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【摘要】文章介绍了分布式光纤测温系统原理，光纤光栅(FBG)、光纤压力传感器(F-P)系统解调原理。分析了在现场使用过程中存在光纤温度传感器测温与高温光纤测温不能对应的现象，并对问题原因进行分析。从理论与实际图像上证明，分布式光纤测温系统与FBG光纤测温、F-P光纤测压系统，可以实现在同一根光纤上进行分时全井段测温与单点测压，两系统之间互不影响。
【关键词】光纤测井；分布式光纤测温系统；F-P；FBG；复用；干扰
1.引言
在油田开发过程中，为提高油藏最终开发效果、保证稠油稳产，须了解油藏的温度、压力动态，SAGD油井，井下温度为可达到300℃，传统的井下电子计在高温、高压等恶劣的环境下，无法满足井下温压测量的需要[1][2]。光纤传感器本身既是传感介质又是传输介质，且本征安全，抗干扰能力强，最重要的是能够实现空间分辨率为1米全井段测温且能够实现在恶劣条件下的温度(小于300℃)、压力采集，特别适用于油井井下的长期连续监测及完井测试、中途测试、主产层监测等特殊井的测井需求。
2.光纤测温原理
分布式光纤测温，是利用光时域反射技术和光纤背向拉曼散射温度效应。拉曼散射包括Stokes和Anti－Stokes，其中Anti－Stokes与温度有关，受温度调制，温度越高，Anti－Stokes强度越大。应用Anti－Stokes与温度有关而Stokes基本与温度基本无关的特性，可以从Anti－Stokes光信号中解调出温度信息。
其中Stokes光强：
[3] (1.1)
Anti-Stokes光强：
[3] (1.2)
式中，，分别为Stokes和Anti-Stokes波长，h为普朗克常数，C为光速；为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。
[3] (1.3)
只需对光纤测温系统进行基准值标定、比例系数标定即可。
3.光纤EFPI测压解调原理
现场所使用的F-P的解调方式为条纹计数法进行解调，光谱接收设备采用sm125，波长扫描范围1150～1590nm，波长扫描步进值为2pm。由EFPI为低精细度(R≈4%)测量原件，传感器端面反射率R较小：
[4] (2.1)
其中R为干涉腔的两个光学平面的光强反射率，I0为宽谱光源的入射光强，L为F-P腔长。由上式可知当时，波长对应的光强为极大值；当时，波长对应的光强为极小值。对于某一干涉级次m(对应波长)及相邻级次m-1(对应波长)，可计算出腔长L：
[4]
4.光端机系统
分布式光纤测温系统，最主要的设备为DTS主机系统的数据采集与处理部分。基本原理框图及器件图如图1所示。
5.现场问题情况提出与分析
5.1 现场应用连接
由井底到井口分别为F-P压力传感器，FBG光纤温度传感器，高温光纤，1×2光开关，光开关出口分别接光端机和sm125以进行温度解调及单点温、压解调，如图2所示。
2011-4-15进行分布式光纤与光纤压力计入井。在井口预留30米进行水浴标定，以确定基准值(基准值与现场光纤熔接有关)。基准值值标定好后，井底所对应的温度为198.26℃，此时光纤压力传感器测得的温度为198.4℃，压力为1.658MP，井口预留光纤所测温度与水浴箱实测温度相同，且井底最末端高温光纤所测温度与光纤压力计所测温度基本相同，证明此时现场光端机所调基准值准确，DTS设备与光普解调设备切换工作正常，如图3所示。
由于现场发现，光端机出口位置有大幅度的振荡波形，在2011-4-15 15：23：23进行光纤接头去污，去污DTS所测曲线图如图4所示：
明显看出光纤出口位置清除良好，已无污垢引起的振荡波的出现，但发现去污后，井底末端高温光纤所测温度由198.26℃变为227.23℃，而此时光纤压力传感器所测的温度为198.30℃，井口标定处（总长30m）光纤所测温度为70.76℃，而恒温箱实测温度为60℃，后续又进行了多次井口水浴温度调整，以确定光端机基准值，但都无法实现井下最末端光纤所测温度与光纤压力计所测温度相对应，测试过程被迫终止。
5.2 问题分析
5.2.1 光端机出口处污物（接头未对准）对光端机测温影响
图5、图6为同一台光端机不同污染（接头未对准）状态下测得温度曲线图。
由图5、图6可知，光端机出口处污物（未对准）对光端机整体测温无影响，不会影响光端机测温拟合曲线倍率值。其光端机出口处污染相当于加入了一个熔接点，只会影响基准值（曲线整体抬升高度）。
