分布式光纖聲波振動傳感系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

（中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

引言

分布式光纖傳感原理是基于光在光纖傳輸過程中，散射光的性質(zhì)[1-2]（強(qiáng)度、相位）等在受到外界擾動的情況下將發(fā)生變化，通過探測散射光的變化情況可獲取外界擾動的信息。光在光纖中的背向散射主要有布里淵（Brillouin）散射、拉曼（Raman）散射和瑞利（Rayleigh）散射，其中前兩種為非彈性散射，即散射光相比于入射光發(fā)生了頻移，而Rayleigh 散射為彈性散射，即散射光的頻率與入射光的頻率相同?；赗ayleigh 散射構(gòu)建的光纖傳感器最典型的代表為光時域反射儀[3-4]（optical time domain reflectometer,ODTR），ODTR使用的光源為寬譜光源，因此其背向散射光之間不會發(fā)生干涉，根據(jù)光纖中兩點間散射返回光率的大小即可得到兩點間的損耗，通常用于光纖損率、損傷的檢測。為了能夠探測外界擾動信號，研究者在ODTR的基礎(chǔ)上提出了相位敏感型光時域反射儀[5-7]（phase-sensitive optical time domin reflectometer,Φ-ODTR），Φ-ODTR和ODTR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，Φ-ODTR 中的寬譜光源采用高相干光源，脈沖寬度內(nèi)背向散射的瑞利信號之間將發(fā)生相互干涉，光纖擾動處的相位將發(fā)生變化，使得干涉圖樣也將隨之變化，主要用于判斷入侵信號的有無、發(fā)生時間和位置，并進(jìn)行預(yù)警。在油氣田勘探開發(fā)地層微聲波信號探測技術(shù)領(lǐng)域，還進(jìn)一步要求系統(tǒng)能夠?qū)_動信號的性質(zhì)進(jìn)行判斷，該類應(yīng)用被稱為分布式聲波振動傳感（distributed acousitic sensingr,DAS），DAS是基于Φ-ODTR的原理，同時加入了相位解調(diào)部分，可獲取外界擾動引起的光波相位變化，進(jìn)而恢復(fù)出擾動信號的完整波形。2014年，英國Sillixa 公司率先將DAS 應(yīng)用于海基自噴井的垂直剖面（VSP）探測[8]，成功探測到氣槍激勵源的地震波形信息，并提出了模塊化鉆井監(jiān)測理念；2016年，Harris 等人[9]將DAS 應(yīng)用于二氧化碳存儲的時延VSP 監(jiān)測，實現(xiàn)了最小27 kt二氧化碳的10 m級存儲地震波探測；2018年，美國Apache 公司報告了將DAS 應(yīng)用于頁巖水平井的壓裂監(jiān)測研究[10]，揭示了壓裂過程時移地震響應(yīng)的新視角；2019年，Correa 等人[11]研究了在既有鉆井環(huán)境下，將DAS 光纜放置于鄰側(cè)注入井的生產(chǎn)油管中，雖然振動信號耦合變差，但是依然能夠?qū)崿F(xiàn)20 km 信號的有效探測。近年來，國內(nèi)多家單位開展了DAS技術(shù)相關(guān)研究，其中，電子科技大學(xué)與中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司合作，在微地震監(jiān)測地面檢波儀和井下檢波儀方面取得了突破性進(jìn)展。

本文設(shè)計了一種新型的光纖分布式聲波振動探測系統(tǒng)，引入了雙脈沖外差調(diào)制[12-14]與解調(diào)部分[15-18]，2個脈沖均會引起瑞利散射信號，而最終接收的信號為2個信號之間的高相性干涉信號，系統(tǒng)可恢復(fù)光纖沿線振動聲波的時域、頻域和相位信息等完整波形，并在稠油熱采地層微聲波信號探測方面開展了現(xiàn)場應(yīng)用。

1 光纖聲波振動傳感系統(tǒng)及解調(diào)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計及傳感原理

