 和金属涂层的膨胀系数之间的值。
18. —种传感系统(100)，含有传感光纤、安装成接收来自传 感光纤的信号和从信号中确定条件的接收器(104)、和设置成使用 OTDR以利用波长与斯托克斯和反斯托克斯成分相对应的激光确定 沿着光纤的不同位置上的微分损失、并导出沿着光纤的微分损失的分 布的光纤损失检测器(800， 820， 830， 835， 840， 845， 850， 860，(870 )，激光的光语与接收的斯托克斯和反斯托克斯成分的光镨匹配。
19. 根据权利要求18所述的传感系统，含有设置成扫描激光频 率以便与接收成分的光镨匹配的激光控制器(870)。
20. 根据权利要求18或19所述的传感系统，含有设置成滤波所 接收的成分以与激光的光傳匹配的带通滤波器(820 )。
21. —种确定光圩的分布式特性的传感系统(100)，该系统含 有设置成沿着光纤从近端发送光脉沖的发送器、测量散射光的检测器 和处在远端使光沿着第二光路返回到检测器的反射元件(900， 910， 920 )，该系统被设置成检测从光纤中的任何给定点朝近端行进的第 一散射，并检测从给定点朝远端行进且反射回到检测器的第二散射， 以及被设置成从检测的第 一和第二散射中为沿着光纤的多个点确定 分布式特性。
22. 根据权利要求21所述的传感系统，含有单条纤芯，发送器 将这条纤芯用于多个脉冲，并且第二光路使用同一条纤芯。
23. 根据权利要求22所述的传感系统，其中，光纤含有直径大 于150pm的包层和在该包层上的金属涂层。
全文摘要
在温度高于300℃的环境下利用光纤的远程传感，该光纤含有芯线(10)、包层(20)、和在包层上保护包层表面的金属保护涂层(30)，该包层具有大于150μm的直径、和至少50μm的厚度。较大直径的包层意味着可以减轻来自金属保护层的应力，导致较低的光损和给予更好的氢保护。金属导管(330)封装传感光纤，流体泵抽空导管以减少氢渗漏物。使用陶瓷接头保护器。将OTDR用于确定沿着光线的不同位置上的微分损失。处在光纤远端的反射元件使校准变得容易。
文档编号G01D5/26GK101336385SQ200680052332
公开日2008年12月31日 申请日期2006年12月6日 优先权日2005年12月6日
发明者M·法哈蒂劳山, M·蒙达诺斯, T·R·帕科 申请人:传感网络有限公司