[发明专利]具有PSC纤维的多波长DTS纤维窗

说明书

公开内容的背景和领域

技术领域

本发明涉及用于井下氢环境（down-hole hydrogen environment）中的光纤分布式温度系统（optical fiber distributed temperature system）的应用，特别涉及耐氢的PSC纤维（hydrogen tolerant PSC fiber）连同所选的多波长DTS技术的使用。 

相关申请的引用 

本申请要求于2010年3月19日提交的美国临时申请系列号61/340,626的权益。 

背景技术

在20世纪80年代早期发明了基于拉曼谱的分布式温度感测法（Raman based Distributed Temperature Sensing）（DTS），并且在20世纪90年代首先在石油和天然气工业（Oil&Gas industry）中展开。现在DTS以大轨迹记录广泛用于常规油井中。成功的应用范围从监控水注入、气举（gas lift）、井完整性、流动建模到热资源监控（thermal asset monitoring）。 

更具挑战性的井下应用之一是具有高温的井并且在该井中存在氢。一个实例应用是蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术，其被用作提高的采油技术以用于生产重质原油和沥青，如在加拿大油砂中。由于增加的光学衰减， 光纤在富氢热井中的早期布置经历纤维损坏，还称作纤维暗化（fiber darkening）。 

当氢与掺杂剂或纤维中的缺陷位点反应时，在电信级纤维中发生通过增加的光学衰减证实的纤维暗化。如果没有解决，这随着时间可以导致非功能性的温度测量。 

大多数DTS系统基于光时域反射（OTDR）原理。非常短的光脉冲发射到光纤中并且该脉冲与光纤中的熔融石英相互作用，因为其在纤维下方传播。这种相互作用将使光沿着光纤的全长背散射。背散射的光（backscattered light）将由3种不同的分量（components）：瑞利（Rayleigh）、布里渊（Brillouin）和拉曼背散射的光组成。 

瑞利分量在与发射的脉冲相同的波长处背散射，而布里渊和拉曼分量均以波长转移（偏移）。这些不同分量的测量可以用来测量许多参数，尤其是温度和应变。这些参数测量的位置可以通过测量发射脉冲与反射光之间的飞行时间来确定。 

为了处理氢暗化的有害效应，已经提出了许多解决方案，其中大多数已经解决了特定应用中的问题，虽然不是全部可以被成功地用于每种情况中，尤其是用于非常高的温度（>150°C）应用中。固定电缆可以利用电缆中的除氢凝胶（扫氢凝胶，hydrogen scavenging gel）来制造。除氢凝胶可以被视为吸收氢的海绵。在一些时间点，如果存在足够的氢，则海绵将饱和。除氢凝胶用于低于150°C的应用中，因为该凝胶在升高的温度下分解（损坏）并开始释放氢。 

用于氢暗化的另一种减轻途径是碳涂覆的纤维。这些可以有效地处理在可达150°C的光纤中的氢腐蚀，并且在一些情况下，高质量的碳涂层可以在短时间段内用于更高的温度中。但是，清除凝胶和碳涂层两者不适于高温井。用于回收重质油的增加的需要导致接近300°C的蒸气驱动技术。 

在减轻氢暗化中受到很多关注的另一种途径是纯二氧化硅芯（PSC）光纤的使用。可以制备没有添加的化学品和掺杂剂的PSC纤维，所述化学品和掺杂剂为与氢反应的前体。这种途径可以比凝胶或碳涂层更有效，但是当在高温下暴露于游离氢时仍然可以呈现氢引起的衰减。 

已经描述了这些途径的组合。美国申请公开20060222306A1描述了在宽温度范围内耐氢致损失的光纤的开发，所述光纤使用纯二氧化硅芯和碳、金属或者氮化硅的氢阻止层（hydrogen retarding layer），然后另外的包覆层和保护外护套。