光纖分布式聲波傳感技術(shù)在石油行業(yè)的研究進展

孫琪真,范存政,李 豪,閆寶強,閆志君,余 剛,劉德明

(1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院,武漢光電國家研究中心,湖北武漢430074;2.下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國家工程實驗室,湖北武漢430074;3.中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司,河北涿州072751)

20世紀70年代以來,光纖傳感隨著高速光纖通信技術(shù)的發(fā)展逐漸受到關(guān)注,其具有無源、抗電磁干擾、高靈敏、易大規(guī)模復(fù)用組網(wǎng)等特點,已應(yīng)用于聲波、溫度、應(yīng)變、振動、生化等眾多測量領(lǐng)域[1-3]。近年來,基于光纖后向散射的分布式傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展,主要包括分布式應(yīng)變傳感(Distributed Strain Sensing,DSS)[4-5]、分布式溫度傳感(Distributed Temperature Sensing,DTS)[6-7]、分布式聲波傳感(Distributed Acoustic Sensing,DAS)[2,8]等,由于其特有的超長傳感距離、全連續(xù)無盲區(qū)探測等性能,在工程勘測領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力[9-11]。其中,光纖DAS技術(shù)通過探測光纖瑞利背向散射的光相位改變實現(xiàn)聲波的高保真測量和追蹤,具有大范圍、高靈敏、高空間分辨率、寬頻帶和低成本等顯著優(yōu)勢,非常適用于石油行業(yè)中的地震勘探、油氣管線安全監(jiān)測等應(yīng)用,市場前景非常廣闊。

英國的Optasense和Silixa公司是最早開展DAS產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)[12],并在地震波檢測和石油管道安全監(jiān)測兩個領(lǐng)域均有涉及,覆蓋了石油工業(yè)中勘探—生產(chǎn)—運輸?shù)恼麄€過程[13-16]。相比于國外,雖然國內(nèi)開展DAS技術(shù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究起步較晚,但發(fā)展速度很快,目前已迎頭趕上,不僅在學(xué)術(shù)界有多所大學(xué)和科研機構(gòu)進行深入探究[17-20],在產(chǎn)業(yè)界也陸續(xù)推出了多款商用化DAS產(chǎn)品。同時,隨著光纖DAS技術(shù)在石油物探領(lǐng)域的應(yīng)用推廣,越來越多的科研機構(gòu)和企業(yè)將目光聚焦于DAS系統(tǒng)的性能提升和工程化應(yīng)用。

為了使研究人員和用戶更全面地了解DAS技術(shù)的性能和發(fā)展進程,本文從DAS機理出發(fā),系統(tǒng)地分析了DAS系統(tǒng)的解調(diào)方法和性能提升手段,總結(jié)了國內(nèi)外光纖DAS設(shè)備的商業(yè)化水平,討論了光纖DAS技術(shù)在石油行業(yè)的典型應(yīng)用,并對其未來發(fā)展方向進行了展望。

1 光纖DAS技術(shù)的研究現(xiàn)狀

典型的光纖DAS系統(tǒng)由解調(diào)終端和傳感光纜兩部分組成,其中傳感光纜作為載體用于感知聲波,解調(diào)終端用于高相干脈沖光發(fā)射、光纖后向瑞利散射光接收以及解調(diào)恢復(fù)聲波信息。當聲波作用在光纖上時,會使光纖產(chǎn)生軸向拉伸,從而調(diào)制光纖中后向瑞利散射光的相位。通過解調(diào)終端對光相位信息進行解調(diào),就可以無失真地實現(xiàn)聲波的高保真探測。根據(jù)自激光器到散射點及從散射點返回至光探測器過程中的光脈沖行經(jīng)時間,可以得到散射點的位置信息,從而可將光纖的每一小段等效為一個聲學(xué)傳感器,實現(xiàn)長距離、高密度的聲波探測。

