окно многоволнового волоконного dts c psc волокнами

Формула изобретения

1. Способ автоматической калибровки измерения температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик, содержащий этапы:

a. в режиме измерения, обеспечения энергии светового импульса первичного источника светового излучения в измерительное волокно;

i. сбора обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения;

ii. вычисления температуры с использованием интенсивностей обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения;

b. в течение режима коррекции, выбора вторичного источника светового излучения и подачи импульсов упомянутого вторичного источника светового излучения в измерительное волокно;

i. сбора обратнорассеянной стоксовой компоненты рамановского излучения от этого вторичного источника светового излучения;

ii. использования этой стоксовой компоненты рамановского излучения, собранной от вторичного источника светового излучения в упомянутом режиме коррекции для коррекции профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения, собранного от первичного источника светового излучения во время режима измерения; и

iii. вычисления скорректированной температуры, исходя из скорректированного профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения,

c. причем волоконно-оптический распределенный датчик является оптическим волокном с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC); и

d. причем первичный источник светового излучения является источником с длиной волны 1064 нм, а вторичный источник светового излучения является источником с длиной волны 980 нм.

2. Способ автоматической калибровки измерения температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик, содержащий этапы:

e. подачи энергии первичного излучения в волокно датчика с использованием первичного источника светового излучения;

f. сбора обратнорассеянных релеевской и антистоксовой компонент излучения от энергии первичного излучения;

g. измерения затухания обратнорассеянной компоненты релеевского излучения и использования его для корректировки антистоксовых компонент излучения;

h. подачи энергии вторичного излучения в волокно датчика с использованием вторичного источника светового излучения;

i. сбора обратнорассеянных релеевской и стоксовой компонент излучения от этого вторичного источника светового излучения;

j. измерения затухания обратнорассеянной компоненты релеевского излучения и использования его для корректировки стоксовых компонент излучения;

k. вычисления температуры с использованием соотношения скорректированного обратнорассеянного антистоксового сигнала от энергии первичного излучения и скорректированного обратнорассеянного стоксового сигнала от энергии вторичного излучения,

l. причем волоконно-оптический распределенный датчик является оптическим волокном с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC); и

m. причем первичный источник светового излучения является источником с длиной волны 1064 нм, а вторичный источник светового излучения является источником с длиной волны 980 нм.

3. Способ автоматической калибровки измерения температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик, содержащий этапы:

a. подачи энергии первичного излучения в волокно датчика с использованием первичного источника светового излучения;

b. сбора энергии обратнорассеянного излучения с длиной волны антистоксовой компоненты рамановского излучения от энергии первичного излучения и измерения его интенсивности;

c. подачи энергии вторичного излучения в волокно с длиной волны антистоксовой компоненты рамановского излучения от энергии первичного излучения с использованием вторичного источника светового излучения;

d. сбора энергии обратнорассеянного излучения с длиной волны стоксовой компоненты рамановского излучения от энергии вторичного излучения и измерения его интенсивности; и

e. вычисления температуры с использованием обратнорассеянного антистоксового сигнала от энергии первичного излучения и обратнорассеянного стоксового сигнала от энергии вторичного излучения,

f. причем волоконно-оптический распределенный датчик является оптическим волокном с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC); и

g. причем первичный источник светового излучения является источником с длиной волны 1030 нм, а вторичный источник светового излучения является источником с длиной волны 990 нм.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к использованию оптоволоконных систем распределенного измерения температуры, используемых в подземной скважине с водородной средой, и в частности к использованию устойчивых к водороду PSC волокон в сочетании с выбранной многоволновой DTS технологией.

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

По данной заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке США № 61/340,626 поданной 19 марта 2010.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Распределенное измерение температуры (DTS)на основе рамановского рассеяния было изобретено в начале 1980-х годов и впервые введено в действие в нефтегазовой промышленности в 1990-х годах. DTS сегодня широко используется в обычных нефтяных скважинах с большой длиной записи. Успешные применения охватывают диапазон от контроля нагнетания воды в пласт, газлифта, целостности скважины, моделирования потока и до мониторинга тепловых свойств.