與Φ-OTDR 不同的是，DAS的光纖注入光為一個脈沖對，其原理如圖1所示，激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過1:1 光纖耦合器（OC1）被分為兩路，一路經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM1）；另一路經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM2）和一段延時光纖（delay fiber），然后兩路光在光纖耦合器（OC2）處合光，AOM1和AOM2受到聲光調(diào)制驅(qū)動器控制（AOM driver），AOM1、AOM2分別對光進(jìn)行移頻和脈沖調(diào)制，移頻量分別為f1、f2，AOM2后面接的延時光纖是為了確保2 路脈沖光合并后，2個脈沖能夠在時域上錯開而不發(fā)生疊加，頻率差Δf=f1?f2即為外差頻率。2個光纖耦合器OC1、OC2與2個聲光調(diào)制器AOM1、AOM2以及延時光纖組成的結(jié)構(gòu)稱作外差脈沖對產(chǎn)生結(jié)構(gòu)單元，激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過該結(jié)構(gòu)后形成一個外差脈沖對。外差脈沖對首先經(jīng)過一個摻鉺光纖放大器（erbium-doped optical fiber amplifier,EDFA）進(jìn)行放大，然后通過一個環(huán)形器（Cir）注入傳感光纖，傳感光纖受外界振動所產(chǎn)生的背向瑞利散射信號通過環(huán)形器的三端口到達(dá)另外一個EDFA 進(jìn)行光信號放大，再經(jīng)過一個濾波器（filter）濾除EDFA的自發(fā)輻射噪聲，之后到達(dá)一個光電探測器（photodetector），最后使用一個高速采集卡（DAQ）來采集信號并進(jìn)行后續(xù)的相位解調(diào)處理（phase demodulation），從而得到探測曲線。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system

1.2 反正切解調(diào)算法

系統(tǒng)脈沖對瑞利散射信號的光強(qiáng)：

式中：A為干涉光強(qiáng)幅值；2πΔft為載波項；Φ(t)為外界振動引起的相位變化項；Δφ0為相位噪聲。通過如圖2所示的反正切解調(diào)算法來解調(diào)出Φ(t)，具體過程如下文。

圖2 干涉信號反正切解調(diào)流程圖Fig.2 Flow chart of interference signal arctangent demodulation

首先產(chǎn)生2個正交的參考信號I1和I2：

（1）式與（2）式相乘：

（4）式中等號右側(cè)第1項包含2Δf為高頻項，第2項為已消除Δf的低頻項，對其采用低通濾波后即可得到低頻項為

（1）式與（3）式相乘：

同理，對上式采用低通濾波后可以得到低頻項為

（5）式除以（7）式可以得到：

對（8）式進(jìn)行反正切即可得到：

由于相位噪聲Δφ0為一個緩變量，因此可以采用高通濾波將其濾除，從而對上式濾除低頻成分后即可得到外界擾動引起的相位變化量Φ(t)。

2 系統(tǒng)性能測試

搭建如圖3所示的室內(nèi)實驗平臺，實驗中所采用的傳感光纖由4卷單模光纖所組成，第1卷光纖的長度為170 m，其末端的5 m 光纖繞在了第1個壓電陶瓷換能器（piezoelectric ceramic transducer,PZT）上；第2卷光纖的長度為50 m，其末端的6 m光纖繞在了第2個PZT 上；第3卷光纖的長度為110 m，其末端的7 m 光纖繞在了第3個PZT 上；第4卷光纖的長度為140 m，為了減小末端的端面反射，將第4卷光纖的末端饒了3個直徑在5 mm以下的圓環(huán)，從而使得末端的光強(qiáng)急劇的衰減。3個PZT 受到信號發(fā)生器的驅(qū)動，實驗過程中通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的電壓和頻率即可模擬不同的外界振動效果。

實驗中利用中心波長為1550 nm的窄線寬連續(xù)激光器作為光源，其中心頻率記為f0，AOM1對光的移頻量為f1=100 MHz，AOM2對光的移頻量為f2=100.05 MHz，即外差頻率為Δf為50 kHz，2個AOM 還同時將連續(xù)光調(diào)制成寬度為τ=100 ns、重復(fù)頻率為fr=200 kHz的脈沖光。