5.2.2 F-P压力传感器对分布式光纤测温影响
由于F-P压力解调采用光谱接收设备sm125，扫描波长范围为1510-1590nm。当光端机进行全井段光纤测温时，1×2光开关切换到光端机，此时光端机向光纤发射中心波长为1550nm的窄带脉冲光（脉冲宽度为8ns）。经光纤反射回的光信号，经分光器将背向散射光分配到Stokes通道和Anti－Stokes通道，Stokes通道的光，经中心波长为1660nm的光滤波器，滤除其它频率的杂波。分配到Anti－Stokes通道的光强，经过中心波长为1450nm的光滤波器，光端机测温时，光纤底端的F-P腔相当于工作在窄带光源条件下，此时F-P输出光强信号为：
(4.1)
其中（中心波长＝1550nm）为窄带光源光强，为F-P的反射光强，反射光强与腔长L呈周期为：
(4.2)的余弦函数，但所有F-P反射光强的波长全部为1550nm，即F-P反射光强不会进入Stokes和 Anti－Stokes通道，不会影响光端机测温。又因为光纤背向反射光强为nw级，而FBG、F-P的反射光强都为uw级，即F-P的反射光强是光纤背向散射光强的1000倍左右，则在光纤末端应该有非常大的温度上跳，而实际测温曲线表明(如图3所示)，断线检测前无大幅度温度上升现象，即实测图像上证明F-P的反射光强不会对DTS测温产生影响。 5.2.3 光纤底端的FBG对分布式光纤测温影响
光纤底端FBG制作成为中心波长为1511.8nm的FBG，即0-300℃温度变化而引起中心波长2nm的偏移。光端机测温时，FBG反射波长为1511.8nm，反射光经过Stokes、Anti－Stokes通道时，中心波长为1511.8nm的光被滤除(无法通过光滤波器到达光端机)，即FBG不会对DTS测温造成影响。
5.2.4 分辨力确定
系统空间分辨率是指，系统对沿光纤长度分布的温度场进行测量，所能分辨的最小空间距离[5]。系统的空间分辨率主要是由OTDR测距原理、光电转换电路响应速度、A/D响应速率所决定。根据OTDR测量原理，当输入光脉冲宽度时，在理论上可以得到空间分辨率无限小，然而实际应用中无法实现光脉冲宽度趋于零[6]。由[7]，其中为光脉冲宽度，为光在光纤中传输速度，，可知m。即：即使底端F-P对高温光纤测温存在影响，最多影响光纤底端以上0.8196m，即最多只影响测温光纤的最后一个温度点(使其上翘)。
6.问题结论及后续处理
2011年12月28日应用另一台光端机，对同批次入井光纤进行重新标定后，确定基准斜值为530，基准值为-11。进行现场试验，实测温度曲线为如图7所示，光纤压力传感器所测数据如图8所示，此时光端机所测光纤最底端温度与光纤压力传感器所测温度相对应，井口预留30m光纤所测温度与实际环境温度相符，证明光端机全井段测正常，光纤压力传感器、光纤温度传感器测压、测温正常，两系统切换工作正常。
经以上分析发现，应用同一根光纤可以实现分布式光纤测温、底端FBG单点测温、F-P单点测压。出现光纤测得最底端温度与光纤压力传感器测得的温度不对应的现象原因为：光端机在实验室标定过程中，本身标定各参数不够准确（即倍率系数值不够准确），而非底端F-P对DTS测温产生影响。
7.总论
本文从现场使用过程中出现的问题出发，理论与实际曲线上证明了，分布式光纤测温系统与FBG光栅测温、F-P测压系统相切换，可以现实在同一根光纤上，进行全井段的分布式光纤测温与单点测温、测压，两系统之间互不影响。
参考文献
[1]张建华.高温稠油井温度压力光纤传感监测系统[J].测井技术,2006,30(3):243-245.
[2]马丽勤,黄彦.S AG D高温油井光纤F-P测压系统研究与应用[J].特种油气藏,2009,16(4):87-89.
[3]刘扬,侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究[J].电子设计工程,2009,17(1):23-25.
[4]倪小琦.光纤MEMS法布里－罗珀压力传感器的解调和复用[D].南京市:南京师范大学,2007.
[5]史晓峰,李铮,蔡志权.分布式光纤测温系统及测温精度分析[J].测控技术,2002,21(1):9-12.
[6]张达伟.光纤测温系统信号处理方法的研究与实现[D].大连市:大连理工大学,2008.
[7]侯培国.分布式光纤温度传感系统的理论与实验研究[D].秦皇岛:燕山大学,2003.