聲波信號的解調(diào)有多種方法,其中外差相干探測技術(shù)是目前主流的高信噪比方案。2011年首次成功實現(xiàn)基于外差相干探測技術(shù)的聲波解調(diào)[18],其方案如圖1a所示。相干光源通過耦合器分成2路,一路作為信號光經(jīng)過聲光調(diào)制器輸出移頻的脈沖信號,并由光纖環(huán)形器注入傳感光纖;另一路作為本振光和從傳感光纖中z點散射回的瑞利散射信號在平衡光電探測器匯合并發(fā)生干涉。通過相干拍頻,光電探測器得到的光強(I)可表示為:

(1)

除了相干探測之外,常用的相位解調(diào)技術(shù)還包括基于3×3耦合器的相位解調(diào)技術(shù)[21]、基于相位載波調(diào)制(PGC)的相位解調(diào)技術(shù)[22]和基于啁啾脈沖的相位解調(diào)技術(shù)[20]等,如圖1b至圖1d所示,輔以隔振措施均可實現(xiàn)高性能的聲波解調(diào)。

圖1 典型的DAS解調(diào)方案

目前,國內(nèi)外已有多所高校、科研機構(gòu)和企業(yè)基于多種不同的相位解調(diào)技術(shù)和傳感光纖研發(fā)了光纖DAS系統(tǒng),并在石油行業(yè)得到應(yīng)用,主要聚焦在信噪比(signal to noise ratio,SNR)增強、探測距離擴展、響應(yīng)頻帶(事件采樣率)提升以及技術(shù)商業(yè)化等方面。

1.1 信噪比增強

在傳感領(lǐng)域,SNR是評價探測信號質(zhì)量的重要標準之一。在光纖DAS技術(shù)中,由于作為聲波調(diào)制載體的后向瑞利散射光強度極弱且具有隨機性,探測信號不僅信噪比較低,還會產(chǎn)生相干衰落,導(dǎo)致產(chǎn)生探測盲區(qū),對于長距離鏈路中的信號質(zhì)量和響應(yīng)一致性非常不利。

為了解決這一問題,學(xué)術(shù)界提出了兩種解決思路,分別是提高探測光功率和提高散射強度。由于光纖中存在非線性效應(yīng),限制了探測信號的峰值功率,因此探測光功率的提高主要通過增加脈沖寬度的方式實現(xiàn),但同時也會犧牲DAS系統(tǒng)的空間分辨率。為了解決探測光功率和空間分辨率之間的矛盾,研究者們分別提出了啁啾脈沖方案[23]和編碼脈沖方案[24],其中基于啁啾脈沖的高分辨方案成為近年來的研究熱點,且上海交通大學(xué)已經(jīng)將此方案商業(yè)化。

1.2 探測距離擴展

光在光纖中傳輸時會產(chǎn)生損耗,因此DAS技術(shù)為了實現(xiàn)更長的探測距離,需要注入峰值功率更高的脈沖。但是,高峰值功率會帶來調(diào)制不穩(wěn)定性(modulation instability,MI)以及受激布里淵(stimulated brillouin scattering,SBS)等非線性效應(yīng)影響,限制了探測距離的進一步提升。為了克服這一限制,研究人員提出了分布式放大技術(shù)、非線性抑制技術(shù)和光纖散射增強等方案[32]。目前,較為成熟的方案是分布式放大技術(shù)和光纖散射增強方案,電子科技大學(xué)通過拉曼放大技術(shù)和啁啾脈沖技術(shù)將DAS的傳感距離提升至100 km以上[33];華中科技大學(xué)通過分段散射增強設(shè)計實現(xiàn)了光纖鏈路散射強度均衡,也將無放大的單鏈路傳感距離提升至100 km[31],這使得光纖DAS技術(shù)將更加適用于在管道安全監(jiān)測等需要大尺度探測領(lǐng)域的應(yīng)用[34]。