Одним из наиболее сложных применений в подземных скважинах являются скважины с высокими температурами и присутствием водорода в скважине. Например, применение технологий гравитационного дренирования при закачке пара (SAGD), которые используются в качестве технологии увеличения нефтеотдачи пласта для добычи тяжелой нефти и битума, например, в канадских битуминозных песках. Ранние применения оптических волокон в богатых водородом скважинах с высокой температурой испытывали волоконные сбои из-за увеличения оптического затухания, также известные, как затемнение волокна.

Затемнение волокна, о котором свидетельствует увеличенное оптическое затухание, наблюдается в волокнах телекоммуникационного типа, когда водород реагирует с примесями или дефектными участками в волокне. Если не решить эту проблему, это может привести к недействительному измерению зависимости температуры от времени.

Большинство систем DTS основано на принципе оптической временной рефлектометрии (OTDR). Очень короткий световой импульс запускается в оптическое волокно, и импульс взаимодействует с кварцевым стеклом в оптическом волокне по мере его распространения вдоль по волокну. Это взаимодействие приводит к обратному рассеянию светового излучения вдоль всей длины оптического волокна. Отраженное световое излучение состоит из 3-х различных компонентов: обратнорассеянного излучения Рэлея, Бриллюэна и Рамана.

Релеевская компонента рассеивается обратно на той же длине волны, как у введенного импульса, в то время как бриллюэновская и рамановская компоненты смещены по длине волны. Измерение этих различных компонент можно использовать для измерения ряда параметров, в частности, температуры и деформации (давления). Местоположение, в котором измеряются эти параметры, может быть определено посредством измерения времени пробега между переданным импульсом и отраженным светом.

Для борьбы с вредными воздействиями водородного затемнения был предложен ряд решений, большинство из которых решает данную проблему в конкретных применениях, и не все они могут быть успешно использованы в произвольном случае, особенно при очень высоких температурах (>150°C). Фиксированные кабели могут быть изготовлены с очищающим от водорода (удаляющим водородные примеси) гелем в кабеле. Очищающий от водорода гель можно рассматривать как губку, впитывающую в себя водород. В некоторый момент времени губка насыщается, если присутствует достаточное количество водорода. Очищающий от водорода гель используется в применениях с температурами ниже 150°С, так как гели разрушаются с повышением температуры и начинают выделять водород.

Другим подходом к уменьшению водородного затемнения являются волокна с углеродным покрытием. Они могут эффективно бороться с водородной коррозией в оптических волокнах при температурах до 150°C, а в некоторых случаях, углеродные покрытия высокого качества можно использовать и при более высоких температурах в течение коротких периодов времени. Но как очищающие гели, так и углеродные покрытия не подходят для скважин с высокой температурой. Растущая потребность добывать тяжелую нефть привела к технологиям с нагнетанием пара, которые приближаются к 300°C.

Другим подходом, которому уделяется большое внимание в уменьшении водородного затемнения, является использование оптических волокон с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC). PSC волокна могут быть изготовлены без добавочных химикатов и примесей, которые являются предшественниками (продуктами, предшествующими стадии реакции) в реакции с водородом. Этот подход может быть более эффективным, чем гели или углеродные покрытия, но все же может проявлять индуцированное водородом затухание на некоторых частотах, при воздействии свободного водорода при высоких температурах.

Были описаны комбинации этих подходов. Публикация патентной заявки США 20060222306A1 описывает улучшенное оптическое волокно, устойчивое в широком диапазоне температур к потерям, вызванным водородом, в котором используется беспримесная кварцевая сердцевина и слой, задерживающий водород, углеродный, либо металлический, либо из нитрида кремния, затем дополнительный слой оболочки и внешняя защитная оплетка.

Еще одно решение для индуцированного водородом затухания осуществлялось в системах DTS посредством использования многоволновых подходов (с множеством длин волн). В патенте США 7628531 была использована система DTS с двумя источниками светового излучения, которая, как было показано, способна исправлять ошибки, возникающие из неопределенностей локального измерительного волоконного кабеля. Было установлено, что второй источник светового излучения, стоксова полоса которого совпадает с антистоксовой полосой первичного источника светового излучения системы DTS, может быть использован для этой цели. Такая система работает с помощью первичного источника светового излучения в режиме измерения и сбора обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения и использования интенсивностей упомянутых компонент для вычисления температуры. Далее, во время режима коррекции или калибровки, обеспечивается импульс вторичного источника светового излучения, и собираются обратнорассеянные стоксовые компоненты рамановского излучения от вторичного источника светового излучения, которые используются для того, чтобы скорректировать профиль антистоксовой компоненты рамановского излучения от первичного источника светового излучения во время режима измерения, и вычисляется скорректированная температура, исходя из скорректированного профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения.

