传感器阵列的制作方法
【专利摘要】一种用于监控海底储层的设备，包括：多个传感器单元，位于海床上的阵列（1）中；以及询问器单元，用于从所述传感器单元获取关于储层的数据。所述询问器单元包括：发射器单元（20），用于将光信号发送至传感器阵列；以及接收器单元，用于从所述阵列接收已调制的光信号。来自光源（22）的光辐射沿着上行光纤传输，所述上行光纤在多个位置（36、38）处被分路以形成所述阵列。所述接收器单元包括：光电转换器（54），用于将光信号转换成电信号；相位解调器（58）；多路复用器（60），用于多路复用来自所述相位解调器的信号；信号处理器（68）；以及记录单元（70）。所述询问器单元被分为：集中器，包括一个或多个分路器和光电转换器、相位解调器等；以及询问器中心，包括所述光源。
【专利说明】传感器阵列
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器阵列，尤其涉及位于难以访问其内的传感器阵列的环境中的无源光学传感器阵列。本发明特别适用于海底地震传感器阵列，但应该理解本发明可与其他类型的传感器一起使用。例如，该阵列可与电场传感器一起使用，用于通过电场的变化确定石油的存在，因为含石油的岩石的导电率会发生变化。在其他系统中，该阵列可为包含多个用于检测未授权船舶的水听器的安全预警系统的一部分。
【背景技术】
[0002]海底地震传感器阵列广泛用于海床下方油气藏的勘探和监控。在这些地震监控技术中，将加速计和/或水听器的阵列作为遥感器组件布置在海床上并用于检测反射回的地震波，对结果进行分析以提供与海床下方地理结构的性质和状态有关的信息。
[0003]典型地，沿着多根彼此间隔开的光缆布置大量传感器(例如16000个或更多个传感器)，以形成延伸遍及一大片区域(例如100平方公里或更大面积的区域)的ニ维阵列。在ー种布置形式(可称为“4C”传感器単元)中，在正交方向上布置三个地震振动传感器以及一个水听器，以形成光学传感单元(0SU)，并且沿着以间距隔开的光线设置多个光学传感单元，该间距在例如20-100米的范围内。多条线(例如30条线，但也可使用更多条或更少条线)可从位于海床上的集线器(hub)开始，在彼此大致平行的方向上以彼此间隔的方式延伸例如100-500米，以形成所述阵列。所述集线器可通过光缆连接至位于勘探或生产平台或浮式生产储油卸油船(FPSO)上的询问器，该询问器通过反射计或其他干渉装置监控传感器。对于从集线器开始延伸的每根线，光缆将包含至少ー根光纤(典型地为ー对光纤)。在操作中，该询问器沿着缆线发送光脉冲，该光脉冲在集线器处分裂，然后沿着各条线被发送至光学传感器単元。振动传感器可包括一段围绕柔性绕线模缠绕的光纤以形成线圈，并且各光线可包含例如由镜子形成的反射器，该反射器将与该线绞接的光纤封端，优选位于传感器的上游或下游。当外部压カ发生变化时，光纤线圈被压缩或释放，由此改变线圈中光纤的长度。如果沿着光纤发送信号，则该信号会沿着该线在每面镜子处被部分反射折回，使得该信号，例如该信号中依赖于各反射器之间距离的相移，受到任何地震活动的影响。以这种方式，由气枪或该阵列附近的其他爆破引起的任何机械冲カ都将引起由阵列中的传感器反射的信号中的相位变化，通过询问器观察这种变化。
[0004]考虑到存在大量传感器単元，沿光线发送的信号通常将被多路复用，一般是时分复用和波分复用。
[0005]由此，该系统的询问器典型地包括:发射器，具有大量(例如，16个)用于形成光信号的诸如激光的光源和光开关；以及接收器，用于接收并处理被反射的光信号。该接收器将需要对从该传感器阵列的不同光线获得的大量波分复用流和时分复用流进行反多路转换，将光信号转换成电信号，将电信号数码化并将其向前传输或存储。询问器通常是该系统中仅有的包含电子设备或需要电能的部件。
[0006]这种传感器阵列可包括大量光纤对，例如取决于阵列的大小100-200对或更多，在一些情况下甚至可高达700根光纤，并且这些光纤将以从海床大致垂直延伸的垂直光缆(riser cable)的形式、从集线器开始延伸到钻井平台或FPSO，但也可能存在重要的水平组件，缆线将从该水平组件上延伸至位于钻井平台或FPSO上的询问器的接收器单元。
