Способ автоматической калибровки волоконного измерителя распределённой температуры Российский патент 2023 года по МПК G01K15/00 G01K11/32 E21B47/07 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оборудованию для измерения распределенной температуры при помощи оптического волокна. И может быть использовано для калибровки систем измерения распределенной температуры на продолжительных участках, в частности, таких как нефтяные и газовые скважины.

В настоящее время на мировом нефтяном рынке постепенно возрастает востребованность в добыче тяжелых сортов нефти, связанная с истощением действующих залежей легкой нефти и возрастающим мировым потреблением углеводородов. В связи с этим возникает необходимость в проведении нефтеразведки.

В области контроля разработки месторождений нефти и газа происходит переход от технологий единичных периодических измерений к непрерывному мониторингу динамики промысловых и геофизических параметров. Опыт показывает, что при контроле за разработкой, наиболее информативным методом при решении задач диагностики является термометрия.

Однако, стандартный способ измерения температуры в стволе скважины имеет ряд недостатков, таких как возмущение поля и его изменение в процессе движения прибора, что приводит к неточности измерения небольших аномалий и их последующей, неправильной интерпретации. Эту проблему позволяет решить оптико-волоконная система термометрии скважин с распределенными датчиками температуры (DTS).

Данный способ измерения температуры основан на неупругом рассеянии света - комбинационном (рамановском) рассеянии импульсного лазерного излучения, распространяющегося в оптическом волокне.

Способ распределенного измерения температуры, основанный на рамановском рассеянии состоит в том, что посылается одиночный импульс с длиной волны λ вдоль по оптическому волокну, и измеряются обратнорассеянные стоксовая λs и антистоксовая λas компоненты рамановского излучения. При этом температура может быть вычислена, как функция, из соотношения между интенсивностью стоксовой и антистоксовой компонент в любом заданном местоположении.

где h - постоянная Планка, с - скорость света, Δv - Рамановский сдвиг частоты, k - постоянная Больцмана, - частота антистоксовой компоненты, v_s - частота стоксовой компоненты, Δα - коэффициент дифференциального затухания между длинами волн стоксовой и антистоксовой компоненты.

Для измерения температуры методом DTS, логарифмируем выражение (1) и выделим температуру, в результате чего получим соотношение с обобщающими коэффициентами (γ, Δ и С):

где γ - обобщающий коэффициент «масштаб», Δ - обобщающий коэффициент «декремент расстояния», С - обобщающий коэффициент «смещение».

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

Однако, это допущение не справедливо для многих применений, в частности дифференциальные потери Да могут изменяться с течением времени при действии радиации или при проникновении водорода в оптическое волокно, например в водородосодержащих скважинах. Индуцированное водородом затухание изменяется в зависимости от концентрации водорода, температуры и времени воздействия.

Поэтому во время установки и в течение всего периода эксплуатации оптоволоконного температурного датчика может возникать необходимость в температурной калибровке такого датчика.

Из уровня техники известен способ автоматической калибровки температуры в богатых водородом средах с высокой температурой в системе, использующей волоконно-оптический распределенный датчик (Международная заявка WO 2011/115683, опубл. 22.09.2011), содержащий этапы, в ходе которых осуществляется обеспечение энергии светового импульса в измерительное волокно и сбор обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент рамановского излучения, при этом в ходе режима измерения и в ходе режима коррекции используется два источника света с разной длиной волны.

К недостаткам данного способа можно отнести необходимость корреляции полученных измерений одновременно в пространстве и по температуре, что приводит к увеличению неопределенности измерения температуры. Кроме того, не учитывается влияние дифференциальных потерь.

Из уровня техники также известно использование для калибровки дискретных вспомогательных температурных датчиков (GB 2407637, опубл. 04.05.2005), устанавливаемых через равномерные промежутки и выполненных с возможностью абсолютного измерения температуры.