1.3 事件采樣率提升

DAS系統(tǒng)的事件采樣率受限于傳感光纖的長度。為了不產(chǎn)生信號混疊,進入光纖的光脈沖序列必須在前一個探測光脈沖從光纖的最遠端散射并回到解調(diào)終端之后才能發(fā)射下一個。因此,光纖DAS系統(tǒng)的采樣率和探測距離之間相互制約,如何提高長距離監(jiān)測中的事件采樣率對于管道安全監(jiān)測等場景中的寬頻帶聲波信息獲取至關(guān)重要。提升事件采樣率的關(guān)鍵是使多個脈沖可同時在光纖中傳輸并能夠被區(qū)分,這需要將不同的脈沖通過某一特征如頻率、波長等進行分辨。南京大學(xué)的研究團隊通過采用不同頻率的光脈沖復(fù)用,在探測長度不變的情況下,實現(xiàn)了3倍的事件采樣率提升[35]。此外,華中科技大學(xué)的研究團隊基于離散散射增強光纖提出了時隙復(fù)用擴頻方案,充分利用相鄰散射信號脈沖之間的時隙資源進行分插復(fù)用,提高發(fā)射脈沖頻率并采用重構(gòu)算法,極大地提升了傳感信號的處理速度[36]。

1.4 技術(shù)商業(yè)化

隨著光纖DAS技術(shù)在石油行業(yè)的推廣應(yīng)用,相比于傳統(tǒng)地震檢波技術(shù)呈現(xiàn)出多方面優(yōu)勢,也受到越來越多的商業(yè)關(guān)注。近年來,國內(nèi)外已有多家企業(yè)開發(fā)了商用化設(shè)備(圖2、圖3)。

圖2 國外商用化DAS設(shè)備

表1 國外商用化DAS設(shè)備參數(shù)

近些年,國內(nèi)企業(yè)多采用與高校和科研院所合作的方式,也開始了DAS的商業(yè)化推進,代表性的產(chǎn)品參數(shù)如表2所示。光谷互連公司與華中科技大學(xué)合作,利用離散散射增強光纖超高信噪比的優(yōu)勢,開發(fā)了兼容普通單模光纖和離散散射增強光纖兩種模式的DAS設(shè)備。該公司先后推出了Finder、Scouter、Thinker 3款針對不同用途的DAS產(chǎn)品,可同時滿足高性能、高性價比和后端處理算法等不同需求,其產(chǎn)品如圖3a至圖3c所示。中石油東方物探公司與電子科技大學(xué)合作開發(fā)了uDAS產(chǎn)品,并在石油領(lǐng)域開展了實驗和驗證,在地震勘探方面具有較為豐富的工程化經(jīng)驗[40],其產(chǎn)品如圖3d所示。目前,該產(chǎn)品已在地質(zhì)勘探、管道安全檢測、隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測及異物入侵監(jiān)測等眾多領(lǐng)域進行了應(yīng)用[9-10,41]。樸牛科技與上海交大合作,基于時間門控光頻域反射儀(Time gated digital-OFDR,TGD-OFDR)方案開發(fā)了Hifi-DAS,具有高保真的特點[42],其產(chǎn)品如圖3e所示。華為公司利用其諾亞方舟實驗室強大的AI研究成果,推出了具有聽得全、識得準、學(xué)得快特點的DAS產(chǎn)品OptiXsense EF3000,用以助力無人化油氣管線巡檢,構(gòu)筑管線安全守護者的“聽覺神經(jīng)”。

表2 國內(nèi)商用化DAS設(shè)備及其特點

圖3 國內(nèi)商用化DAS設(shè)備

2 光纖DAS技術(shù)在石油行業(yè)中的應(yīng)用

鑒于光纖DAS技術(shù)的顯著優(yōu)勢,其在石油行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注和推廣應(yīng)用,目前比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括地震勘探和油氣管道安全監(jiān)測。

2.1 光纖DAS技術(shù)的優(yōu)勢

地震勘探技術(shù)要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高靈敏度、高空間分辨率、低成本、部署靈活的特點,而石油管道安全監(jiān)測則要求檢測范圍廣、無盲區(qū)盲時。光纖DAS技術(shù)十分符合上述特殊要求,因此逐漸成為石油行業(yè)中極具發(fā)展?jié)摿Φ目睖y設(shè)備,表現(xiàn)出傳統(tǒng)探測技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

1)采集密度高、傳輸容量大。在光纖DAS技術(shù)中,光纖本身既用作傳感器,也用作信息傳輸鏈路。在采集端,DAS不必像點式傳感器一樣通過復(fù)用進行多點測量,而是依靠光時域反射技術(shù)實現(xiàn)連續(xù)分布式測量,更容易實現(xiàn)高密度地震信號采集。而在傳輸過程中,不同位置的聲波信息按時間先后依次從光纖中傳回解調(diào)系統(tǒng),省去了復(fù)雜的數(shù)據(jù)匯總過程。

2)探測距離長、綜合成本低。對于單套DAS系統(tǒng)來說,其探測距離可達50 km甚至100 km[33],監(jiān)測尺度極大。這一特點可以對油氣管道實現(xiàn)長距離、無盲區(qū)的實時安全檢測。此外,DAS系統(tǒng)的成本主要集中在解調(diào)終端,而傳感光纜的成本極低,超長探測距離大大平攤了解調(diào)終端的成本,這是點式傳感器無法比擬的。

3)靈敏度高。在光纖DAS技術(shù)中,通過光相位檢測實現(xiàn)聲波測量,其以光波長為“標尺”,靈敏度極高,可以探測微地震等微弱信號。

4)定位準確性高。光纖DAS系統(tǒng)的不同傳感單元通過來光的飛行時間來定位,這使得不同位置的傳感單元之間不會互相干擾,從而實現(xiàn)高精度定位。高定位精度意味著更精細的聲場圖像,為數(shù)據(jù)進一步處理提供了保障。

2.2 光纖DAS技術(shù)在地震勘探中的應(yīng)用

2.2.1 VSP測井

2011年,Silixa公司進行了首個井下DAS實驗[43],隨后多家機構(gòu)在VSP測井中進行了眾多嘗試[44],如圖4所示,包括多井聯(lián)采實驗、海底VSP測試等。相比于傳統(tǒng)地震檢波器只能使用離散傳感器在不同深度分別探測地震波數(shù)據(jù)并拼接,光纖DAS設(shè)備僅用一次振源激勵就可以實現(xiàn)井中連續(xù)高密度采樣,這在大幅提高采集效率、降低采集成本的同時,還顯著提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。在此之后,有研究人員對井下VSP的光纜布設(shè)問題進行了討論[45],其理想方式為光纜與管壁完全粘合,但其成本較高。另一種低成本可替代方案為點式固定,使光纖緊貼管壁,也可以獲得較為理想的數(shù)據(jù)。國內(nèi)目前也已經(jīng)有多家單位將商用DAS應(yīng)用于VSP測井中[31,46],在不進行數(shù)據(jù)處理情況下獲得了高信噪比的VSP資料。

圖4 VSP測井應(yīng)用

2.2.2 微地震探測

除了被應(yīng)用于VSP測井中,DAS還被廣泛應(yīng)用于微地震探測。研究人員通過探測地層中無時無刻不發(fā)生的微小地震,可還原其攜帶的地層信息,實現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測,如圖5所示。2018年,Silixa公司將DAS設(shè)備接入Reykjanes Peninsula上15 km的通信光纜,對其附近的山脈斷層和火山結(jié)構(gòu)進行了分析,發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶的多次反射信號和體波到時延遲的現(xiàn)象[47]。隨后,一些科研機構(gòu)和公司采用海底通信光纜,對海底微地震、局部表面重力波進行了實時監(jiān)測,以便進一步分析海洋地質(zhì)結(jié)構(gòu)[48-49]。此外,DAS設(shè)備也被用于探測冰川結(jié)構(gòu)、地幔速度結(jié)構(gòu)[50-51],得到了初步的數(shù)據(jù)資料。

圖5 微地震探測

2.3 光纖DAS技術(shù)在管道安全監(jiān)測中的應(yīng)用

英國Optasense和Fotech公司將DAS技術(shù)應(yīng)用于管道安全監(jiān)測領(lǐng)域的商業(yè)化程度較高,均推出了針對管道安全監(jiān)測的DAS產(chǎn)品[37-39]。由于DAS的優(yōu)異特性,其在外部入侵監(jiān)測、內(nèi)部腐蝕監(jiān)測、流速監(jiān)測等方面均有應(yīng)用。如圖6a所示,美國匹茲堡大學(xué)研究團隊將光纜布設(shè)在管道表面,通過DAS追蹤聲波在管道中的傳播特性,結(jié)合基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機器學(xué)習算法進行分析,驗證了其在管道外部入侵和內(nèi)部腐蝕的監(jiān)測可行性[52]。武漢理工大學(xué)團隊利用地下管線鋪設(shè)兩條對稱光纜的方式來實現(xiàn)對入侵破壞事件的定位,如圖6b所示[53],在實際測試中取得了較好的定位精度。華中科技大學(xué)團隊首次實現(xiàn)了管道流速的分布式測量,其原理如圖6c所示[54],利用不同速度的流體對管壁撞擊力度不同的特點測量管道流速,測量結(jié)果和真實結(jié)果具有非常好的一致性。

圖6 管道安全監(jiān)測應(yīng)用

3 未來發(fā)展方向

在石油行業(yè)特別是地震勘探領(lǐng)域,相比于傳統(tǒng)的地震檢波器,光纖DAS技術(shù)還存在一些不足之處,這也為未來研究指出了發(fā)展方向。

3.1 數(shù)據(jù)超高保真光纖DAS

雖然相比于傳統(tǒng)地震檢波器,光纖DAS技術(shù)在探測成本、安裝方式、數(shù)據(jù)分辨率等方面有著顯著優(yōu)勢,但是DAS的數(shù)據(jù)信號質(zhì)量仍然有待提高。目前,DAS獲得的數(shù)據(jù)信噪比還達不到傳統(tǒng)地震檢波器的水平[55]。此外,由于DAS的強度是波的入射角的余弦函數(shù)的平方,而傳統(tǒng)檢波器的強度是波的入射角的余弦函數(shù),這也進一步削弱了DAS的信號強度。因此,未來還需要進行數(shù)據(jù)超高保真DAS的探究,除了在光學(xué)機理上對DAS進行改進,在工程上也可以探索多振源探測、多光纖接收等方法進行數(shù)據(jù)疊加。

3.2 多分量檢波光纖DAS

由于光纖DAS技術(shù)是通過探測光纖軸向應(yīng)變恢復(fù)聲波信息的,其僅能輸出一個分量上的信息,其它角度入射的振動波以入射角的余弦函數(shù)的平方的幅值耦合在光纖軸向上。相比于傳統(tǒng)的地震檢波器,這會帶來兩點不足之處:①無法區(qū)分地震波的傳播方向,損失了部分有用信息;②地震波入射角對DAS的影響很大,當入射角增大時,DAS靈敏度會快速降低,甚至入射角為90°時地震波完全不能被感知。為了解決這些問題,可以通過設(shè)計螺旋光纜結(jié)構(gòu),使光纜向不同的方向延伸,研發(fā)可進行多分量檢波的光纖DAS系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

由于光纖DAS技術(shù)具有長距離、高靈敏、高空間分辨率、低成本、無源、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢,其在石油行業(yè)的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。本文主要闡述了光纖DAS技術(shù)的研究進展和商業(yè)化進程,總結(jié)了國內(nèi)外商用光纖DAS產(chǎn)品的典型性能,探討了光纖DAS技術(shù)在地震勘探和管道安全監(jiān)測等領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力,并分析了其未來發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見,光纖DAS技術(shù)將憑借其獨特的競爭優(yōu)勢在未來的石油行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。