2.1 信噪比

對PZT1施加一個峰峰值為300 mV、頻率為1 kHz的正弦信號，探測結(jié)果如圖4所示，通過對PZT1處的時域重構(gòu)信號進(jìn)行局部放大，可以看出信號的明顯抖動，其功率譜密度（power spectrum density,PSD）顯示該振動信號的中心頻率為50 kHz，中心頻率的兩側(cè)被調(diào)制了其他信號，結(jié)合干涉原理分析部分，50 kHz 即為系統(tǒng)的外差頻率，而該頻率兩側(cè)的信號即為振動信號Φ(t)被調(diào)制到了外差頻率的兩側(cè)。解調(diào)結(jié)果如圖5所示，1 kHz的振動信號被很好地解調(diào)了出來，通過計算，系統(tǒng)的本地噪聲約為?61 dB rad2/Hz，此外，在1 kHz 處信號的信噪比達(dá)到了49.17 dB。

2.2 動態(tài)范圍

固定信號的頻率為1 kHz，逐漸調(diào)節(jié)電壓從2 mV到3.5 V 進(jìn)行測量，該信號同時施加在3個PZT 上進(jìn)行測量，探測結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)最小可探測相位變化的幅度約為0.05 rad，最大可探測信號的幅度約為52 rad，動態(tài)范圍達(dá)到了60 dB。此外，3組數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果具有很好的線性性，相關(guān)系數(shù)均大于0.9，3 條曲線的斜率分別為14.73 rad/V、20.86 rad/V和17.86 rad/V，約等于5:7:6，而該比值對應(yīng)了繞在3個PZT 上光纖長度的比值，該結(jié)論證明了光波相位的變化量正比于受到振動作用的光纖的長度。

圖3 DAS系統(tǒng)室內(nèi)實驗結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Indoor experiment structure of DAS system

圖4 振動信號時域重構(gòu)與功率譜密度Fig.4 Time-domain reconstruction and power spectrum density of vibration signal

圖5 振動信號解調(diào)與功率譜密度Fig.5 Vibration signal demodulation and power spectrum density

圖6 解調(diào)信號幅度隨電壓的變化曲線Fig.6 Change curve of demodulation signal amplitude with voltage

2.3 頻率響應(yīng)范圍

固定加載在PZT 上的正弦信號的電壓為50 mV 不變，逐漸改變頻率進(jìn)行測量，如圖7所示，當(dāng)頻率達(dá)到10 kHz 之后解調(diào)信號的幅度快速增大，主要是因為所采用的3個PZT的諧振頻率大約為24 kHz，從解調(diào)結(jié)果可以看出，在電壓為50 mV情況下，系統(tǒng)可以探測20 Hz到25 kHz的正弦信號。

圖7 解調(diào)信號幅度隨頻率的變化曲線Fig.7 Change curve of demodulation signal amplitude with frequency

2.4 多振動事件探測效果

同時給3個PZT 施加不同的振動信號，進(jìn)行測量。其中：PZT1上施加的為sinc 信號，信號頻率為300 Hz，電壓的峰值為500 mV；PZT2上施加的為突發(fā)信號，信號的突發(fā)頻率為100 Hz，且每次突發(fā)為一個周期的正弦信號，該正弦信號的頻率為1 kHz，峰值電壓為500 mV；PZT3上施加的為掃頻正弦信號，該信號的頻率從300 Hz 逐漸變化到2 kHz，掃頻時間為20 ms，峰值電壓為500 mV。

圖8 3個PZT 上同時施加不同振動信號的解調(diào)結(jié)果Fig.8 Demodulation results of different vibration signals applied simultaneously on three PZT