Аналогичным образом в международной публикации WO 2009011766A1 показано, что некоторые волокна, затемненные в нефтяной скважине, еще могут быть использованы для точного измерения посредством применения двухволновой системы DTS, в которой энергия вторичного излучения в волокне соответствует антистоксовой длине волны для энергии первичного излучения.

Растущие потребности в проведении нефтеразведки, при уменьшении размеров месторождений обычной легкой нефти, побуждающем к проведению разведки все более тяжелой нефти, требуют более надежного решения, чем любое из вышеперечисленных. Такого, которое может работать в средах с гораздо более высокой температурой, и быть надежным в течение всего срока службы волоконной установки.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Эту потребность удовлетворяет изобретение, представленное в настоящем описании.

Эту потребность удовлетворяет система, объединяющая многоволновую DTS и оптическое волокно, в которой рабочие длины волн являются критическими.

Аспектом данного изобретения является способ автоматической калибровки измерения температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в течение режима измерения в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик, содержащий следующие этапы: в режиме измерения, обеспечения энергии светового импульса первичного источника светового излучения в измерительное волокно; сбора обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения; вычисления температуры с помощью интенсивностей обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения; в течение режима коррекции, выбора вторичного источника светового излучения и обеспечения импульсов упомянутого вторичного источника светового излучения в измерительное волокно; сбора обратнорассеянной стоксовой компоненты рамановского излучения от этого вторичного источника светового излучения; использования этой стоксовой компоненты рамановского излучения, собранной от вторичного источника светового излучения в упомянутом режиме коррекции для коррекции профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения, собранного от первичного источника светового излучения во время режима измерения; и вычисления скорректированной температуры, исходя из скорректированного профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения, причем волоконно-оптический распределенный датчик является оптическим волокном с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC); и причем первичный источник светового излучения является источником с длиной волны 1064 нм, а вторичный источник светового излучения является источником с длиной волны 980 нм.

Другим аспектом данного изобретения является способ автоматической калибровки измерения температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик, включающий в себя, по меньшей мере, следующие этапы: подачи энергии первичного излучения в волокно датчика с использованием первичного источника светового излучения; сбора обратнорассеянных релеевской и антистоксовой компонент излучения от энергии первичного излучения; измерения затухания обратнорассеянной компоненты релеевского излучения, и использования его для корректировки антистоксовых компонент излучения; подачи энергии вторичного излучения в волокно датчика с использованием вторичного источника светового излучения; сбора обратнорассеянных релеевской и стоксовой компонент излучения от этого вторичного источника светового излучения; измерения затухания обратнорассеянной компоненты релеевского излучения, и использования его для корректировки стоксовых компонент излучения; вычисление температуры с использованием соотношения скорректированного обратнорассеянного антистоксового сигнала от энергии первичного излучения и скорректированного обратнорассеянного стоксового сигнала от энергии вторичного излучения; причем волоконно-оптический распределенный датчик является оптическим волокном с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC); и причем первичный источник светового излучения является источником с длиной волны 1064 нм, а вторичный источник светового излучения является источником с длиной волны 980 нм.

Другим аспектом данного изобретения является способ автоматической калибровки измерения температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик, содержащий следующие этапы:

подачи энергии первичного излучения в волокно датчика с использованием первичного источника светового излучения; сбора энергии обратнорассеянного излучения с длиной волны антистоксовой компоненты рамановского излучения от энергии первичного излучения и измерение ее интенсивности; подачу энергии вторичного излучения в волокно с длиной волны антистоксовой компоненты рамановского излучения от энергии первичного излучения с использованием вторичного источника светового излучения; сбора энергии обратнорассеянного излучения с длиной волны стоксовой компоненты рамановского излучения от энергии вторичного излучения и измерение ее интенсивности; и вычисление температуры, используя обратнорассеянный антистоксовый сигнал от энергии первичного излучения и обратнорассеянный стоксовый сигнал от энергии вторичного излучения; причем волоконно-оптический распределенный датчик является оптическим волокном с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC); и причем первичный источник светового излучения является источником с длиной волны 1030 нм, а вторичный источник светового излучения является источником с длиной волны 990 нм.

