井下光纖分布式流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域，尤其是非浸入式井下光纖分布式流量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在油田領(lǐng)域，流量的測(cè)量可以為生產(chǎn)、測(cè)井動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為石油生產(chǎn)和傳輸特性提供 極其重要的參數(shù)，井下具有高溫、高壓等十分惡劣的環(huán)境，傳統(tǒng)的電子流量計(jì)易出現(xiàn)故障， 而現(xiàn)有的光纖渦輪、渦街流量計(jì)是一種浸入式技術(shù)(如《分布式光纖流量測(cè)量裝置與方法》 發(fā)明專利)，打破原有的系統(tǒng)流場(chǎng)，測(cè)量結(jié)果具有局限性。
[0003] 《分布式光纖流量測(cè)量裝置與方法》發(fā)明專利測(cè)試原理如下： 通過利用一根傳感光纖將多個(gè)待測(cè)流場(chǎng)管道連接在一起，在每個(gè)流場(chǎng)里分別設(shè)置一個(gè) 障礙物，流體遇到障礙物后將形成有規(guī)律的兩列旋轉(zhuǎn)方向相反的并排旋渦稱為卡門旋渦。 此旋渦頻率與流速成正比，解調(diào)基于Φ-光時(shí)域發(fā)射計(jì)的干涉機(jī)理，干涉信號(hào)反映出傳感 光纖的感應(yīng)振動(dòng)頻率，此傳感光纖受旋渦沖力的作用而作受迫振動(dòng)，傳感光纖中的產(chǎn)生的 后向散射光信號(hào)相位也就此振動(dòng)調(diào)制，通過解調(diào)出旋渦頻率，從而可求出流場(chǎng)的流速。
[0004] 《分布式光纖流量測(cè)量裝置與方法》發(fā)明專利不足之處： (1)流量的測(cè)量必須要在流場(chǎng)里設(shè)置障礙物，打破原有的系統(tǒng)流場(chǎng)。
[0005] (2)采用散射原理，解調(diào)信號(hào)的信噪比較低，低流速難以測(cè)量準(zhǔn)確。
[0006] 《非浸入式井下光纖流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》雖然實(shí)現(xiàn)了流量的非介入式測(cè)量，但其還是點(diǎn) 式測(cè)量，介于解調(diào)系統(tǒng)的容量以及信號(hào)串?dāng)_等因素限制其在井下流量真正意義上的分布式 測(cè)量。
[0007] 《光纖分布式聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》提出了基于背向瑞利散射光干涉的光纖分布式聲波 監(jiān)測(cè)，通過光路優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)某單位長(zhǎng)度的背向瑞利散射和下一個(gè)單位長(zhǎng)度的背向瑞利 散射的干涉，通過相應(yīng)的解調(diào)算法，解調(diào)出作用在某一時(shí)間段脈沖內(nèi)的聲波脈沖信息。其系 統(tǒng)采用光纖散射原理致使系統(tǒng)的信噪比較低，其專利中的方案可以實(shí)現(xiàn)直接作用在光纖上 的較大聲壓的聲波信號(hào)，并不具備檢測(cè)井下管中流量信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在以上不足，本發(fā)明提出了一種基于偏振控制的3X3耦合器解 調(diào)的井下光纖分布式流量監(jiān)測(cè)解調(diào)裝置。
[0009] 本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)手段是：一種井下光纖分布式流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)， 它包括超窄線寬激光器，超窄線寬激光器發(fā)出的超窄線寬激光經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制成脈沖脈 寬為τ，周期為T的脈沖激光，脈沖激光序列依次經(jīng)過第一光放大器和超窄帶寬第一光濾 波器后進(jìn)入第一環(huán)形器的C 11端，脈沖激光序列自第一環(huán)形器的C η端經(jīng)過C 13端注入長(zhǎng)為L(zhǎng) 的傳感光纖，傳感光纖中的背向瑞利散射光返回到第一環(huán)形器的C13端，自第一環(huán)形器C12端 輸出的背向瑞利散射光經(jīng)過第二光放大器進(jìn)入到超窄線寬第二光濾波器后，背向瑞利散射 光經(jīng)偏振控制器后進(jìn)入第二環(huán)形器C 21端，背向瑞利散射光經(jīng)過第二環(huán)形器C 23端進(jìn)入3 X 3 耦合器的B11端，經(jīng)過3X3耦合器分束到B 14端、B 15端和B 16端，由3X3耦合器B 14端發(fā)出 的背向瑞利散射光經(jīng)過長(zhǎng)度為L(zhǎng)1的光纖到達(dá)第一法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；由3 X 3耦合器B 15端發(fā)出 的背向瑞利散射光經(jīng)過長(zhǎng)度為1^的光纖進(jìn)入到達(dá)第二法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；其中邁克爾遜干涉儀 的臂長(zhǎng)差S=L 1-L25S 3X3耦合器B 16端發(fā)出的背向瑞利散射光送入第四光探測(cè)器，第四光 電探測(cè)器將電信號(hào)送入到光纖分布式流量解調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)第四光探測(cè)器光強(qiáng)的大小動(dòng)態(tài)調(diào) 整偏振控制器的電壓大小以達(dá)到控制瑞利散射的光偏振狀態(tài)。
