CN103314181A - 用于基于扫描波长干涉的传感系统的传感器阵列配置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于获取与井眼相关的感兴趣参数的方法、系统和装置。具有多个传感器的光纤电缆被布置于井眼内，其中该多个传感器具有为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比而配置的反射率值。光被从光源传播到光纤电缆内，并且在检测器处接收来自该多个传感器的响应于所传播的光与该多个传感器的相互作用的信号。处理器可以被用来从接收信号中获取感兴趣参数。光纤电缆可以与井眼内的部件耦接，其中感兴趣的参数与部件相关。

Description

用于基于扫描波长干涉的传感系统的传感器阵列配置

相关申请的交叉引用

本申请要求在2011年1月11日提交的美国申请No.13/004268的权益，该申请No.13/004268在此全文并入本文，以作参考。

技术领域

本公开内容涉及通过减少沿光纤电缆的多路振铃来提高从光纤电缆内的传感器获得的信号的信噪比。

背景技术

在石油勘探及生产的各个方面，光学传感器被部署于井下，并且在地面位置的光源经由光纤电缆给光学传感器供应光。光与该多个光学传感器相互作用以产生被返回至地面位置以待测量的具有信号的反射光。能够提供被称为振铃或多路干涉的噪声信号的多重反射在该多个传感器当中是可能的。由于光学传感器在光纤电缆内一般会均匀地间隔开，因而振铃信号一般无法与仅具有一次反射的期望信号区分开。本公开内容提供了用于减少从其内形成有多个传感器的光纤电缆中获得的测量值中的振铃的方法和装置。

发明内容

在一个方面，本公开内容提供一种用于获取与井眼相关的感兴趣的参数的方法，该方法包括：将具有多个传感器的光纤电缆部署于井眼内，其中该多个传感器具有反射率值，被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；将光从光源传播到光纤电缆内；接收来自该多个传感器的对所传播的光与该多个传感器的相互作用响应的信号；并且从接收信号中获取感兴趣的参数。

在另一个方面，本公开内容提供一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的装置，该装置包括：在井眼内的具有多个传感器的光纤电缆，其中该多个传感器具有反射率值，被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；配置用于将光传播到光纤电缆内的光源；配置用于接收来自该多个传感器的对所传播的光与该多个传感器的相互作用响应的信号的检测器；以及配置用于从接收信号中获取感兴趣参数的处理器。

在又一个方面，本公开内容提供一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的系统。该系统包括：布置于井眼内的部件；具有与部件耦接的多个传感器的光纤电缆，其中该多个传感器具有反射率值，被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；配置用于将光传播到光纤电缆内的光源；配置用于接收来自该多个传感器的对所传播的光与该多个传感器的相互作用响应的信号的检测器；以及配置用于从接收信号中获取感兴趣参数的处理器。

本文所公开的装置和方法的某些特征的实例在此进行了相当宽泛的总结，以便使下面的具体实施方式可以得到更好的理解。当然，还存在将会形成权利要求书的主题的以下所公开的装置和方法的附加特征。

附图说明

为了详细理解本公开内容，应当参考以下结合附图进行的关于示例性实施例的详细描述，在附图中对相同的元素赋以相同的编号，并且在附图中：

图1示出了在井眼内具有能够使用本文描述的示例性方法来监测的多个井下传感器的一种示例性系统；

图2示出了适用于获取图1的示例性系统的参数的一种示例性光学系统；

图3示出了图2的示例性光纤电缆的详细视图；

图4示出了具有与图3的选定传感器相关的多个拍频的空间频域；以及

图5A-C示出了根据本公开内容的各种实施例的在反射率与传感器到参考反射体的距离之间的示例性关系。

具体实施方式

图1示出了适合于与本文所描述的示例性方法和光学系统一起使用的示例性石油生产系统100。图1的示例性生产系统100包括在井眼120内的经由光纤电缆104与地面电子设备进行光通信的管件（tubular）102。光纤电缆104包括多个传感器106。该多个传感器106中的每个传感器都被配置为在与在光纤电缆104内传播的光相互作用时提供光学信号。光纤电缆104被缠绕于管件102的表面，并且该多个传感器106中的每个传感器由此在特定的位置贴附于管件102。在特定位置处的参数（例如，应变或温度）的变化因此由贴附于该特定位置或其附近的传感器检测，该传感器从而提供与检测到的参数变化对应的信号。这些信号可以在地面的电子设备中处理，以获得诸如管件的温度或形变之类的参数。因此，光纤电缆和传感器可以在各种方法中使用，例如，实时压实监测（RTCM）、分布式温度传感（DTS）、光学频率反射法（OFDR）或者使用扫描波长干涉的任何可用方法。

光纤电缆104在地面位置耦接于询问单元108。询问单元108可以包括：光源（未示出），典型为用于经由光纤电缆104给传感器提供光线的可调谐激光器，以及用于从接收自该多个传感器106的光线中获取信号的电路。询问单元108可以耦接至数据处理单元110，并且在一个方面将获得的信号发送到数据处理单元。在一个方面，输出处理单元110接收并处理来自询问单元108的测量信号，以获得诸如在管件处的波长、应变或温度的测量值之类的参数。在各个方面，数据处理单元110包括：其内存储有各种程序及数据的至少一个存储器115，可访问存储器且配置用于访问存储于其内的程序和/或数据中的一个或多个以获得参数的计算机或处理器113，以及用于记录和存储所获得的参数的记录介质117。数据处理单元110可以将参数输出到各种设备，例如，显示器112或记录介质117。

图1的示例性生产系统100是包括在海底位置125的管件102处的与位于海平面126的海上平台127的地面电子设备（即，询问单元108）通信的传感器的海底石油生产系统。但是，图1仅作为图示来提供，而不是作为对本公开内容的限制。该系统可以可替换地部署于陆地位置，并且除了别的以外还可以包括石油勘探系统、石油生产系统、随钻测量工具或电缆测井设备。此外，该系统还可以适合于与用于应用中的任何部件一起使用。

图2示出了适用于获取与图1的示例性系统的参数相关的信号的示例性光学系统200的示意图。示例性光学系统200包括光源205、包含形成于其内的多个传感器（202a,202b,202c,…,202n，并且共同称为传感器202）的光纤电缆204以及用于从该多个传感器202中检测出光信号的检测器214。在图2的示例性实施例中，光从光源205传输到环行器210。环行器一般包括为了光输入和输出而成圆形定制的多个端口。环行器被配置使得进入任何端口的光被传输到并轮流地退出下一端口。环行器210将光从光源205提供到光纤电缆204，并且将自光纤电缆返回的光提供给214。因此，光从光源205传播到光纤电缆204内。在所传播的光与传感器相互作用时，会产生返回到环行器以在检测器214处被接收的信号。在一个方面，检测器214产生具有接收信号的波形的电信号。在各种实施例中，检测器214除了别的以外还可以是光电检测器、电荷耦合设备、光电转换器。电信号在检测器处可以被发送到可以包括各种光学设备和电子设备的电路216。在一个方面，电路216包括被配置为从在电路216处接收到的电信号中获取信号的处理器218。

在一种示例性的实施例中，光源205是被配置为提供具有以选定的速率对一定范围的波长进行扫描的波长的光的可调谐激光光源。光源可以是用于提供扫描一定范围的波长的光束的任何可调谐光源或扫描波长光源。在各个方面，光源可以是连续的光源或者具有配置用于扫描一定范围的波长的滤波器的宽带光源。光源的波长范围和扫描速率可以是预先编程的，由运行软件的控制器提供或者由操作者提供。

在一种示例性的实施例中，传感器202是光纤布拉格光栅（Fiber-Bragg Gratings）。FBG是光纤的芯的折射率的周期性变化，并且典型地使用激光蚀刻工艺来创建。光栅反射一定比例的入射光，但是仅在称为布拉格波长的特定波长，该布拉格波长与光栅周期相关。应力或环境因素（例如，热变化或机械应力）会影响光栅周期并因此产生布拉格波长的变化。因而，观察FBG的反射光的波长的操作者能够确定相关的环境因素，即，温度、应变等。

典型地，为了确定选定传感器的布拉格波长，光源205扫描一定范围的波长。由于在光纤电缆内存在许多传感器，因而在光纤内能够发生多个光反射，每个光反射对应于来自选定传感器的特定波长的信号以及传感器的特定光程长度或光学延迟。由于示例性的管件102延伸相当大的距离，因而光程长度可以随着管件的长度显著地变化。

图3示出了图2的示例性光纤电缆204的详细视图，示出了参考反射体206和示例性的传感器202a,202b,202c,…,202n。参考反射体206提供波长为光源205的波长的光，并且被设定于光纤电缆内的相对于传感器202选定的参考位置。参考反射体206被示为处于光纤电缆靠近光源205的那一端。在另一种实施例中，参考反射体可以位于远离光源的光纤电缆的远端。由选定的传感器反射的光与由参考反射体206反射的光干涉以产生信号。图3示出了每个传感器（202a,202b,202c,…,202n）到参考反射体206的距离（L₁,L₂,…,L_n）。入射光一般地从左到右传播。因此，L₁,L₂,…,L_n是光在参考反射体外传播以达到各个传感器的附加距离，并且这些距离的两倍是传感器关于参考反射体的光程差，通常称为光学延迟。每个传感器的信号通过与其到参考反射体的距离直接相关的空间频率或“拍频”来调制。特定光栅的干涉信号能够表示为：

$D=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{R}_i\cos \left(\frac{{4\mathrm{\πnL}}_i}{\mathrm{\λ}}\right)---\left(1\right)$

其中D是检测到的信号，R_i是第i个光栅的反射光谱，n是光纤电缆的有效折射率，λ是光的波长，并且L_i是从第i个光栅到参考反射体的距离。

图4示出了具有多个拍频的空间频域。每个拍频涉及特定的传感器（即，例如，f_I涉及传感器202a）。通过选择特定的频率，操作者可以选择与特定传感器相关的光谱并且测量特定传感器的信号。拍频可以通过例如创建在特定频率附近的带通滤波器来选择，如图4所示。

由于在光纤电缆204上的多个传感器202，在光纤电缆内出现了因多路干涉或“振铃”所致的噪声。多路干涉能够通过下面的说明性实例来理解：参照图2或图3，传感器202c相对于参考反射体的第一光学延迟是2*L₃。有可能光也反射离开多个传感器并且具有相同的光学延迟（2*L₃）。例如，光可以从参考反射体206传播到传感器202b，在传感器202b处反射到传感器202a，在传感器202a处反射到传感器202b，并且在传感器202b处反射回到参考反射体206。由于在传感器之间通常均匀的间距，多次反射的光的光学延迟同样为2*L₃。但是，来自此类多次反射光的信号是噪声。参考公式（1），FBG202c的检测到的信号D包括来自FBG202a和FBG202b之间的多路干涉的噪声。一般地，具有较高空间频率的传感器（即，传感器202n）更多地受多路干涉所影响，而具有较低空间频率的传感器（即，传感器202a、202b）受到的影响较小。

在一个方面，本公开内容提供具有多个传感器（即，FBG202）的光纤电缆，其中该多个传感器的反射率被配置用于提供与在其传感器当中具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比。在示例性的实施例中，最靠近光源的传感器的反射率值低于离光源最远的传感器的反射率值。在可替换的实施例中，离光源最远的传感器的反射率值低于最靠近光源的传感器的反射率值。选定传感器的反射率值能够与从选定传感器到光源的距离相关。作为选择，传感器的反射率值能够与在光纤电缆内的传感器的位置相关。图5A-C示出了在反射率值与选定传感器和光源间的距离之间的各种关系。图5A示出了与距离线性相关的反射率值。图5B示出了在反射率与距离之间的幂函数关系。图5C示出了按照阶跃函数关系变化的反射率。在一种实施例中，低的反射率值小于-45dB，而高的反射率值大于-35dB。在一种可替换的实施例中，低的反射率值大于-45dB，而高的反射率值小于-35dB。

在该示例性的实施例中，具有低空间频率的传感器具有低反射率。虽然低反射率值提供弱反射信号，但是这些传感器的多路干涉程度是最小的，因而此类低空间频率的传感器的信噪比是可接受的。具有高空间频率的传感器具有高反射率，由此提供强反射信号。虽然这些传感器易受多路干涉影响，但是提供此类干涉的传感器一般具有较低的反射率值。因而，反射的噪声信号较小。此外，在弱反射表面的多次反射的动作进一步降低了噪声信号。因而，高空间频率的传感器的信噪比同样是可接受的。

因此，在一个方面，本公开内容提供了一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的方法，该方法包括：在井眼内部署具有多个传感器的光纤电缆，其中该多个传感器具有的反射率值被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；将光从光源传播到光纤电缆内；接收来自该多个传感器的对所传播的光与该多个传感器的相互作用响应的信号；并且从接收信号中获取感兴趣的参数。在一种实施例中，最靠近光源的传感器的反射率值低于离光源最远的传感器的反射率值。选定传感器的反射率值与下列项之一相关：选定传感器到光源的距离；以及选定传感器在光纤电缆内的位置。在示例性的实施例中，选定传感器的反射率值可以按照下列方式之一与距离相关：（i）线性地，（ii）作为幂函数，以及（iii）成一次或多次阶跃地。在一种实施例中，在该多个传感器中的任何传感器的最小反射率值大于-45dB，而在该多个传感器中的任何传感器的最大反射率值小于-35dB。该方法还包括应用滤波器来选择与该多个传感器中的传感器对应的信号。例如，感兴趣的参数可以是在部件处的应力、温度或部件的形变。

在另一个方面，本公开内容提供了一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的装置，该装置包括：在井眼内的具有多个传感器的光纤电缆，其中该多个传感器具有的反射率值被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；配置用于将光传播到光纤电缆内的光源；配置用于接收来自该多个传感器的对所传播的光与该多个传感器的相互作用响应的信号的检测器；以及配置用于从接收信号中获取感兴趣参数的处理器。最靠近光源的传感器的反射率值低于离光源最远的传感器的反射率值。选定传感器的反射率值与下列项之一相关：选定传感器到光源的距离；以及选定传感器在光纤电缆内的位置。反射率值可以按照下列方式之一与距离相关：（i）线性地，（ii）作为幂函数，以及（iii）成一次或多次阶跃地。在一种实施例中，在该多个传感器中的任何传感器的最小反射率值大于-45dB，而在该多个传感器中的任何传感器的最大反射率值小于-35dB。处理器可以被进一步配置以应用滤波器来选择与该多个传感器中的传感器对应的信号。例如，感兴趣的参数可以是在部件处的应力、温度或部件的形变。

在又一个方面，本公开内容提供一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的系统。该系统包括：布置于井眼内的部件；具有与部件耦接的多个传感器的光纤电缆，其中该多个传感器具有的反射率值被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；配置用于将光传播到光纤电缆内的光源；配置用于接收来自该多个传感器的对所传播的光与该多个传感器的相互作用响应的信号的检测器；以及配置用于从接收信号中获取感兴趣参数的处理器。在一种实施例中，最靠近光源的传感器的反射率值低于离光源最远的传感器的反射率值。在该多个传感器内的选定传感器的反射率值可以与下列项之一相关：选定传感器到光源的距离；以及选定传感器在光纤电缆内的位置。选定传感器的反射率值可以按照下列方式之一与距离相关：（i）线性地，（ii）作为幂函数，以及（iii）成一次或多次阶跃地。在一种实施例中，在该多个传感器中的任何传感器的最小反射率值大于-45dB，而在该多个传感器中的任何传感器的最大反射率值小于-35dB。

虽然上述公开内容涉及本公开内容的优选实施例，但是本领域技术人员应当清楚各种修改。希望在所附的权利要求书的范围和精神之内的所有变化均包含于上述公开内容内。

Claims (20)

1.一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的方法，包括：

将具有多个传感器的光纤电缆部署于所述井眼内，其中所述多个传感器具有反射率值，被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；

将光从光源传播到所述光纤电缆内；

接收来自所述多个传感器的响应于所传播的光与所述多个传感器的相互作用的信号；以及

从所接收信号中获取所述感兴趣参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中最靠近所述光源的传感器的反射率值低于离所述光源最远的传感器的反射率值。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在所述多个传感器中的选定传感器的反射率值与下列项之一相关：所述选定传感器离所述光源的距离；所述选定传感器在所述光纤电缆内的位置。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述选定传感器的反射率值按照下列方式之一与距离相关：（i）线性地，（ii）作为幂函数，（iii）成一次或多次阶跃地。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述多个传感器中的任何传感器的最小反射率值大于-45dB，而在所述多个传感器中的任何传感器的最大反射率值小于-35dB。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括应用滤波器来选择与所述多个传感器中的传感器对应的信号。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述感兴趣参数选自：（i）在部件处的应力；（ii）温度；（iii）部件的形变。

8.一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的装置，包括：

在所述井眼内的具有多个传感器的光纤电缆，其中所述多个传感器具有的反射率值，被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；

光源，被配置为将光传播到所述光纤电缆内；

检测器，被配置为接收来自所述多个传感器的响应于所传播的光与所述多个传感器的相互作用的信号；以及

处理器，被配置为从所接收信号中获取所述感兴趣参数。

9.根据权利要求1所述的装置，其中最靠近所述光源的传感器的反射率值低于离所述光源最远的传感器的反射率值。

10.根据权利要求8所述的装置，其中在所述多个传感器中的选定传感器的反射率值与下列项之一相关：所述选定传感器离所述光源的距离；所述选定传感器在所述光纤电缆内的位置。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述选定传感器的反射率值按照下列方式之一与距离相关：（i）线性地，（ii）作为幂函数，（iii）成一次或多次阶跃地。

12.根据权利要求8所述的装置，其中在所述多个传感器中的任何传感器的最小反射率值大于-45dB，而在所述多个传感器中的任何传感器的最大反射率值小于-35dB。

13.根据权利要求8所述的装置，其中所述处理器被进一步配置为应用滤波器来选择与所述多个传感器中的传感器对应的信号。

14.根据权利要求8所述的装置，其中所述处理器被进一步配置为获得选自下列项中的所述感兴趣参数：（i）在部件处的应力；（ii）温度；（iii）部件的形变。

15.一种用于获取与井眼相关的感兴趣参数的系统，包括：

布置于所述井眼内的部件；

具有与所述部件耦接的多个传感器的光纤电缆，其中所述多个传感器具有反射率值，被配置为提供与具有基本上相同的反射率值的多个传感器的信噪比相比改进的信噪比；

配置为将光传播到所述光纤电缆内的光源；

配置为接收来自所述多个传感器的响应于所传播的光与所述多个传感器的相互作用的信号的检测器；以及

配置为从所接收信号中获取所述感兴趣参数的处理器。

16.根据权利要求15所述的系统，其中最靠近所述光源的传感器的反射率值低于离所述光源最远的传感器的反射率值。

17.根据权利要求15所述的系统，其中在所述多个传感器内的选定传感器的反射率值与下列项之一相关：所述选定传感器离所述光源的距离；所述选定传感器在所述光纤电缆内的位置。

18.根据权利要求17所述的系统，其中所述选定传感器的反射率值按照下列方式之一与距离相关：（i）线性地，（ii）作为幂函数，（iii）成一次或多次阶跃地。

19.根据权利要求15所述的系统，其中在所述多个传感器中的任何传感器的最小反射率值大于-45dB，而在所述多个传感器中的任何传感器的最大反射率值小于-35dB。

20.根据权利要求15所述的系统，其中所述处理器被进一步配置为获得选自下列项中的所述感兴趣参数：（i）在部件处的应力；（ii）温度；（iii）部件的形变。

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