В другом аспекте, схема с модулированием одиночного импульса может работать и как первичный, и как вторичный источник светового излучения. В этом аспекте непрерывно обеспечиваются общие параметры модуляции для двух лазеров, обеспечивая гораздо лучшие последовательные импульсы с идентичными условиями по таким параметрам, как амплитуда модулирующего тока, частота следования и длительность импульсов.

В другом аспекте, первичный источник светового излучения и вторичный источник светового излучения могут быть одним и тем же источником света, т. е. двухволновым лазерным источником, выполненным с возможностью обеспечивать, по меньшей мере, два оптических сигнала в измерительное волокно.

В другом аспекте, PSC волокно может также иметь углеродное покрытие для дополнительного повышения устойчивости к индуцированному водородом затуханию.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предпочтительные варианты осуществления и их преимущества будут лучше всего понятны при обращении к фиг.1-6.

Фиг. 1 иллюстрирует одностороннюю систему DTS.

Фиг. 2 иллюстрирует двустороннюю систему DTS.

Фиг. 3 иллюстрирует уровни OTDR сигнала для четырех различных оптических чувствительных элементов.

Фиг. 4 иллюстрирует на (a) и (b) различные измерения температуры с помощью чувствительных элементов по фиг. 3.

Фиг. 5 иллюстрирует потери, индуцированные проникновением водорода для примерного PSC волокна.

Фиг. 6 иллюстрирует потери на затухание для критических длин волн для волокна по фиг. 5.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Хотя некоторые варианты осуществления настоящего изобретения и их преимущества подробно описаны в настоящем документе, следует понимать, что различные изменения, замены и перестановки могут быть осуществлены в них без отклонения от сущности и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения. Более того, подразумевается, что объем настоящего изобретения не ограничивается конкретными вариантами осуществления процессов, устройств, продуктов, средств, способов и этапов, описанных в настоящем документе. Специалист в данной области без труда поймет, исходя из этого описания, что другие процессы, устройства, продукты, средства, способы или этапы как существующие в настоящее время, так и разработанные позднее, которые могут выполнять по существу ту же функцию или достигать по существу тот же результат, что и соответствующие варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, можно использовать в соответствии с настоящим изобретением. Таким образом, подразумевается, что приложенная формула изобретения включает в себя, в пределах своего объема, все такие процессы, устройства, продукты, средства, способы или этапы.

Классический способ распределенного измерения температуры, используя рамановское рассеяние, состоит в том, что посылается одиночный импульс с длиной волны ₀ вдоль по оптическому волокну, и измеряются обратнорассеянные стоксовая ( _s) и антистоксовая ( _as) компоненты рамановского излучения, как функции времени. Время пробега позволит вычислить местоположение, а температура может быть вычислена, как функция от соотношения между интенсивностью стоксовой и антистоксовой компонент в любом заданном местоположении. На Фиг. 1 представлена односторонняя система 100, состоящая из односторонней системы 120 DTS и волокна 130 Длины L, установленного в интересующей области.

Затухание в волокне вследствие поглощения и рэлеевское рассеяние вносят затухание, зависящие от длины волны. Пиковые длины волн стоксовой и антистоксовой компонент разнесены на 13[ТГц] от переданного импульса. Система, работающая при ₀=1550 нм, дает длину _s волны стоксовой компоненты в 1650 нм, и длину _as волны антистоксовой компоненты в 1450 нм. Разница в зависящем от длины волны оптическом затухании ( ) между длинами волн стоксовой компоненты и антистоксовой компоненты должна компенсироваться. Это часто добавляют в основное уравнение Рамана, приведенное ниже, где влияние дифференциального затухания корректируется для расстояния z.

Базовым фундаментальным допущением для точных измерений температуры с помощью одноволновой системы DTS является постоянство дифференциального затухания .