Недостатками данного способа являются необходимость прокладки отдельной калибровочной линии с активными дискретными датчиками температуры и увеличение неопределенности оценок значения температуры пассивными датчиками.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка лишенного недостатков известных аналогов способа автоматической калибровки распределенного оптоволоконного датчика температуры, а также расширение арсенала технических средств указанного назначения.

Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении точности температурной калибровки измерения распределенной температуры на одной оптоволоконной линии.

Технический результат достигается тем, что способ автоматической калибровки волоконного измерителя распределенной температуры включает в себя этапы: подача питания на термостаты, установленные на наземном участке в начале оптического волокна, и активный температурный датчик, установленный на подземном участке на конце оптического волокна; считывание показаний термостатов, измерителя распределенной температуры и активного температурного датчика; корректировка показаний измерителя распределенной температуры на наземном участке и корректировка показаний измерителя распределенной температуры на подземном участке, при этом передача оптического питания от оптического передатчика до активного температурного датчика осуществляется посредством оптического волокна, передача цифрового сигнала от активного температурного датчика в приемник цифровых данных осуществляется посредством оптического волокна; корректировка показаний измерителя распределенной температуры на наземном участке осуществляется из соотношений:

T₀₁=Т(γ₁, Δ₁, С₁, z₀₁) и Т₀₂=Т(γ₁, Δ₁, C₁, z₀₂),

где T₀₁ - показания температуры, полученные на первом термостате, T₀₂ - показания температуры, полученные на втором термостате, γ₁ - значение обобщающего коэффициента «масштаб», Δ₁ - значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния», С₁ - значение обобщающего коэффициента «смещение», z₀₁ - координата места установки первого термостата, z₀₂ - координата места установки второго термостата, путем подгонки значений обобщающих коэффициентов методом математической статистики, таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленных значений от значений, полученных на термостатах;

корректировка показаний измерителя распределенной температуры на подземном участке (z_x, z₀₃) осуществляется из соотношения:

T₀₃=T(γ₁, Δ₂, C₁, z₀₃),

где Δ₂ - значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния» на подземном участке, z_x - координата границы разделения между подземным и наземным участками, задаваемая по априорной информации, z₀₃ - координата места установки активного температурного датчика,

путем подгонки значений обобщающих коэффициентов методом математической статистики, таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленных значений от значения, полученного на активном температурном датчике.

Целесообразно, чтобы в качестве метода математической статистики использовался метод наименьших квадратов.

Целесообразно, чтобы координата границы разделения между подземными и наземными участками z_x была задана по информации о глубине начала действия дестабилизирующих факторов.

Целесообразно, чтобы координата границы разделения между подземными и наземными участками z_x задана по информации о глубине начала действия дестабилизирующих факторов.

Целесообразно, чтобы оптический передатчик был выполнен с возможностью излучения длиной волны 850-1550 нм.

Целесообразно, чтобы компьютер, содержит программное обеспечение, выполненное с возможностью обработки и хранения данных, полученных по линии цифровой связи от приемника цифровых данных и измерителя распределенной температуры.

Целесообразно, чтобы термостаты были выполнены с возможностью нагрева и/или охлаждения участков оптического волокна в диапазоне температур от 0 до 120 градусов Цельсия.

Целесообразно, чтобы термостаты являлись сухо воздушным и. Заявленное изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 приведена структурная схема системы измерения распределенной температуры.

На Фиг. 2 показано характерное распределение температуры вдоль оптического волокна.

В данном описании под термином «наземный участок» понимается часть системы, расположенная на поверхности земли, до устья скважины. Наземный участок обозначен цифрой I на чертежах и соответствует отрезку (z₀₁, z_x) координатной прямой.

Под термином «подземный участок» понимается часть системы, расположенная ниже поверхности земли. Подземный участок обозначен цифрой II на чертежах и соответствует отрезку (z_x, z₀₃) координатной прямой.

