井中三分量光纖激光檢波器的研制及性能測試

楊元元,孫志慧,張緒成,劉小會,王英英,王 昌,趙 忠,王春田

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)激光研究所,山東濟(jì)南250104;2.中石化石油工程地球物理公司勝利分公司,山東東營257086)

隨著中國油氣勘探開發(fā)的不斷深入,油氣勘探目的層由淺中層向深層快速延伸,勘探領(lǐng)域轉(zhuǎn)向深地領(lǐng)域[1]。所有這些變化都需要高品質(zhì)地震資料的支撐,原有設(shè)備已經(jīng)不能滿足深部勘探對地震資料的信噪比、分辨率和成像精度的更高要求,迫切需要在設(shè)備端進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),以滿足深部勘探開發(fā)的需要[2-3]。井中三分量光纖地震檢波器是利用光纖傳感技術(shù)的一種新型井中地震勘探設(shè)備,具有靈敏度高,頻帶寬,前端不帶電,耐高溫高壓,防水耐腐蝕、傳感傳輸一體化等優(yōu)勢,能夠大幅度提高地震資料的信噪比、分辨率和成像精度[4-6]。近年來,美國Weatherford公司和Paulsson公司[7-8]采用光纖光柵對干涉方案,研制了商業(yè)化應(yīng)用的井中三分量光纖地震檢波器;清華大學(xué)研制了三分量光纖干涉儀檢波器,并在新疆油田進(jìn)行了壓裂監(jiān)測試驗[9-10];西安石油大學(xué)研制了三分量光纖光柵檢波器。目前國內(nèi)井中三分量光纖檢波器的產(chǎn)品化、耐溫性能和最小信號檢測能力等方面還有待進(jìn)一步提高[11]。

基于光纖激光傳感原理研制了一種三分量光纖檢波器,采用窄線寬、低噪聲的分布反饋光纖激光器(DFB-FL)作為傳感元件,將地震波變化轉(zhuǎn)換為DFB-FL激光波長的改變,并通過高分辨率的干涉式波長位移解調(diào)技術(shù),實現(xiàn)微弱地震信號檢測。本文提出的這種小型化、耐高溫高壓的三分量光纖激光檢波器以振動傳感單元為基礎(chǔ),通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,使檢波器結(jié)構(gòu)更加緊湊和小型化;通過選擇溫度補償結(jié)構(gòu)及材料實現(xiàn)耐高溫高壓。在實驗室內(nèi),測試了該檢波器的頻響靈敏度、交叉靈敏度、耐溫耐壓能力,并與井中高溫動圈檢波器2400進(jìn)行了對比測試。

1 光纖激光檢波器設(shè)計

1.1 工作原理

光纖激光檢波器的敏感元件為分布反饋式光纖激光器(distributed feedback fiber laser,DFB-FL),DFB-FL的中心波長對軸向應(yīng)變極其敏感。DFB-FL發(fā)出的激光經(jīng)過光纖干涉儀后產(chǎn)生干涉信號,通過光電探測器探測到的每個通道的光場強度I,可表示為:

I=I0[1+kcos(Δφ+φ0)]

(1)

式中:I0為探測到的光強;k為干涉條紋的可見度;φ0為初始相位;Δφ為干涉儀兩臂相位變化。DFB-FL的中心波長改變量Δλ經(jīng)臂長差為d的光纖干涉儀轉(zhuǎn)化為相位變化Δφ,其表達(dá)式如下:

(2)

式中:n為光纖的折射率;d為干涉儀的臂長差;λB為DFB-FL的中心波長;Δλ為DFB-FL中心波長改變量。

通過探測干涉儀相位變化情況,可以還原被測的波長信息。從(2)式可見,在探測同等相位變化量的情況下,臂長差d越大,對應(yīng)的可探測到的波長變化Δλ的量越微小,相當(dāng)于對微小的波長變化進(jìn)行放大,實現(xiàn)微弱信號的探測。由于DFB-FL的線寬很窄,其相干長度非常長,可達(dá)數(shù)十千米,因此可以用臂長差為幾十米甚至上百米的干涉儀,將外界信號引起的極其微弱的波長變化放大為可檢測的相位變化。因此,光纖激光檢波器可以實現(xiàn)極高的探測靈敏度。