Это допущение не справедливо для многих применений. Примерами случаев, где дифференциальные потери варьируются, являются изгибы, вызванные прокладкой кабеля, затухание, индуцированное излучением, или индуцированное водородом затухание, которые являются только некоторыми примерами.

Преимуществами классической односторонней системы являются простое развертывание и большой радиус действия в применениях, где дифференциальное затухание между стоксовой и антистоксовой компонентами остается постоянным.

Недостатком классической односторонней системы DTS является то, что она будет проявлять значительные погрешности измерений вследствие зависящего от длины волны динамического затухания, когда, например, волокно подвергается воздействию водорода. Общее увеличение оптического затухания во многих волокнах может достигать порядка десятков дБ/км, и может превышать динамический диапазон системы.

Влияние варьирования дифференциального затухания может быть смягчено с помощью одноволновой системы DTS, в которой измерения ведутся с двух концов стороннее волокна (двусторонняя система). На фиг. 2 ниже представлена двусторонняя система 200.

Волокно проложено в виде петли из двух волокон (230, 240) длины L, и полная трасса температуры берется от канала 1 до канала 2 для суммарной длины волокна 2L. Вторая полная трасса температуры берется от канала 2, дающего две температурные точки на каждую точку вдоль измерительного волокна. С помощью этой информации, коэффициент дифференциального затухания может быть вычислен для каждого местоположения вдоль оптического волокна. Этот коэффициент (z) распределенного дифференциального затухания затем можно использовать для вычисления скорректированной трассы температуры.

Есть несколько проблем, которые надо осознавать и учитывать при рассмотрении использования двусторонней системы.

1. Использование волокна удвоенной длины требует удвоения бюджета оптической мощности для приборов DTS. Это часто ограничивает производительность двусторонней системы, поскольку сокращаются все запасы в бюджете оптической мощности.

2. Опрос измерительных волокон с двух направлений требует удвоения числа оптических разъемов, и приводит к усложнению системы.

3. В два раза большее количество волокна подвергается воздействию окружающей среды, поэтому индуцированное водородом затухание будет создавать вдвое большее затухание в петле по сравнению с односторонней системой.

4. Шум возрастает экспоненциально с расстоянием, так как уровень сигнала уменьшается вследствие затухания в волокне, и шумовая составляющая проявляется в зависимости коэффициента распределенного дифференциального затухания от расстояния (z) и в трассе температуры.

Проблемы 1 и 2 увеличивают общую стоимость, добавляя при этом сложность развертывания. Проблема 3 уменьшает срок службы системы. Проблема 4 влияет на качество данных, которые в свою очередь делают более сложной интерпретацию температурных данных. Во многих установках непрактично или даже невозможно применение двусторонних систем.

Преимущество двусторонней системы состоит в способности к коррекции для учета изменений динамического дифференциального затухания. К недостаткам относятся стоимость, сложность, производительность системы и качество данных.

Альтернативой является использование односторонней мульти-лазерной технологии. Она решает все проблемы двусторонней системы, обеспечивая при этом все преимущества односторонней системы. Тип системы может быть спроектирован так, чтобы он был более устойчивым к зависящему от длины волны затуханию. Тщательный выбор лазерных длин волн обеспечит пути прохождения сигнала с равным количеством затухания при прохождении сигнала туда и обратно для введенного излучения и обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент, таким образом, устраняется эффект распределенного дифференциального затухания (z). Работа и характеристики многоволновой системы иллюстрируется на фиг. 3 и 4.

На фиг. 3 представлены данные OTDR для 4 разных оптических волокон при комнатной температуре. Волоконные чувствительные элементы 301, 302 и 303 являются недопированными волокнами на транспортировочных катушках, в то время как волоконный чувствительный элемент 304 извлечен из скважины с нагнетанием пара в Канаде. Волокно 304 было извлечено для анализа отказов после того, как оператор пришел к выводу, что одноволновая односторонняя система не может измерять какие бы то ни было полезные температурные данные вследствие индуцированного водородом затухания. Результаты для волоконных чувствительных элементов 301, 302 и 303 демонстрируют ожидаемые линейные значения оптического затухания, в то время как волновой чувствительный элемент 304 демонстрирует нелинейное затухание.

На фиг. 4(a) представлены данные DTS, измеренные с помощью классической односторонней системы DTS, а на фиг. 4(b) представлены такие же данные DTS, измеренные с многоволновой DTS.

Когда волокна опрашиваются с помощью классической односторонней DTS, волокна 301, 302 и 303 демонстрируют в значительной степени линейное поведение на фиг. 4(a). Наклон в измерении для волокон: три волокна могут быть откалиброваны путем варьирования дифференциального затухания , предполагая, что температура известна в любой точке вдоль волокна. Каждое из волокон должно быть индивидуально откалибровано для точных измерений, однако нелинейные вклады не могут быть откалиброваны, как можно видеть у волоконного чувствительного элемента 304 на фиг. 4(a). Волокно 304 показывает большую нелинейную температурную ошибку вследствие индуцированного водородом затухания. В скважинах с нагнетанием пара распределенное дифференциальное затухание может изменяться со временем, а температура и воздействие водорода делают неточными любые попытки калибровки односторонних одноволновых систем.

Те же самые волокна опрашивались с использованием односторонней многоволновой системы, и результаты представлены на фиг. 4(b). Измеренные температурные данные для всех чувствительных элементов, независимо от разницы в распределенном дифференциальном затухании, хорошо согласуются со случаем комнатной температуры. Это свидетельствует о способности многоволновой технологии преодолевать некоторые динамические нелинейные вариации распределенного дифференциального затухания.

Для решения более сложных проблем длительного воздействия на волоконные системы DTS очень враждебных (высокая температура и высокая концентрация свободного водорода) сред настоящее изобретение предлагает сочетание односторонней многоволновой системы DTS и устойчивого к водороду волокна с беспримесной кварцевой сердцевиной, в котором как система DTS, так и волоконная система сконструированы, чтобы максимально улучшить характеристики системы и обеспечить гораздо лучшую способность устранения динамических нелинейных вариаций распределенного дифференциального затухания в высокотемпературных водородных средах.

Затемнение волокна или индуцированное водородом оптическое затухание возникает, когда водород реагирует с дефектными местами в оптических волокнах. Постоянное индуцированное водородом затухание изменяется в зависимости от химического состава волокна, концентрации водорода, температуры и времени воздействия. Следовательно, индуцированное затухание оптического волокна, вероятно, будет являться неоднородным по длине оптического волокна, так как условия в подземной скважине меняются вдоль ствола скважины.

Следующим уровнем уменьшения водородного воздействия являются оптические волокна с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC). Примеси и химикаты, являющиеся причиной постоянного индуцированного водородом затухания, нейтрализуются (устраняются) из сердцевины оптического волокна. Свободный водород будет по-прежнему вызывать зависящее от длины волны затухание в оптических волокнах с беспримесной кварцевой сердцевиной, но оптические волокна могут быть специально сконструированы так, чтобы демонстрировать низкие потери при некоторых определенных длинах волн. Согласно проектированию, индуцированное водородом затухание из-за свободного водорода проявляется на разных длинах волн.

Волокно на фиг. 5 - это хороший пример такого специально сконструированного волокна, в котором меньшие длины волн демонстрируют слабое затухание в некоторых определенных полосах, что является результатом целенаправленной инженерной работы. Данные на фиг. 5 представлены для оптического волокна с беспримесной кварцевой сердцевиной (PSC) после 340 часов воздействия водорода при 280°C с давлением водорода 200 фунт-сила на квадратный дюйм (psi). Можно видеть, что хотя проникновение водорода в этих экстремальных условиях может оказать серьезное вредное воздействие на многие части волнового спектра, есть несколько диапазонов длин волн, в которых потери на затухание потенциально могут контролироваться. Примером такого диапазона длин волн является диапазон между приблизительно 950 нанометрами (нм) и 1070 нм.

Наиболее распространенными системами DTS являются одноволновые системы, работающие на длине волны 1064 нм +/- 40 нм, что означает, что они имеют рабочую полосу длин волн между 1024 нм и 1104 нм, и должны иметь дело с пиком 1083 нм, представленном на фиг. 5. Свободный водород в оптическом волокне вызывает пик затухания на 1083 нм, и этот пик будет присутствовать каждый раз, когда в оптическом волокне есть свободный водород. Амплитуда пика 1083 нм меняется в зависимости от концентрации водорода.