Под термином «калибровочное значение» понимаются значения метрологических характеристик (температуры), используемые в процессе калибровки.

Под «подгонкой значений» понимается корректировка числовых значений методами математической статистики, таким образом, чтобы достигалось минимальное значение отклонений и выполнялось соответствие характерному распределению температуры вдоль волокна (Фиг. 2).

Система измерения распределенной температуры (Фиг. 1) состоит из оптического волокна и устройств, размещенных в наземной части: компьютера 1, приемника цифровых данных 2, измерителя распределенной температуры 3, оптического передатчика 4, спектрального волоконного делителя 5, термостатов 6 и 7; и активного температурного датчика 8, расположенного на подземном участке ((z_x, z₀₃)) на конце оптического волокна (z₀₃).

Компьютер 1 выполнен с возможностью подачи управляющих сигналов на термостаты 6 и 7, установленные в начале оптического волокна в точках z₀₁ и z₀₂ и выполненные с возможностью нагрева и/или охлаждения участков оптического волокна до заданных значений температуры T₀₁ и Т₀₂ соответственно, оптический передатчик 4 и измеритель распределенной температуры 3 и возможностью получения данных от приемника цифровых данных 2 и измерителя распределенной температуры 3. В предпочтительном варианте исполнения на компьютере 1 установлено программное обеспечение, обеспечивающее возможность обработки и хранения данных, полученных по линии цифровой связи от приемника цифровых данных 2 и измерителя распределенной температуры 3.

Калибровка волоконного измерителя распределенной температуры происходит следующим образом.

Осуществляют подачу питания на калибровочные устройства: термостаты 6 и 7, активный температурный датчик 8. Подача питания на термостаты 6 и 7 осуществляется путем подачи электрического сигнала от компьютера 1. Подача питания на активный температурный датчик 8 осуществляется путем включения оптического передатчика 4. Полученный оптическим передатчиком 4 электрический сигнал преобразуется в оптический импульс, который по оптическому волокну распространяется до активного температурного датчика 8. В предпочтительном варианте исполнения оптический передатчик 4 выполнен с возможностью излучения длиной волны 850-1550 нм. На активном температурном датчике 8 происходит преобразование оптического импульса в сигнал, пропорциональный значению температуры Т₀₃. Полученный сигнал по оптическому волокну передается в приемник цифровых данных 2. Показания с приемника цифровых данных передаются далее на компьютер 1 по цифровой линии связи.

Оптический импульс при распространении по оптическому волокну порождает непрерывный сигнал обратного рассеяния. Этот сигнал возвращается к началу оптического волокна и поступает в спектральный волоконный делитель 5, где разделяется на стоксову и антистоксову компоненты и направляется в измеритель распределенной температуры 3. В измерителе распределенной температуры 3 происходит вычисление распределенной температуры T(z) с использованием интенсивностей обратнорассеянных стоксовой и антистоксовой компонент и осуществляется передача полученных значений в приемник цифровых данных 2.

На следующем этапе производят считывание показаний термостатов 6 и 7 (значения температуры T₀₁ и Т₀₂ соответственно), измерителя распределенной температуры 3 (распределенная температура T(z)) и активного датчика температуры 8 (температура Т₀₃) с приемника цифровых данных 2.

Далее осуществляют корректировку показаний измерителя распределенной температуры 3 на наземном участке (z₀₁, z_x). Корректировка показаний осуществляется из соотношений: T₀₁=Т (γ₁, Δ₁, С₁, z₀₁) и Т₀₂=Т (γ₁, Δ₁, C₁, z₀₂),

где T₀₁ - показания температуры, полученные на первом термостате, Т₀₂ - показания температуры, полученные на втором термостате, γ₁ - значение обобщающего коэффициента «масштаб», Δ₁ - значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния», С₁ - значения обобщающего коэффициента «смещение», z₀₁ - координата места установки первого термостата, z₀₂ - координата места установки второго термостата, z_x - координата границы раздела наземного и подземного участков, задаваемая по априорной информации;

путем подгонки значений обобщающих коэффициентов методом математической статистики, таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленных значений от значений, полученных на термостатах (T₀₁ и Т₀₂).