解調(diào)結(jié)果如圖8所示，依次為170 m、220 m和330 m 處解調(diào)信號的時域波形與真實信號的對比，其分別對應(yīng)了PZT1、PZT2和PZT3所處位置，雖然3個PZT 上分別被施加了不同的復(fù)雜的振動信號，但這3個位置的振動信號都被很好地解調(diào)了出來。另外，通過3個解調(diào)得到的信號（紅色曲線）與真實信號（藍(lán)色曲線）的對比可以看出，信號幾乎無失真地被解調(diào)了出來，3個PZT 解調(diào)得到的信號與真實信號的互相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.9976以上。

3 現(xiàn)場試驗情況

3.1 實驗環(huán)境

新疆油田稠油水平井開采主要采用蒸汽輔助重力泄油的開采方式（steam assisted gravity drainage,SAGD），生產(chǎn)井循環(huán)預(yù)熱流程如圖9所示，同時傳感光纜被放置于生產(chǎn)井中，用于探測生產(chǎn)井循環(huán)預(yù)熱過程中的注汽及蒸汽腔運移情況。

圖9 SAGD 水平井循環(huán)預(yù)熱DAS測試示意圖Fig.9 Schematic of circulating preheating and DAS test of SAGD horizontal well

3.2 監(jiān)測效果分析

2019年在新疆油田風(fēng)城作業(yè)區(qū)，對某井進(jìn)行了連續(xù)36 小時的循環(huán)預(yù)熱動態(tài)監(jiān)測，第10個小時的振動信號監(jiān)測結(jié)果如圖10所示，通過時域圖、頻域圖發(fā)現(xiàn)其在400 m 附近的位置處有一個較強(qiáng)的振動信號，有效聲壓強(qiáng)度為?195 dB。特將430 m處的振動信號單獨提取后進(jìn)行分析，該位置的振動波形如圖11所示，可以看出在430 m 處的信號近似為一個正弦信號，其頻率在20 Hz 左右，并且該處的信號較強(qiáng)，幅度達(dá)到5 rad 以上。結(jié)合生產(chǎn)井循環(huán)注汽管柱結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，430 m位置大致為循環(huán)注汽返排管的根端A點位置，注入蒸汽在此進(jìn)行了交替循環(huán)，造成該處有較大的顫動。

圖10 振動信號監(jiān)測結(jié)果（10 h）Fig.10 Vibration signal monitoring results (10 h)

圖11 430 m 處信號的時域與頻域波形（10 h）Fig.11 Time-domain and frequency-domain waveforms of signal at 430 m (10 h)

持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，第32個小時的振動信號監(jiān)測結(jié)果如圖12所示，可以看出在430 m 附近的振動依然存在，提取分析后，該振動的頻率同樣為20 Hz 左右，印證了該振動是由連續(xù)注入蒸汽的交替循環(huán)所引起的。此外，從時域圖還成功捕捉到了一次明顯的振動傳遞事件，該振動從910 m 傳遞到750 m 共歷時36.2 ms，振動的傳播速度約為4420 m/s，而該速度與金屬中的聲速[19]基本相吻合，由此可以判斷，其源于某次地層開裂事件引起的振動沿著井下的金屬割縫篩管在向前傳播。

圖12 振動信號監(jiān)測結(jié)果（32 h）Fig.12 Vibration signal monitoring results (32 h)

4 結(jié)論

本論文設(shè)計了一種新型的基于雙脈沖外差調(diào)制解調(diào)技術(shù)的分布式光纖聲波振動探測系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)性能測試、振動聲波信號室內(nèi)物模實驗，并在SAGD 現(xiàn)場開展了野外現(xiàn)場監(jiān)測試驗，試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在較復(fù)雜的環(huán)境中靈敏探測到井下注汽過程中所產(chǎn)生的微振動，為稠油熱采蒸汽腔的分布及運移情況提供了可視化在線監(jiān)測與動態(tài)分析。后期工作中，將進(jìn)一步關(guān)注其與分布式光纖溫度探測DTS技術(shù)的相結(jié)合，及在油氣田開發(fā)井下油氣水三相產(chǎn)液剖面監(jiān)測方面的研究進(jìn)展。