作者简介：王金龙（1986—），男，学士，助理工程师，现供职于新疆油田公司采油工艺研究院，主要从事油气井测试工作。
【关键词】光纤测井；分布式光纤测温系统；F-P；FBG；复用；干扰
1.引言
在油田开发过程中，为提高油藏最终开发效果、保证稠油稳产，须了解油藏的温度、压力动态，SAGD油井，井下温度为可达到300℃，传统的井下电子计在高温、高压等恶劣的环境下，无法满足井下温压测量的需要[1][2]。光纤传感器本身既是传感介质又是传输介质，且本征安全，抗干扰能力强，最重要的是能够实现空间分辨率为1米全井段测温且能够实现在恶劣条件下的温度(小于300℃)、压力采集，特别适用于油井井下的长期连续监测及完井测试、中途测试、主产层监测等特殊井的测井需求。
2.光纤测温原理
分布式光纤测温，是利用光时域反射技术和光纤背向拉曼散射温度效应。拉曼散射包括Stokes和Anti－Stokes，其中Anti－Stokes与温度有关，受温度调制，温度越高，Anti－Stokes强度越大。应用Anti－Stokes与温度有关而Stokes基本与温度基本无关的特性，可以从Anti－Stokes光信号中解调出温度信息。
其中Stokes光强：
[3] (1.1)
Anti-Stokes光强：
[3] (1.2)
式中，，分别为Stokes和Anti-Stokes波长，h为普朗克常数，C为光速；为玻尔兹曼常数；T为绝对温度。
[3] (1.3)
只需对光纤测温系统进行基准值标定、比例系数标定即可。
3.光纤EFPI测压解调原理
现场所使用的F-P的解调方式为条纹计数法进行解调，光谱接收设备采用sm125，波长扫描范围1150～1590nm，波长扫描步进值为2pm。由EFPI为低精细度(R≈4%)测量原件，传感器端面反射率R较小：
[4] (2.1)
其中R为干涉腔的两个光学平面的光强反射率，I0为宽谱光源的入射光强，L为F-P腔长。由上式可知当时，波长对应的光强为极大值；当时，波长对应的光强为极小值。对于某一干涉级次m(对应波长)及相邻级次m-1(对应波长)，可计算出腔长L：
[4]
4.光端机系统
分布式光纤测温系统，最主要的设备为DTS主机系统的数据采集与处理部分。基本原理框图及器件图如图1所示。
5.现场问题情况提出与分析
5.1 现场应用连接
由井底到井口分别为F-P压力传感器，FBG光纤温度传感器，高温光纤，1×2光开关，光开关出口分别接光端机和sm125以进行温度解调及单点温、压解调，如图2所示。
2011-4-15进行分布式光纤与光纤压力计入井。在井口预留30米进行水浴标定，以确定基准值(基准值与现场光纤熔接有关)。基准值值标定好后，井底所对应的温度为198.26℃，此时光纤压力传感器测得的温度为198.4℃，压力为1.658MP，井口预留光纤所测温度与水浴箱实测温度相同，且井底最末端高温光纤所测温度与光纤压力计所测温度基本相同，证明此时现场光端机所调基准值准确，DTS设备与光普解调设备切换工作正常，如图3所示。
由于现场发现，光端机出口位置有大幅度的振荡波形，在2011-4-15 15：23：23进行光纤接头去污，去污DTS所测曲线图如图4所示：
明显看出光纤出口位置清除良好，已无污垢引起的振荡波的出现，但发现去污后，井底末端高温光纤所测温度由198.26℃变为227.23℃，而此时光纤压力传感器所测的温度为198.30℃，井口标定处（总长30m）光纤所测温度为70.76℃，而恒温箱实测温度为60℃，后续又进行了多次井口水浴温度调整，以确定光端机基准值，但都无法实现井下最末端光纤所测温度与光纤压力计所测温度相对应，测试过程被迫终止。
5.2 问题分析
5.2.1 光端机出口处污物（接头未对准）对光端机测温影响
图5、图6为同一台光端机不同污染（接头未对准）状态下测得温度曲线图。
由图5、图6可知，光端机出口处污物（未对准）对光端机整体测温无影响，不会影响光端机测温拟合曲线倍率值。其光端机出口处污染相当于加入了一个熔接点，只会影响基准值（曲线整体抬升高度）。
5.2.2 F-P压力传感器对分布式光纤测温影响