Далее осуществляют корректировку показаний измерителя распределенной температуры 3 на подземном участке (z₃, z₀₃). Корректировка показаний осуществляется из соотношения:

T₀₃=T(γ₁, Δ₂, C₁, z₀₃),

где Δ₂ - значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния» на подземном участке, z₀₃ - координата места установки активного температурного датчика, z_x - координата границы раздела наземного и подземного участков, задаваемая по априорной информации;

путем подгонки значения обобщающего коэффициента Δ₂ методом математической статистики, таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленного значения от значения Т₀₃, полученного на активном температурном датчике.

В частном случае однородной линии измерений показания измерителя DTS с настройками наземного участка могут соответствовать в пределах допускаемой погрешности показаниям активного датчика T₀₃, тогда Δ₂(z_x, z₀₃)=Δ₁(z₀₁, z_x).

Отличие показаний измерителя DTS от калибровочного значения Т₀₃ расценивают как признак изменения дифференциального затухания Δα и связанного с ним коэффициента Δ₂ в расчетном соотношении на подземном участке. Соответственно производят автоматическую корректировку коэффициента Δ₁(z₀₁, z_x) до значения Δ₂(z_x, z₀₃) путем подгонки рассчитываемого значения до калибровочного Т₀₃, аналогично наземному участку.

Значение координаты границы разделения наземного и подземного участков z_x задается по априорной информации и может отличаться от границы раздела I-II. В частности, координата границы разделения наземного и подземного участков z_x может быть задана по информации о глубине начала действия дестабилизирующих факторов или в результате сравнения показаний результатов измерения температуры вблизи устья скважины с показаниями измерителя распределенной температуры.

В результате получают два расчетных соотношения с коэффициентами γ₁, Δ₁, C₁ и γ₁, Δ₂, C₁ для наземного и подземного участков.

Предложенное решение позволяет повысить точность измерения распределенной температуры и увеличить протяженность и надежность оптоволоконных систем измерения температуры, кроме того, предложенное решение не требует установки дополнительных средств и прокладывания дополнительных калибровочных линий.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оборудованию для измерения распределенной температуры при помощи оптического волокна, и может быть использовано для калибровки систем измерения распределенной температуры на продолжительных участках, в частности, таких как нефтяные и газовые скважины. Предложен способ автоматической калибровки волоконного измерителя распределенной температуры, который включает в себя этапы: подача питания на термостаты, установленные на наземном участке в начале оптического волокна, и активный температурный датчик, установленный на подземном участке на конце оптического волокна; считывание показаний термостатов, измерителя распределенной температуры и активного температурного датчика; корректировка показаний измерителя распределенной температуры на наземном участке и корректировка показаний измерителя распределенной температуры на подземном участке. При этом передача оптического питания от оптического передатчика до активного температурного датчика осуществляется посредством оптического волокна, передача цифрового сигнала от активного температурного датчика в приемник цифровых данных осуществляется посредством оптического волокна. Корректировка показаний измерителя распределенной температуры на наземном участке осуществляется из соотношений T₀₁=Т(γ₁, С₁, z₀₁) и Т₀₂=Т(γ₁, Δ₁, C₁, z₀₂), где T₀₁ - показания температуры, полученные на первом термостате, Т₀₂ - показания температуры, полученные на втором термостате, γ₁ - значение обобщающего коэффициента «масштаб», Δ₁ - значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния», C₁ - значение обобщающего коэффициента «смещение», z₀₁ - координата места установки первого термостата, z₀₂ - координата места установки второго термостата, путем подгонки значений обобщающих коэффициентов методом математической статистики таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленных значений от значений, полученных на термостатах. Корректировка показаний измерителя распределенной температуры на подземном участке (z_x, z₀₃) осуществляется из соотношения T₀₃=T(γ₁, Δ₂, C₁, z₀₃), где Δ₂ - значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния» на подземном участке, z_x - координата границы разделения между подземным и наземным участками, задаваемая по априорной информации, z₀₃ - координата места установки активного температурного датчика, путем подгонки значений обобщающих коэффициентов методом математической статистики таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленных значений от значения, полученного на активном температурном датчике. Технический результат предложенного изобретения заключается в повышении точности температурной калибровки измерения распределенной температуры на одной оптоволоконной линии. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматической калибровки волоконного измерителя распределённой температуры, включающий в себя следующие этапы: подача питания на термостаты, установленные на наземном участке в начале оптического волокна, и активный температурный датчик, установленный на подземном участке на конце оптического волокна; считывание показаний термостатов, измерителя распределенной температуры и активного температурного датчика; корректировка показаний измерителя распределенной температуры на наземном участке и корректировка показаний измерителя распределенной температуры на подземном участке, при этом передача оптического питания от оптического передатчика до активного температурного датчика осуществляется посредством оптического волокна, передача цифрового сигнала от активного температурного датчика в приемник цифровых данных осуществляется посредством оптического волокна; корректировка показаний измерителя распределенной температуры на наземном участке () осуществляется из соотношений