1.2 三分量光纖激光檢波器結(jié)構(gòu)設(shè)計

由前文可知,DFB-FL中心波長的變化可以反映出振動信號的變化情況,由此設(shè)計出合適的慣性敏感機械結(jié)構(gòu),將地震波引起的振動信號轉(zhuǎn)換為光纖的軸向應(yīng)變,實現(xiàn)對微弱振動信號的檢測。

振動傳感單元是設(shè)計基礎(chǔ),采用懸臂梁結(jié)構(gòu),其中質(zhì)量塊、支架及薄片等構(gòu)成振動單元的質(zhì)量塊組件,圖1a為振動傳感單元單分量結(jié)構(gòu)模型示意圖。首先懸臂梁固定到檢波器的殼體上,并將支撐梁與懸臂梁固定到一起,而后將傳感光纖固定到支撐梁和固定支架之間,然后將支架固定于檢波器殼體上,再給光纖激光器施加預(yù)應(yīng)力,使其封裝后能夠拉伸也能夠收縮,最后在懸臂梁的末端加一質(zhì)量塊用來增加靈敏度。當(dāng)垂直方向有加速度時,由于慣性,質(zhì)量塊產(chǎn)生加速度,帶動支撐梁左右擺動,從而拉伸或壓縮光柵,造成光纖激光器的波長變化,通過解調(diào)波長變化可得到加速度信號的大小。

以振動傳感單元為基礎(chǔ),分別設(shè)計X、Y、Z3個正交方向的振動分量(圖1b)。3個分量的質(zhì)量塊組件置于檢波器芯體支架3個方向相互垂直的開口內(nèi),質(zhì)量塊的振動帶動光纖激光器拉伸或壓縮,用于檢測井下3個方向的振動信號。該檢波器直接在同一個芯體上進(jìn)行3個分量的封裝,3個分量的質(zhì)量塊組件直接固定在同一芯體的3個正交方向上,無需封裝成3個完整的單分量檢波器后再組合安裝。實現(xiàn)了三維矢量檢波器的器件微型一體化,使得檢波器的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊,極大地減小了檢波器的內(nèi)部尺寸。

圖1 振動傳感單元單分量結(jié)構(gòu)模型(a)及三分量結(jié)構(gòu)模型(b)示意

由于油井孔徑尺寸小,且光纖檢波器在下井過程中需要推靠設(shè)備配合,故可將檢波器推靠在井壁上,實現(xiàn)與井壁良好的耦合。檢波器整體尺寸減小,可相應(yīng)減小推靠設(shè)備的尺寸,降低下井難度,增加傳感器下井試驗的可靠性,這對井下勘探的檢波器非常有意義。為更大程度地減小檢波器的尺寸,可將DFB-FL元器件組成三分量DFB-FL串聯(lián)結(jié)構(gòu),3個分量之間為波分復(fù)用,分別對應(yīng)三分量中的1個振動單元。三分量的串聯(lián)結(jié)構(gòu)使得各個分量的振動單元之間無需再進(jìn)行外部熔接、焊點保護(hù)等,便于檢波器的全光纖一體化封裝,并使得檢波器結(jié)構(gòu)更加緊湊。此外,3個分量處于同一檢波器內(nèi),所用的阻尼填充材料、阻尼系數(shù)完全一致,提高了3個分量之間的一致性。三分量檢波器外殼經(jīng)設(shè)計優(yōu)化,采用高溫高壓密封元件,在兩端接口處進(jìn)行密封,與檢波器連接的光纜采用無縫不銹鋼管鎧裝光纜,實現(xiàn)整體耐高溫高壓,并滿足下井需求的高可靠性。三分量光纖激光檢波器整體外形及其推靠系統(tǒng)實物如圖2所示。