Аспектом изобретения согласно данному описанию является согласование двухволновой системы DTS и подходящей полосы длин волн у специально спроектированного волокна PSC. В качестве предпочтительного варианта осуществления выступает двухволновая система DTS с рабочим диапазоном длин волн между 980 нм и 1064 нм. Нормальные потери в полосе длин волн от 980 нм до 1104 нм составляют около 2 [дБ/км]. Для 1500 метровой скважины с гравитационным дренированием при закачке пара (SAGD), это преобразуется в потери в двух направлениях распространения 2×1,5[км]×2[дБ/км]=6[дБ] ожидаемых потерь в волокне для односторонней системы. Для двусторонней системы, потери в двух направлениях распространения преобразуются в 2×3,0[км]× 2[дБ/км]=12[дБ] ожидаемых потерь в волокне. Рабочая полоса DTS должна затем быть отображена на графике зависящего от длины волны затухания в волокне, и должно быть оценено индуцированное водородом затухание в рабочей полосе. Если дать крупным планом изображение соответствующей полосы длин волн в волокне на фиг. 5, и отобразить рабочую полосу DTS, получится фиг. 6.

Как видно на фиг. 6, пики индуцированного водородом затухания увеличивают наивысший уровень затухания до 3[дБ/км] для полосы 980 нм-1064 нм, показанной ссылкой 610, но наивысший уровень затухания для полосы 1024 нм-1104 нм возрастает до 8[дБ/км].

Полезный запас индуцированного водородом затухания для односторонней двухволновой системы, работающей в 980 нм-1064 нм, есть разница между исходной величиной 2[дБ/км] и 3[дБ/км], т.е. 2×1,5[км]×1[дБ/км]=3[дБ].

Полезный запас индуцированного водородом затухания для двусторонней одноволновой системы, работающей в 1024 нм-1104 нм, есть разница между исходной величиной 2[дБ/км] и 8[дБ/км], т.е. 2×1,5[км]×6[дБ/км]=18[дБ]. Это увеличение является весьма значительным, причем условия испытания волокна для данного волокна весьма жесткие при 200 psi парциального давления водорода. 200 psi парциального давления водорода преобразуются в 2000 psi давления в скважине с 10% концентрацией водорода в скважине.

Недостаточный запас мощности выводит систему из строя, когда она подвергается воздействию водорода при повышенных температурах. Свободный водород в оптическом волокне вызывает пик затухания на 1083 нм, и этот пик будет присутствовать во всех оптических волокнах, где есть свободный водород. Амплитуда пика 1083 нм будет изменяться в зависимости от концентрации водорода.

Ключевое решение для проектирования систем температурного мониторинга в высокотемпературных водородных средах состоит в согласовании волокна и DTS как пары, где система DTS работает в полосе длин волн с минимальным увеличением затухания в течение срока службы объекта.

В одном из аспектов таких PSC волокна - двухволновой односторонней DTS системы, используется DTS система с двумя длинами волн, равными 1064 нм (первичной) и 980 нм (вторичной). Этот аспект осуществляется посредством следующих операций: сначала, в режиме измерения, в измерительное волокно обеспечивается энергия светового импульса первичного источника светового излучения; затем собираются обратнорассеянные стоксовая и антистоксовая компоненты рамановского излучения; вычисляется температура с помощью интенсивностей обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения; затем, в течение режима коррекции, выбирается вторичный источник светового излучения, и в измерительное волокно подаются импульсы упомянутого вторичного источника светового излучения; собирается обратнорассеянная стоксовая компонента рамановского излучения этого вторичного источника светового излучения; эта стоксовая компонента рамановского излучения, собранного от вторичного источника светового излучения, используется в упомянутом режиме коррекции для коррекции профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения, собранного от первичного источника светового излучения во время режима измерения; и вычисляется скорректированная температура, исходя из скорректированного профиля антистоксовой компоненты рамановского излучения.