[0010] 兩束背向瑞利散射光經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡返回的背向瑞利散射光在3X3耦合器處發(fā) 生干涉，背向瑞利散射光的干涉信號(hào)經(jīng)過3 X 3耦合器的B12和B 13分別進(jìn)入到第二光電探測(cè) 器和第三光電探測(cè)器，背向瑞利散射光的干涉信號(hào)經(jīng)3X3耦合器的B11進(jìn)入第二環(huán)形器的 C23端，經(jīng)第二環(huán)形器的C22端，進(jìn)入第一光探測(cè)器。第一光探測(cè)器、第二光電探測(cè)器和第三光 電探測(cè)器的電信號(hào)同時(shí)到達(dá)光纖分布式流量解調(diào)系統(tǒng)，進(jìn)行3X3耦合器相位算法的解調(diào)， 完成相應(yīng)位置上的傳感信號(hào)的相位的變化解析。
[0011] 本方案的具體特點(diǎn)還有，所述傳感光纖是直接將光纖以平行于油管軸線的方式鋪 設(shè)在油管外壁，此方案只能感應(yīng)徑向管壁振動(dòng)，如圖2所示。
[0012] 所述傳感光纖是將光纖按照等間距的螺旋線方式纏繞在油管外壁，此方案感應(yīng)管 壁徑向及軸向的雙向振動(dòng)，靈敏度較高，如圖3所示。
[0013] 所述傳感光纖是按照在油管外壁緊密纏繞η圈光纖，光纖之間沒有縫隙形成一 個(gè)光纖線圈，根據(jù)測(cè)試需求在油管外壁可以纏繞m個(gè)光纖線圈，光纖線圈之間采用串聯(lián)方 式連接，兩個(gè)線圈之間的間距E等于邁克爾遜干涉儀的臂長(zhǎng)差S，線圈在油管外壁需緊密 纏繞，纏繞圈數(shù)η由光纖分布式聲波監(jiān)測(cè)解調(diào)系統(tǒng)的空間分辨率D s和管道半徑R決定，即 n=D^(2JiR)，此方案靈敏度最高，如圖4所示。
[0014] 所述超窄線寬激光器，線寬小于1kHz，功率大于50mW (保證返回瑞利散射功率)。
[0015] 所述第一光放大器與第二光放大器波長(zhǎng)一致(誤差在0. 03nm)。
[0016] 所述超窄帶寬激光器和光濾波器波長(zhǎng)一致，3dB帶寬小于0. 08nm，消除光放大器 產(chǎn)生的ASE噪聲，提高真實(shí)信號(hào)的信噪比。
[0017] 所述第一光放大器、第二光放大器、超窄帶寬激光器和光濾波器波長(zhǎng)的工作波長(zhǎng) 為 1550. 12nm。
[0018] 隔聲隔震邁克爾遜干涉儀的設(shè)計(jì)： 1.使用3 X 3耦合器的兩束光路形成邁克爾遜干涉儀，并結(jié)合第二環(huán)形器完成3 X 3耦 合器解調(diào)算法的光路組建。
[0019] 2.將3X3耦合器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、光纖主要器件封裝，降低環(huán)境噪聲、溫度對(duì)主要 器件的影響，提高解調(diào)信號(hào)的信噪比。
[0020] 設(shè)計(jì)隔聲隔震裝置，將3X3耦合器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡及長(zhǎng)度為L(zhǎng)JP L2的光纖安裝在 在隔聲隔震裝置中組成隔聲隔震邁克爾遜干涉儀，具體方法是： 隔聲隔震裝置包括帶頂蓋的中空密封殼，在密封殼中固定長(zhǎng)方體狀的固定體，在固定 體兩端固定設(shè)置半圓柱體，在固定體上設(shè)置有3X3耦合器固定槽以容納3X3耦合器，在 固定體上設(shè)置有法拉第旋轉(zhuǎn)鏡固定槽以容納法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；在半圓柱體上設(shè)置有光纖固定 槽，將光纖纏繞在半圓柱體中的光纖固定槽內(nèi)，保證光纖纏繞時(shí)彎曲損耗降到最低，在本設(shè) 計(jì)中半圓柱體的直徑為3-5cm。在密封殼上設(shè)置有入纖口和出纖口，在接入光纖通過入纖口 與邁克爾遜干涉儀固定連接，邁克爾遜干涉儀的出射光纖通過出纖口伸出后固定頂蓋，在 密封殼中灌注密封膠。
[0021] 油管內(nèi)的流體分子到達(dá)管壁的時(shí)候，它們所具有的動(dòng)能將有90%以上轉(zhuǎn)化為壓力 的形式，引起管壁的振動(dòng)，從而引起敷設(shè)在其表面的光纖內(nèi)部光信號(hào)的變化，此變化已屬于 微弱信號(hào)，進(jìn)一步采用基于瑞利散射原理的分布式測(cè)試方式，將微弱信號(hào)進(jìn)一步縮小萬分 之一倍，真實(shí)有用信號(hào)淹沒在瑞利散射信號(hào)中，為了還原真實(shí)有用的流量信號(hào)，提出了如圖 1所示的監(jiān)測(cè)解調(diào)裝置。
[0022] 根據(jù)光纖分布式測(cè)量原理可以得出激光脈寬τ與測(cè)量精度(單位長(zhǎng)度）AL之間 的：Δ L=CX τ/2n，C為光在真空中的速度3 X 10sm/s，η為光纖折射率約為1. 5,在此假設(shè)傳 感光纖的長(zhǎng)度為2km，τ為50ns，AL為5m。因?yàn)檎€寬的脈沖激光具有很好的相干性能， 會(huì)在脈沖激光經(jīng)過的單位長(zhǎng)度傳感光纖范圍內(nèi)激發(fā)出瑞利散射光，所以背向的瑞利散射光 在3X3耦合器處干涉，圖9 (a)中的第一時(shí)間段(時(shí)間點(diǎn)1與時(shí)間點(diǎn)2之間）的波形是長(zhǎng)度 為0~5m傳感光纖上的干涉信號(hào)，