圖2 三分量光纖激光檢波器(a)及其推靠系統(tǒng)(b)實物

2 三分量光纖激光檢波器解調(diào)系統(tǒng)

光纖激光檢波器的解調(diào)系統(tǒng)主要包括4個部分:泵浦光源、復(fù)用光路、光纖干涉儀以及相位生成載波(phase generated carrier,PGC)解調(diào)部分。解調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中泵浦光源采用1 480 nm泵浦,其相對強度噪聲(relative intensity noise,RIN)低、傳輸損耗小,可實現(xiàn)較遠(yuǎn)的傳輸距離;復(fù)用光路采用耐高溫一體化器件,包括1 480/1 550波分復(fù)用器(wavelength division multiplexer,WDM)以及帶通隔離器(isolator,ISO),構(gòu)成復(fù)合器件IWDM(WDM+ISO,簡稱IWDM),利用該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)瑞利散射抑制,消除相干坍塌的影響,實現(xiàn)光纖激光檢波器的遠(yuǎn)距離傳輸;光纖激光檢波器為三分量檢波器;解調(diào)部分包括Michelson干涉儀、密集波分復(fù)用器、模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)及PGC相位解調(diào),經(jīng)過信號處理即可還原出地震信號,從而實現(xiàn)對地震波的檢測。

圖3 三分量光纖激光檢波器解調(diào)系統(tǒng)

3 實驗室測試及結(jié)果

3.1 測試系統(tǒng)

在實驗室內(nèi)測試三分量光纖激光檢波器的靈敏度、線性度、微地震響應(yīng)、噪聲、耐溫和耐壓等性能,將光纖激光檢波器、壓電加速度計BK8305和高溫動圈檢波器2400一起固定在標(biāo)準(zhǔn)振動臺上(圖4),然后對比測試光纖激光檢波器的性能與高溫動圈檢波器2400的性能。

圖4 光纖激光檢波器與高溫動圈檢波器2400實驗室測試實景

3.2 光纖激光檢波器靈敏度測試

利用BK8305的振動測試系統(tǒng),分別以檢波器的3個振動分量為主振動方向,測試其頻響靈敏度,以及另外兩個相互垂直方向的靈敏度,得到交叉靈敏度,測試結(jié)果如圖5所示。從圖5a可以看出,其靈敏度約為34 dB re pm/g,且3個分量的靈敏度差異小于1 dB,靈敏度一致性好。以Z分量為主振動方向,測試與其正交的兩個分量(X、Y)的靈敏度,得到Z-X、Z-Y的交叉靈敏度,可以看出,其交叉靈敏度小于-25 dB re pm/g(圖5b)。

圖5 三分量光纖激光檢波器頻響靈敏度(a)及交叉靈敏度(b)

3.3 與高溫動圈檢波器2400對比測試

利用振動臺在1～500 Hz頻率范圍內(nèi)施加2 m/s2的恒定正弦加速度信號激勵傳感器,通過測量光纖激光檢波器和標(biāo)準(zhǔn)壓電加速度計BK8305的輸出,獲得光纖激光檢波器的幅頻曲線和相頻曲線。比較光纖激光檢波器和高溫動圈檢波器2400的幅頻和相頻特性,結(jié)果分別如圖6和圖7所示,可以看出,光纖激光檢波器具有頻率響應(yīng)曲線平坦、線性相位的優(yōu)點。

圖6 幅頻響應(yīng)對比測試結(jié)果

圖7 相頻響應(yīng)對比測試結(jié)果

利用1,15,200,400 Hz的小正弦信號激勵振動臺,來檢驗光纖激光檢波器、高溫動圈檢波器2400和壓電加速度計BK8305對微地震信號的響應(yīng)特性。在測試過程中,不施加外界信號的情況下,對三分量光纖激光檢波器與高溫動圈檢波器2400的信號進(jìn)行歸一化處理,然后對振動臺施加激勵信號,比較不同頻率下兩個檢波器探測到的信號大小。