由于F-P压力解调采用光谱接收设备sm125，扫描波长范围为1510-1590nm。当光端机进行全井段光纤测温时，1×2光开关切换到光端机，此时光端机向光纤发射中心波长为1550nm的窄带脉冲光（脉冲宽度为8ns）。经光纤反射回的光信号，经分光器将背向散射光分配到Stokes通道和Anti－Stokes通道，Stokes通道的光，经中心波长为1660nm的光滤波器，滤除其它频率的杂波。分配到Anti－Stokes通道的光强，经过中心波长为1450nm的光滤波器，光端机测温时，光纤底端的F-P腔相当于工作在窄带光源条件下，此时F-P输出光强信号为：
(4.1)
其中（中心波长＝1550nm）为窄带光源光强，为F-P的反射光强，反射光强与腔长L呈周期为：
(4.2)的余弦函数，但所有F-P反射光强的波长全部为1550nm，即F-P反射光强不会进入Stokes和 Anti－Stokes通道，不会影响光端机测温。又因为光纤背向反射光强为nw级，而FBG、F-P的反射光强都为uw级，即F-P的反射光强是光纤背向散射光强的1000倍左右，则在光纤末端应该有非常大的温度上跳，而实际测温曲线表明(如图3所示)，断线检测前无大幅度温度上升现象，即实测图像上证明F-P的反射光强不会对DTS测温产生影响。 5.2.3 光纤底端的FBG对分布式光纤测温影响
光纤底端FBG制作成为中心波长为1511.8nm的FBG，即0-300℃温度变化而引起中心波长2nm的偏移。光端机测温时，FBG反射波长为1511.8nm，反射光经过Stokes、Anti－Stokes通道时，中心波长为1511.8nm的光被滤除(无法通过光滤波器到达光端机)，即FBG不会对DTS测温造成影响。
5.2.4 分辨力确定
系统空间分辨率是指，系统对沿光纤长度分布的温度场进行测量，所能分辨的最小空间距离[5]。系统的空间分辨率主要是由OTDR测距原理、光电转换电路响应速度、A/D响应速率所决定。根据OTDR测量原理，当输入光脉冲宽度时，在理论上可以得到空间分辨率无限小，然而实际应用中无法实现光脉冲宽度趋于零[6]。由[7]，其中为光脉冲宽度，为光在光纤中传输速度，，可知m。即：即使底端F-P对高温光纤测温存在影响，最多影响光纤底端以上0.8196m，即最多只影响测温光纤的最后一个温度点(使其上翘)。
6.问题结论及后续处理
2011年12月28日应用另一台光端机，对同批次入井光纤进行重新标定后，确定基准斜值为530，基准值为-11。进行现场试验，实测温度曲线为如图7所示，光纤压力传感器所测数据如图8所示，此时光端机所测光纤最底端温度与光纤压力传感器所测温度相对应，井口预留30m光纤所测温度与实际环境温度相符，证明光端机全井段测正常，光纤压力传感器、光纤温度传感器测压、测温正常，两系统切换工作正常。
经以上分析发现，应用同一根光纤可以实现分布式光纤测温、底端FBG单点测温、F-P单点测压。出现光纤测得最底端温度与光纤压力传感器测得的温度不对应的现象原因为：光端机在实验室标定过程中，本身标定各参数不够准确（即倍率系数值不够准确），而非底端F-P对DTS测温产生影响。
7.总论
本文从现场使用过程中出现的问题出发，理论与实际曲线上证明了，分布式光纤测温系统与FBG光栅测温、F-P测压系统相切换，可以现实在同一根光纤上，进行全井段的分布式光纤测温与单点测温、测压，两系统之间互不影响。
参考文献
[1]张建华.高温稠油井温度压力光纤传感监测系统[J].测井技术,2006,30(3):243-245.
[2]马丽勤,黄彦.S AG D高温油井光纤F-P测压系统研究与应用[J].特种油气藏,2009,16(4):87-89.
[3]刘扬,侯思祖.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统的分析研究[J].电子设计工程,2009,17(1):23-25.
[4]倪小琦.光纤MEMS法布里－罗珀压力传感器的解调和复用[D].南京市:南京师范大学,2007.
[5]史晓峰,李铮,蔡志权.分布式光纤测温系统及测温精度分析[J].测控技术,2002,21(1):9-12.
[6]张达伟.光纤测温系统信号处理方法的研究与实现[D].大连市:大连理工大学,2008.
[7]侯培国.分布式光纤温度传感系统的理论与实验研究[D].秦皇岛:燕山大学,2003.
作者简介：王金龙（1986—），男，学士，助理工程师，现供职于新疆油田公司采油工艺研究院，主要从事油气井测试工作。