基于布里渊散射的全井段分布式智能油气井参数光纤传感研究

In order to realize intelligent parameter monitoring and information management of oil well in the future, The project will research on the fully and continuously distributed optical fiber sensing system for parameter monitoring of high temperature and high pressure oil wells based on Brillouin scattering and optical time domain reflectometry. By theoretical analysis, numerical simulation and experiment the study will be focused on some key techniques and challenges such as feature of Brillouin scattering of general and special optic fibers in high temperature and high pressure oil wells, the relationships of modulation and demodulation between the Brillouin spectrum and the parameters of high temperature and high pressure oil wells, improvement for weak signal detection accuracy, preparation method of special enhanced sensitivity optical fiber for permanent distributed measurement in oil wells, improvement for system spatial resolution and multiple parameter cross sensitivity and so on, and on implementation of fully borehole distributed experimental measurement of temperature and pressure with this system, which will lay the foundations for the intelligent parameter monitoring and information management of oil well in the future.

以油气井监测的信息化和智能化发展要求为前景目标，基于布里渊散射非线性效应和光时域反射计技术，研究并建立连续全井段分布式高温高压智能油气井参数光纤传感器测量系统。采用理论分析、数值模拟和实验相结合，重点研究高温高压油气井中普通和增敏性特殊光纤的布里渊散射特性、布里渊散射谱与高温高压油井参数的调制解调关系、微弱信号检测技术精度提高、适应于油气井永久性全分布式测量的增敏性特种光纤的制备方法、系统空间分辨率提高以及多参数交叉敏感性等难点和关键技术问题，实现该传感器系统对油气井温度和压力等参数的全井段连续分布式模拟实验测量，为该项新技术应用于未来油田的信息化和智能化奠定基础。

因为具有许多无法比拟的优点，在未来油田生产监测智能化、网络化和信息化中布里渊全分布式光纤传感技术具有很好的应用前景。但其针对高温高压的油气井参数永久性检测和监控的应用还有很多基础问题没有解决，且研究很少。因此，本项目在批准资助的一年中主要开展了高温高压油气井光纤布里渊散射特性理论和数值模拟、油井参数与布里渊谱的调制解调关系、油井参数全分布式测量的布里渊光纤传感技术系统设计、系统空间分辨率的提高方法以及光纤温度压力增敏性方法等研究。.基于光纤中布里渊散射的物理模型及其耦合波方程，理论研究了光纤中泵浦光场、斯托克斯场和声子场相互耦合作用产生自发和受激布里渊的机理和过程，建立一套适用于研究油井高温高压（最高150MPa，250℃）光纤中稳态和瞬态的布里渊散射特性的理论公式，分析了油井温度、光纤轴向应变和径向应变与布里渊散射谱的变化关系。采用R. W. Boyal分布噪声模型方法，建立用于数值计算油井温度压力下自发布和受激布里渊散射的物理模型。采用改进的时域有限差分法等数值计算方法研究了各种不同形状、结构和掺杂光纤的不同宽度的脉冲泵浦布里渊散射功率谱的特性。建立了1－150MPa，20－250℃油井压力温度范围内的布里渊谱与温度压力的调制和解调关系。针对布里渊谱解调温度和压力的交叉敏感问题，由测得的布里渊频移和Landau-Placzec比或布里渊谱峰和谱宽等采用加权最小二乘方法解调，其权系数根据温度和压力与布里渊频移、谱峰和谱宽等的相关关系优选。从改变石英光纤的结构、光纤中掺杂其它离子和改变光纤外包层等方面探讨了布里渊传感光纤的温度压力增敏性改进方法。结合模型理论分析、数值模拟研究和优化参数，提出了一种增敏特种光纤的制备设计方案。针对油井监测应用的特点，提出了基于布里渊光时域反射计（BOTDR）系统框架的油井参数全分布式传感系统设计（B-DOFS）及其主要系统性能参数。从分析影响该系统空间分辨率的因素出发，探讨从信号处理、频域测量、采用频率调制的连续光泵浦技术等方面提高布里渊分布式传感系统的空间分辨率，在满足油井探测深度范围的前提下使空间分辨率小于30cm内，可更好地满足对油井测量按油层分层监测的实用要求。这些为后续高温高压油井参数全分布式传感器系统实现、改善其测量精度和性能、提高空间分辨率等奠定了理论基础。