光纖激光檢波器與高溫動圈檢波器2400測得的時域信號和頻域信號,分別如圖8a和圖8b所示?？梢钥闯?在1 Hz時,光纖激光檢波器輸出信號幅度明顯高于高溫動圈檢波器2400,高溫動圈檢波器2400輸出信號微弱;15 Hz為高溫動圈檢波器2400的自然頻率點,即靈敏度最大點,此時二者輸出信號大小非常接近,光纖激光檢波器的輸出信號略高于高溫動圈檢波器2400的輸出信號;在200 Hz和400 Hz時,光纖激光檢波器輸出信號幅度明顯高于高溫動圈檢波器2400的輸出信號幅度,信噪比高。由上述對比測試結(jié)果可以看出,光纖激光檢波器具有良好的低頻和高頻微地震響應(yīng)。

圖8 1,15,200,400 Hz的時域信號(a)和頻域信號(b)對比測試結(jié)果

3.4 耐溫測試

本底噪聲是評價光纖激光檢波器的重要指標(biāo),噪聲的水平及穩(wěn)定性可以反應(yīng)檢波器的性能,噪聲水平越低,檢測弱信號能力越強。在實驗室,采用溫度箱模擬井下高溫環(huán)境,將光纖激光檢波器置于溫度箱內(nèi),從室溫(20℃)依次升溫至85,100,125,155℃,每個溫度點達(dá)到后保持約8 h,分別測試不同溫度下光纖激光檢波器的噪聲水平。在實驗室條件下,受外界環(huán)境的影響,探測到的噪聲包含環(huán)境噪聲。

不同溫度環(huán)境下測得的噪聲水平如圖9所示,可以看出,低于100 Hz的系統(tǒng)測得噪聲水平略高,高于100 Hz的系統(tǒng)測得噪聲水平約為-100 dB。不同高溫環(huán)境下,噪聲水平基本一致,無明顯升高,且始終維持穩(wěn)定無跳變,驗證了光纖激光檢波器在高溫環(huán)境下工作的穩(wěn)定性。

圖9 不同溫度環(huán)境下測得的噪聲水平

3.5 耐壓測試

利用高壓罐模擬井下高壓環(huán)境,對三分量光纖激光檢波器的工作壓強進(jìn)行試驗。為保證安全性,試驗中將檢波器樣品置于高壓罐中,利用液壓泵加壓至50 MPa,保壓2小時以上,卸壓后對檢波器進(jìn)行檢查及頻響測試,加壓裝置如圖10所示。

圖10 光纖激光檢波器的加壓裝置

卸壓后,將高壓罐中的檢波器取出,外觀良好,未發(fā)生形變;然后將檢波器外殼打開,內(nèi)部無漏水現(xiàn)象,檢波器密封良好無泄漏。經(jīng)頻響測試可知,光纖激光檢波器靈敏度無變化,該檢波器可耐50 MPa的高壓。

4 結(jié)論

本文研制了一種井中三分量光纖激光檢波器,簡化了封裝工藝,極大地減小了檢波器整體結(jié)構(gòu)尺寸,并提高了檢波器的可靠性和一致性。對三分量光纖激光檢波器的頻響特性、交叉靈敏度及耐高溫高壓特性進(jìn)行測試,并與高溫動圈檢波器2400進(jìn)行對比試驗。光纖激光檢波器靈敏度達(dá)34 dB re pm/g,靈敏度一致性好,交叉靈敏度低于-25 dB。與高溫動圈檢波器2400的對比測試發(fā)現(xiàn),光纖激光檢波器具有良好的寬頻帶響應(yīng)能力,在低頻及高頻段,其性能優(yōu)于高溫動圈檢波器2400。經(jīng)高溫高壓試驗驗證,光纖激光檢波器可耐155℃高溫、50 MPa高壓,可用于井下高溫高壓的惡劣工作環(huán)境,在井下壓裂微地震監(jiān)測、井間地震、垂直地震剖面等方面具有良好的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢。