CN112698385A - 增强型复合分布式多分量光纤检波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤检波器，特别公开了一种在增强型复合分布式多分量光纤检波器。该检波器包括：光纤分布式声波传感解调仪，连接传输光缆；若干组串联的多分量光纤检波器探头，包括依次串联的第一加速度敏感单元、第一去敏连接光纤、第二加速度敏感单元、第三去敏连接光纤、第三加速度敏感单元，其中第一加速度敏感单元和第二加速度敏感单元的敏感方向为圆柱形结构的径向，且方向互相垂直，第三加速度敏感单元的敏感方向为圆柱形结构的轴向；中间连接光缆连接相邻的两组多分量光纤检波器探头。本发明采用光纤分布式声波解调与增敏结构结合，单根光纤实现多级检波器，易于制造大规模阵列，三分量集成增敏结构简单，易于制造。

Description

增强型复合分布式多分量光纤检波器

技术领域

本发明涉及一种光纤检波器，特别涉及一种在增强型复合分布式多分量光纤检波器。

背景技术

随着油气资源勘探开发程度的不断加深，勘探区域转向复杂、非常规领域，油气勘探目的层由中浅层向深层延伸。所有这些变化都需要高品质地震资料的支撑，需要地震勘探向高分辨率、高精度、深层勘探的方向发展，对地震检波器的性能也提出了更高的要求。

地震检波器主要分为电子检波器和光纤检波器两类。电子检波器动态范围小、灵敏度低、抗电磁干扰能力差。在油井恶劣环境下，电子检波器具有耐高温高压能力差、易受电磁干扰、寿命短等缺点。此外，在检波器阵列时，电子检波器在实现组网、复用、数据传输能力上技术难度大，特别是在井下高温高压环境，难以形成较大规模的井中检波器阵列。光纤检波器以石英为基材，耐高温、耐腐蚀，尺寸小，易于组网复用、能够实现长距离高精度高速数据传输，具有电子检波器无法比拟的优势，特别是适合在井下高温环境中构成大规模检波器阵列，可以大幅度提高地震资料的信噪比、分辨率和成像精度。

光纤检波器主要分为阵列式和近年来出现的分布式两种。阵列式光纤检波器一般采用较为复杂的传感器结构，实现增敏，并采用一定的光路器件，通过波分或空分或时分复用光路进行复用，如：张文涛等发明了一种推挽式光纤检波器，需要一系列光器件实现干涉、复用等功能，另外只有一个分量，实现三分量工艺难度大，油井等复杂环境下应用可靠性较低；Jiang等提出一种三分量光纤检波器，结构较为复杂，不适合油气井对空间有限制的场合，且也需要一系列光器件，可靠性较低；张发祥等采用波分/空分混合复用的方案，构建了基于分布反馈光纤激光器（DFBFL）的两级三分量地震检波器阵列（光电子•激光，2017年04期，第371-375页，三分量光纤激光检波器阵列及其实验研究，张发祥等），但结构复杂，需要一系列光器件实现复用，成本较高，工艺难度大，油井等复杂环境下应用可靠性较低；杨悦等发明了一种带准直器的光纤干涉式检波器装置，同样需要复杂的光路，且只有一个分量；可见，阵列式光纤检波器主要存在结构复杂、工艺难度大、组网成阵难度高且大多数需要在传感器端设置光器件实现其功能等限制，影响了其在复杂环境下应用的可靠性。分布式光纤传感技术利用检测传输光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感。当外界振动或声音作用于传输光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量。分布式光纤声传感系统（CN201410032610、CN103411660A、CN106404154A、CN110160573A、CN106525362A）可以实现传输光纤任意位置处的振动或声信号探测，但由于传输光纤灵敏度较低，难以用于微弱地震波信号的探测。冉曾令等报道了一种光纤微测井装置及方法，将光缆螺旋型致密缠绕于探测棒的探测单元上，并通过分布式光纤振动解调仪进行解调，以解决传统地震勘探中无法高效集中采集地震波能量的问题，但是仍然存在无法进行三分量测测量，且所测得的信号是探测棒在地震信号中的膨胀量，难以与地震信号的加速度或速度量进行标定，影响信号的保真度。

综上所述，仍然需要一种高灵敏度度、能够实现地震信号多个分量高分辨率、高保真度、高效采集的，并具有工艺简单、易于制造大规模阵列的、可靠性高的检波器系统。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种结构简单、易于制造、可靠性高、灵敏度高的增强型复合分布式多分量光纤检波器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于，包括：

光纤分布式声波传感解调仪，连接传输光缆，通过检测传输光缆中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感，用于解调光纤中对应位置的相位变化信号；

传输光缆，连接光纤分布式声波传感解调仪和多分量光纤检波器探头，用于信号传输，为振动去敏的铠装光缆；

若干组串联的多分量光纤检波器探头，包括依次串联的第一加速度敏感单元、第一去敏连接光纤、第二加速度敏感单元、第三去敏连接光纤、第三加速度敏感单元，其中，第一加速度敏感单元、第二加速度敏感单元、第三加速度敏感单元皆为圆柱形结构，且第一加速度敏感单元和第二加速度敏感单元的敏感方向为圆柱形结构的径向，且方向互相垂直，用于将径向敏感方向的振动信号转化为光纤的相位变化，第三加速度敏感单元的敏感方向为圆柱形结构的轴向，用于将轴向敏感方向的振动信号转化为光纤的相位变化；

中间连接光缆，为振动去敏的铠装光缆，连接相邻的两组多分量光纤检波器探头，用于信号传输，中间连接光缆中的中间连接光纤对振动不敏感。

本发明采用光纤分布式声波解调与三分量集成增敏结构结合的方式，通过三分量集成增敏结构，在有限空间内通过适用于分布式系统的单根光纤实现三个分量的加速度信号增敏，解决了分布式检波器难以获得三个分量高保真的加速度或速度信号的问题，并提高了灵敏度，采用两者的结合，单根光纤实现多级检波器，易于制造大规模阵列。

本发明的更优技术方案为：

所述光纤分布式声波传感解调仪按照光纤的长度，根据光脉冲的返回时间，输出对应的每组多分量光纤检波器探头中第一加速度敏感单元、第二加速度敏感单元和第三加速度敏感单元的解调信号，解调的信号为瑞利散射干涉信号的相位变化。

所述传输光缆和中间连接光缆均为具有无缝不锈钢管护套的铠装光缆，其中的光纤为松弛状态的单模通讯光纤。

所述第一加速度敏感单元中光纤与第一去敏连接光纤长度之和、第二加速度敏感单元中光纤与第二去敏连接光纤长度之和、第三加速度敏感单元中光纤与中间连接光纤长度之和，三者长度相同；所用光纤为同一根光纤，其不同的部分缠绕在不同的结构上，且均为弯曲不敏感光纤。

进一步优选的，所述传输光缆的光纤、多分量光纤检波器探头中的光纤和中间连接光缆中的中间连接光纤为同一根光纤，且为单模耐弯曲光纤。

所述第一加速度敏感单元、第二加速度敏感单元均包括通过连接杆连接两端的敏感单元支架A，敏感单元支架A内部安装有圆柱形惯性质量块A、惯性质量块A通过弹性梁A与敏感单元支架A的两端连接，惯性质量块A的外侧面上缠绕并耦合有敏感光纤A；第三加速度敏感单元包括通过弧形面连接两端的敏感单元支架B，敏感单元支架B内部安装有半圆柱形惯性质量块B，惯性质量块B通过条状弹性梁B与敏感单元支架B的两端连接，敏感单元支架B和惯性质量块B的外侧面上缠绕并耦合有敏感光纤B，第一加速度敏感单元、第二加速度敏感单元和第三加速度敏感单元的骨架结构均由同一圆柱形金属结构经线切割制作而成。

第一加速度敏感单元、第二加速度敏感单元和第三加速度敏感单元在结构原理上具有一致性，以保证其性能的一致，在具体结构的实现形式上有差别，特别是针对振动更加速度的敏感方向不一致，从而具有了多分量的特性。

进一步优选的，所述第三加速度敏感单元的敏感单元支架B和惯性质量块B上设置有若干突起结构，敏感光纤B缠绕在突起结构上，从而增加对加速度信号的敏感性。

所述第一去敏连接光纤和第二去敏连接光纤分别缠绕于刚性体上，且在刚性体外侧包覆有保护壳，以降低对外界信号的敏感度。

所述多分量光纤检波器探头封装于刚性密闭壳体内，传输光缆和中间连接光缆分别密封连接在刚性密闭壳体的相对两端，以便实现整体耐压，适用于油井等具有高压力的特殊环境；第一加速度敏感单元、第二加速度敏感单元、第三加速度敏感单元分别与刚性密闭壳体刚性连接，以便有效的拾取加速度信号。

所述第一加速度敏感单元上部缠绕有第一光纤反射结构，第一去敏连接光纤中设置有第二光纤反射结构，第二去敏连接光纤中设置有第三光纤反射结构，第三加速度敏感单元下部缠绕有第四光纤反射结构，第一光纤反射结构、第二光纤反射机构、第三光纤发射结构和第四光纤反射结构均为弱反射率的光纤光栅，且一并连接光纤分布式声波传感解调仪，实现光纤分布式声波传感解调仪解调信号的作用。

本发明采用光纤分布式声波解调与增敏结构结合，单根光纤实现多级检波器，易于制造大规模阵列，三分量集成增敏结构简单，易于制造，不采用光器件，封装工艺难度小，易于保证一致性和可靠性，整体阵列形成密闭腔体，可实现在油井高压环境下应用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明多分量光纤检波器探头的结构示意图；

图3为本发明未缠绕敏感光纤的第一加速度敏感单元的结构示意图；

图4为本发明实施例2所述多分量光纤检波器探头的结构示意图；

图5为本发明实施例2所述未缠绕敏感光纤的第三加速度敏感单元的结构示意图；

图6为本发明实施例3所述多分量光纤检波器探头的结构示意图。

图中，100光纤分布式声波传感器解调仪，200传输光缆，300多分量光纤检波器探头，301第一加速度敏感单元，302第一去敏连接光纤，303第二加速度敏感单元，304第二去敏连接光纤，305第三加速度敏感单元，311敏感单元支架A，312惯性质量块A，313弹性梁A，314敏感光纤A，321敏感单元支架B，322惯性质量块B，323弹性梁，324敏感光纤B，325突起结构，331刚性密闭壳体，400中间连接光缆，401中间连接光纤，501第一光纤反射结构，502第二光纤反射结构，503第三光纤反射机构，504第四光纤反射结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1：

图1为本发明提供的增强型复合分布式多分量光纤检波器示意图，图2为本发明提供的增强型复合分布式多分量光纤检波器的多分量光纤检波器探头300示意图，图3为本发明提供的增强型复合分布式多分量光纤检波器未缠绕敏感光纤A314的第一加速度敏感单元301的结构示意图。

本发明提供的增强型复合分布式多分量光纤检波器包括：

光纤分布式声波传感解调仪100，用于解调光纤中对应位置的相位变化信号，利用检测传输光纤中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感；当外界振动或声音作用于传输光纤某一位置时，该位置处的光纤将会感受到外界应力或应变的作用，引起光纤拉伸和折射率变化，进而引起导致背向散射光在传输时的相位发生变化，因此通过检测相位变化来实现对外界振动或声音的测量，并通过光时域反射技术实现对应位置的准确定位；

传输光缆200，用于信号传输，较佳的，为具有无缝不锈钢管护套的铠装光缆，其中的光纤为松弛状态，从而具有一定的振动去敏特性，对外界振动信号不敏感；一般的，其中光纤为普通单模通讯光纤，较佳的，为单模耐弯曲光纤，如G657A光纤；

多组串联的多分量光纤检波器探头300，参考图1、图2，包括第一加速度敏感单元301，第一去敏连接光纤302，第二加速度敏感单元303，第二去敏连接光纤304，第三加速度敏感单元305；其中，第一加速度敏感单元301，第二加速度敏感单元303，第三加速度敏感单元305皆为圆柱形结构，且第一加速度敏感单元301和第二加速度敏感单元303的敏感方向为圆柱形结构的径向，且方向相互垂直，用于将径向敏感方向的振动信号转化为光纤的相位变化，第三加速度敏感单元305的敏感方向为圆柱形结构的轴向，用于将轴向敏感方向的振动信号转化为光纤的相位变化；参考图2，第一加速度敏感单元301，第一去敏连接光纤302，第二加速度敏感单元303，第二去敏连接光纤304，第三加速度敏感单元305的骨架结构由同一圆柱形金属结构线切割制作而成，较佳的，由不锈钢圆柱体线切割制作而成；第一加速度敏感单元301包括敏感单元支架A311、惯性质量块A312、弹性梁A313、敏感光纤A314，其中，敏感光纤A314缠绕在第一加速度敏感单元301圆柱形的外表面，并通过环氧胶粘接耦合，其惯性质量块A313易于沿不锈钢圆柱体的径向产生相对振动，并且不易沿不锈钢圆柱体的轴向产生相对振动，从而使第一加速度敏感单元301对径向振动加速度敏感；第二加速度敏感单元303具有与第一加速度敏感单元301相同的组成结构，其惯性质量块A313易于沿不锈钢圆柱体的径向产生相对振动，并且不易沿不锈钢圆柱体的轴向产生相对振动，从而使第二加速度敏感单元303对径向振动加速度敏感；第三加速度敏感单元305包括敏感单元支架B321、惯性质量块B322、弹性梁B323、敏感光纤B324，敏感光纤B324缠绕在第三加速度敏感单元305的外表面，并通过环氧胶粘接耦合，其惯性质量块B323易于沿不锈钢圆柱体的轴向产生相对振动，并且不易沿不锈钢圆柱体的径向产生相对振动，从而使第三加速度敏感单元305对轴向振动加速度敏感；第一去敏连接光纤302，第二去敏连接光纤304分别缠绕于不锈钢圆柱的刚性体上，以降低加速度敏感性；各个加速度敏感单元中的敏感光纤和连接光纤为同一根光纤，其不同的部分缠绕在不同的结构上；较佳的，该光纤与传输光缆200的光纤为同一根光纤，且为单模耐弯曲光纤；

中间连接光缆400，较佳的，为具有无缝不锈钢管护套的铠装光缆，其中的光纤为松弛状态，从而具有一定的振动去敏特性，对外界振动信号不敏感，连接相邻的两组多分量光纤检波器探头300，用于信号传输；较佳的，该光纤与传输光缆200的光纤、多分量光纤检波器探头300中的光纤为同一根光纤，且为单模耐弯曲光纤；

多分量光纤检波器探头300封装于刚性密闭壳体331内，通过螺纹连接或焊接或机械夹紧的方式，与刚性密闭壳体331刚性连接，保证第一加速度敏感单元301，第二加速度敏感单元303，第三加速度敏感单元305与刚性密闭壳体321刚性连接，以便有效的拾取加速度信号；刚性密闭壳体331一般为不锈钢圆柱形外壳，两端通过螺纹或焊接或密封圈密封，传输光缆200与刚性密闭壳体331密封连接，连接方式为传输光缆200中的无缝不锈钢管与刚性密闭壳体331的一端焊接或通过金属端面密封的方式密封连接，中间连接光缆400与刚性密闭壳体331密封连接，连接方式为中间连接光缆400中的无缝不锈钢管与刚性密闭壳体331的另一端焊接或通过金属端面密封的方式密封连接，以便整体耐压，适用于油井等具有高压力的特殊环境；

本实施例中光纤的缠绕长度如下：第一加速度敏感单元301中光纤与第一去敏连接光纤302长度之和、第二加速度敏感单元303中光纤与第二去敏连接光纤304长度之和、第三加速度敏感单元305中的光纤与中间连接光缆400中的中间连接光纤401长度之和，三者长度相同；较佳的，上述光纤皆为弯曲不敏感光纤，如G657A型光纤，且为同一根光纤；

本实施例的检测原理为：多分量光纤检波器探头300与地层耦合，耦合方式为填埋、通过推靠器推靠或水泥浇筑耦合；多分量光纤检波器探头300拾取与之耦合的地层的振动信号，其加速度敏感单元在对应的振动分量加速度惯性力作用下，带动加速度敏感单元上的敏感光纤发生应变，进而导致该段光纤背向散射光在传输时的相位发生变化，通过光纤分布式声波传感解调仪100检测对应光纤段的相位变化来，实现对振动信号的测量；光纤分布式声波传感解调仪100按照光纤的长度，根据光脉冲的返回时间，输出对应的每组多分量光纤检波器探头300中第一加速度敏感单元301、第二加速度敏感单元303、第三加速度敏感单元305的解调信号，从而实现多级检波器探头和多分量加速度的检测；光纤分布式声波传感解调仪100解调的信号为瑞利散射干涉信号的相位变化，并通过测量标定还原为加速度变化量。

实施例2：

参考图4，本发明第二实施例提供的增强型复合分布式多分量光纤检波器的多分量光纤检波器探头300的结构示意图，图5，本发明第二实施例提供的增强型复合分布式多分量光纤检波器的未缠绕敏感光纤B324的第三加速度敏感单元305的结构示意图，与第一实施例的区别在于，第三加速度敏感单元305进一步包括在敏感单元支架B321和惯性质量块B322上的多组突起结构325，该突起结构325通过金属加工制作而成，敏感光纤B324缠绕在突起结构325上，并通过环氧胶粘接与之耦合，通过这种缠绕方式，可以减小敏感光纤B324与敏感单元支架B321和惯性质量块B322的相对滑动，并增大惯性质量块B322相对振动引起的敏感光纤B324的应变，从而增加对加速度信号的敏感性。

实施例3：

参考图6，本发明第三实施例提供的增强型复合分布式多分量光纤检波器的多分量光纤检波器探头300的结构示意图，第一加速度敏感单元301的敏感单元支架A311上部缠绕有第一光纤反射结构501，第一去敏连接光纤302中包括第二光纤反射结构502，第三去敏连接光纤304中包括第三光纤反射结构503，第三加速度敏感单元305的敏感单元支架B321下部缠绕有第四光纤反射结构504，较佳的，光纤反射结构为弱反射率的光纤光栅；光纤分布式声波传感解调仪100按照光纤的长度，根据各个的光纤反射结构的光信号返回时间，输出对应的每组多分量光纤检波器探头300中第一加速度敏感单元301、第二加速度敏感单元303和第三加速度敏感单元305的解调信号，解调的信号为相邻两个光纤反射结构反射干涉信号的相位变化

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发名，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于，包括：

光纤分布式声波传感解调仪（100），连接传输光缆（200），通过检测传输光缆（200）中背向瑞利散射光的相位信号来实现分布式振动或声传感；

传输光缆（200），连接光纤分布式声波传感解调仪（100）和多分量光纤检波器探头（300）；

若干组串联的多分量光纤检波器探头（300），包括依次串联的第一加速度敏感单元（301）、第一去敏连接光纤（302）、第二加速度敏感单元（303）、第三去敏连接光纤（304）、第三加速度敏感单元（305），其中，第一加速度敏感单元（301）、第二加速度敏感单元（303）、第三加速度敏感单元（305）皆为圆柱形结构，且第一加速度敏感单元（301）和第二加速度敏感单元（303）的敏感方向为圆柱形结构的径向，且方向互相垂直，第三加速度敏感单元（305）的敏感方向为圆柱形结构的轴向；

中间连接光缆（400），为振动去敏的铠装光缆，连接相邻的两组多分量光纤检波器探头（300），中间连接光缆（400）中的中间连接光纤（401）对振动不敏感。

2.根据权利要求1所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述光纤分布式声波传感解调仪（100）按照光纤的长度，根据光脉冲的返回时间，输出对应的每组多分量光纤检波器探头（300）中第一加速度敏感单元（301）、第二加速度敏感单元（303）和第三加速度敏感单元（305）的解调信号，解调的信号为瑞利散射干涉信号的相位变化。

3.根据权利要求1所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述传输光缆（200）和中间连接光缆（400）均为具有无缝不锈钢管护套的铠装光缆，其中的光纤为松弛状态的单模通讯光纤。

4.根据权利要求1所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述第一加速度敏感单元（301）中光纤与第一去敏连接光纤（302）长度之和、第二加速度敏感单元（303）中光纤与第二去敏连接光纤（304）长度之和、第三加速度敏感单元（305）中光纤与中间连接光纤（401）长度之和，三者长度相同；所用光纤为同一根光纤，其不同的部分缠绕在不同的结构上，且均为弯曲不敏感光纤。

5.根据权利要求1所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述第一加速度敏感单元（301）、第二加速度敏感单元（303）均包括通过连接杆连接两端的敏感单元支架A（311），敏感单元支架A（311）内部安装有圆柱形惯性质量块A（312）、惯性质量块A（312）通过弹性梁A（313）与敏感单元支架A（311）的两端连接，惯性质量块A（312）的外侧面上缠绕并耦合有敏感光纤A（314）；第三加速度敏感单元（305）包括通过弧形面连接两端的敏感单元支架B（321），敏感单元支架B（321）内部安装有半圆柱形惯性质量块B（322），惯性质量块B（322）通过条状弹性梁B（323）与敏感单元支架B（321）的两端连接，敏感单元支架B（321）和惯性质量块B（322）的外侧面上缠绕并耦合有敏感光纤B（324），第一加速度敏感单元（301）、第二加速度敏感单元（303）和第三加速度敏感单元（305）的骨架结构均由同一圆柱形金属结构经线切割制作而成。

6.根据权利要求1所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述第一去敏连接光纤（302）和第二去敏连接光纤（304）分别缠绕于刚性体上，且在刚性体外侧包覆有保护壳。

7.根据权利要求1所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述多分量光纤检波器探头（300）封装于刚性密闭壳体（331）内，传输光缆（200）和中间连接光缆（400）分别密封连接在刚性密闭壳体（331）的相对两端，第一加速度敏感单元（301）、第二加速度敏感单元（303）、第三加速度敏感单元（305）分别与刚性密闭壳体（331）刚性连接。

8.根据权利要求1或4所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述传输光缆（200）的光纤、多分量光纤检波器探头（300）中的光纤和中间连接光缆（400）中的中间连接光纤（401）为同一根光纤，且为单模耐弯曲光纤。

9.根据权利要求1或5所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述第一加速度敏感单元（301）上部缠绕有第一光纤反射结构（501），第一去敏连接光纤（302）中设置有第二光纤反射结构（502），第二去敏连接光纤（304）中设置有第三光纤反射结构（503），第三加速度敏感单元（305）下部缠绕有第四光纤反射结构（504），第一光纤反射结构（501）、第二光纤反射机构（502）、第三光纤发射结构（503）和第四光纤反射结构（504）均为弱反射率的光纤光栅，且一并连接光纤分布式声波传感解调仪（100）。

10.根据权利要求5所述的增强型复合分布式多分量光纤检波器，其特征在于：所述第三加速度敏感单元（305）的敏感单元支架B（321）和惯性质量块B（322）上设置有若干突起结构（325），敏感光纤B（324）缠绕在突起结构（325）上。

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