В другом аспекте таких PSC волокна - двухволновой односторонней DTS системы, используется, но другим способом, DTS система с двумя длинами волн, равными 1064 нм (первичной) и 980 нм (вторичной). Этот аспект осуществляется посредством следующих операций: сначала в волокно датчика подается энергия первичного излучения с помощью первичного источника светового излучения; затем собираются обратнорассеянные релеевская и антистоксовая компоненты излучения от энергии первичного излучения, и измеряется затухание обратнорассеянной компоненты релеевского излучения, которое используется для корректировки антистоксовых компонент излучения; затем в волокно датчика подается энергия вторичного излучения с помощью вторичного источника светового излучения; и собираются обратнорассеянные релеевская и стоксовая компоненты излучения от этого вторичного источника светового излучения; затем измеряется затухание обратнорассеянной компоненты релеевского излучения, которая используется для корректировки стоксовых компонент излучения; и температура вычисляется с использованием соотношения скорректированного обратнорассеянного антистоксового сигнала от энергии первичного излучения и скорректированного обратнорассеянного стоксового сигнала от энергии вторичного излучения.

В другом аспекте таких PSC волокна - двухволновой односторонней DTS системы, выбирается DTS система с двумя длинами волн, равными 1030 нм (первичной) и 990 нм (вторичной). Они также попадают в диапазон низкого водородного затухания на фиг. 6, и их выбирают так, что антистоксовая компонента излучения от первичного источника светового излучения по существу является такой же, как длина волны вторичного источника светового излучения. Этот аспект осуществляется посредством подачи сначала энергии первичного излучения в волокно датчика с помощью первичного источника светового излучения; сбора энергии обратнорассеянного излучения с длиной волны антистоксовой компоненты рамановского излучения от энергии первичного излучения и измерение ее интенсивности; подачи энергии вторичного излучения в волокно с длиной волны антистоксовой компоненты рамановского излучения от энергии первичного излучения с помощью вторичного источника светового излучения; сбора энергии обратнорассеянного излучения с длиной волны стоксовой компоненты рамановского излучения от энергии вторичного излучения и измерения ее интенсивности; и вычисления температуры с использованием обратнорассеянного антистоксового сигнала от энергии первичного излучения и обратнорассеянного стоксового сигнала от энергии вторичного излучения.

В другом аспекте этих вариантов осуществления изобретения, выбор режима измерения или режима коррекции можно делать с помощью коммерчески доступного оптического переключателя. Такая схема, как предложена, обеспечивает стабильную и точную калибровку.

В этих вариантах осуществления первичный источник светового излучения и вторичный источник светового излучения могут быть одним и тем же источником светового излучения, т.е. двухволновым лазерным источником, выполненным с возможностью подавать в измерительное волокно, по меньшей мере, два оптических сигнала. В этом случае оптические переключатели могут не потребоваться. Двухволновой лазерный источник может работать на первичной длине волны, и может осуществляться сбор в ключевых полосах. Затем двухволновой лазерный источник может работать на вторичной длине волны, и могут быть собраны оставшиеся ключевые отраженные полосы.

В другом аспекте, два лазера используют схему с модулированием одиночного импульса для управления источниками светового излучения. Этот аспект непрерывно обеспечивает общие параметры модуляции для двух лазеров. Трудно синхронизировать два последовательных импульса с одинаковым состоянием по таким параметрам, как амплитуда модулирующего тока, частота следования и длительность импульсов, за счет использования двух отдельных схем, модулирующих одиночный импульс. Настоящее изобретение может иметь схему, модулирующую одиночный импульс, которая управляет обоими режимами: режимом измерения и режимом коррекции, то есть как первичным источником светового излучения, так и вторичным источником светового излучения.

Наземная прокладка кабеля и поверхностные сварные соединения могут добавлять еще 2-6[дБ] потерь, но они, как правило, не должны меняться при правильной установке. Любые проблемы с наземной прокладкой кабеля можно диагностировать с помощью трассы стоксовой компоненты в системе DTS или с помощью применяемых в области телекоммуникаций рефлектометров OTDR.

Все способы, раскрытые и заявленные в настоящем документе, могут быть исполнены без дополнительного экспериментирования после изучения настоящего раскрытия. Хотя раскрытие изобретение может быть описано в терминах предпочтительных вариантов осуществления, для специалиста в данной области должно быть очевидным, что к компонентам, описанным в настоящем документе, могут быть применены изменения, не отклоняясь от его идеи, сущности и не выходя за объем изобретения. Считается, что все подобные изменения и модификации, очевидные для специалистов в данной области, лежат в пределах сущности, объема и идеи раскрытия изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.