T₀₁ = T () и T₀₂ = T (,),

где T₀₁ – показания температуры, полученные на первом термостате, T₀₂ – показания температуры, полученные на втором термостате, – значение обобщающего коэффициента «масштаб», – значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния», – значение обобщающего коэффициента «смещение», – координата места установки первого термостата, – координата места установки второго термостата,

путем подгонки значений обобщающих коэффициентов методом математической статистики таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленных значений от значений, полученных на термостатах;

корректировка показаний измерителя распределенной температуры на подземном участке () осуществляется из соотношения

T₀₃ = T (,),

где – значение обобщающего коэффициента «декремент расстояния» на подземном участке, – координата границы разделения между подземным и наземным участками, задаваемая по априорной информации, – координата места установки активного температурного датчика,

путем подгонки значений обобщающих коэффициентов методом математической статистики таким образом, чтобы был достигнут минимум отклонения вычисленного значения от значения T₀₃, полученного на активном температурном датчике.

2. Способ автоматической калибровки системы измерения распределенной температуры по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве метода математической статистики используется метод наименьших квадратов.

3. Способ автоматической калибровки системы измерения распределенной температуры по любому из пп. 1, 2, характеризующийся тем, что координата границы разделения между подземными и наземными участками задана в результате сравнения показаний результатов измерения температуры вблизи устья скважины с показаниями измерителя распределенной температуры.

4. Способ автоматической калибровки системы измерения распределенной температуры по любому из пп. 1, 2, характеризующийся тем, что координата границы разделения между подземными и наземными участками задана по информации о глубине начала действия дестабилизирующих факторов.

5. Способ автоматической калибровки системы измерения распределенной температуры по любому из пп. 1-4, характеризующийся тем, что оптический передатчик выполнен с возможностью излучения длиной волны 850-1550 нм.

6. Способ автоматической калибровки системы измерения распределенной температуры по любому из пп. 1-5, характеризующийся тем, что компьютер содержит программное обеспечение, выполненное с возможностью обработки и хранения данных, полученных по линии цифровой связи от приемника цифровых данных и измерителя распределенной температуры.

7. Способ автоматической калибровки системы измерения распределенной температуры по любому из пп.1-6, характеризующийся тем, что термостаты выполнены с возможностью нагрева и/или охлаждения участков оптического волокна в диапазоне температур от 0 до 120 градусов Цельсия.

8. Способ автоматической калибровки системы измерения распределенной температуры по любому из пп. 1-7, характеризующийся тем, что термостаты являются суховоздушными.