[0007]尽管这种系统通常在实践中运行良好，但它们可能存在许多问题。例如，在一些设计形式中，传感器阵列与询问器间隔很长的距离，这可能需要在询问器和阵列之间的IOOkm或更大区域中延伸的、具有100-200个光纤对的垂直光缆，这是不实际且非常昂贵的。在其他环境下，钻井平台或FPSO可能采用现有的光缆从阵列接收数据，这种情况下垂直光缆中可能没有足够多的光纤。例如，许多设施会采用现有的仅具有大约六根光纤的光缆。在其他情况下，可能难以直接将光缆中的光纤从垂直光缆连接到询问器，并且在很多情况下，这种垂直光缆的封端是不可能的。例如，在FPSO的情况下，垂直光缆可能是从固定转盘伸出的，而由于潮汐和洋流等，询问器的其余部分将位于可围绕该转盘至少旋转至有限程度的油船上。这常常需要一些装置(例如滑环，其也被称为光纤旋转接头)来使光纤围绕垂直光缆的轴线至少旋转至有限程度，以使光纤在垂直光缆和FPSO上的询问器之间延伸。然而，这种滑环典型地仅容纳少量光纤，即使是能被滑环容纳的最大量(在此处为31根)的光纤也仅仅是典型的垂直光缆中的光纤数量的小部分，从而将需要七个滑环。而且，许多情况下，这种滑环的规格不足以满足地震光纤阵列的需要，因为双向插入损耗可为9dB，这在某些情况下会引起60dB以上的阵列插入损耗。此外,滑环的最小回波损耗可为18dB,这意味着可将背面反射发送给阵列从而降低其性能，或者可能需要隔离器以防止这种背面反射。最后，询问器的物理尺寸可能相当大，约为2立方米或3立方米，并且在钻井平台或FPSO上可能没有足够的用于询问器的空间。
【发明内容】
[0008]根据一个方面，本发明提供了一种用于监控海底储层的传感器设备，包括:
[0009]传感器阵列，包括位于或将位于待监控的储层区中海床区域上方的多个传感器单元；以及，
[0010]询问器单元，用于从所述传感器单元获取关于储层的数据，所述询问器单元包括:发射器单元，用于将光信号发送至传感器阵列；以及接收器单元，用于响应于所传输的光信号，从阵列接收已调制的光信号。
[0011]所述发射器单元包括:光开关，例如声光调制器(Α0Μ)，用于从光源接收光辐射并沿着上行光纤传输由此生成的光信号；以及至少一个分路器，用于将所述上行光纤分路成多根延伸至待监控区域上方的传感器的光纤；并且
[0012]所述接收器单元包括:光电转换器，用于将来自阵列的每根光纤的光信号转换成电信号；相位解调器；多路复用器，用于多路复用来自所述相位解调器的电信号；以及信号处理和记录单元，用于记录被多路复用的信号。
[0013]所述询问器单元可被划分成集中器和询问器中心(interrogator hub);所述集中器包括所述分路器以及所述接收器单元的光电转换器、相位解调器和多路复用器；并且所述询问器中心包括所述发射器单元的光源和光开关以及所述信号处理和记录单元，使得所述光源、所述光开关以及所述信号处理和记录单元可以位于钻井平台或海岸上，并且使得所述光电转换器、所述相位解调器和所述多路复用器可以位于海床上。[0014]所述询问器单元可包括用于沿着单线或以无线方式将来自所述集中器或每个集中器的信号传输至所述询问器中心的装置。
[0015]根据本发明的传感器设备具有以下优势:通过将接收器，并且优选地将发射器和接收器划分成在水下(集中器)和在水上(询问器中心)的两个部分，并且通过多路复用来自接收器的水下部分中的传感器阵列的信号，使得在询问器的浸没部分和表面部分之间延伸的垂直光缆只需要少量光纤。在询问器的浸没部分和表面部分之间延伸的垂直光缆中光纤的具体数目将取决于设备的具体设计，但有可能在上行(即，从发射器到阵列)中仅采用单根光纤并且在下行中采用另一根光纤(除非信号是以无线方式从集中器传输到询问器中心的)以使垂直光缆仅包含一对光纤。取决于下文中说明的情况，可能需要或适合采用其他光纤。
[0016]从询问器中心延伸至阵列的光纤优选在空间上设置于从该阵列延伸至该询问器中心的回送光纤的近端，并且尤其设置在一起，从而借助于由光纤对形成的光缆将传感器连接至集线器。此外，询问器单元可具有大量配置。例如，在一种设计中，其可能仅具有一个集中器，多根光纤从该集中器延伸至传感器阵列，阵列的每条线由一对光纤形成。在另一种设计中，由相对少量的光纤形成的光缆可从询问器中心延伸至无源集线器并在该处分支成更多根光缆，每根光缆从无源集线器延伸至集中器并典型地具有两根光纤(一根是上行光纤，携载发射脉冲；另一根是下行光纤，包含数字化的传感器数据)。光纤从每个集中器延伸至如上所述的阵列。这种阵列设计中，垂直光缆将包含两根以上的光纤，例如高达6根或8根光纤或甚至更多，但并没有现有技术系统中采用的光纤那么多。阵列也可能具有其他配置。
[0017]在一些情况下，可能存在其他光纤。例如用于发送定时信号从而同步发射器和接收器的光纤。例如可能存在用于同步的其他光纤，其直接从询问器中心的发射器延伸至接收器的浸没部分，也就是说，绕开传感器阵列，但这种设置并不是优选的，因为其将增加垂直光缆中光纤的数量。可替代地，询问器中心的同步单元可沿着沿垂直光缆延伸的上行光纤或下行光纤，将定时信号发送至发射器中声光调制器并发送至接收器单元中相位解调器和/或多路复用器。在又一种设置中，可沿着在阵列中一个或多个传感器的发射器侧上延伸的光纤，将定时信号发送至相位解调器，该相位解调器例如临近于从阵列延伸的下行光纤。完整的阵列仅需要一根这样的光纤。此外，垂直光缆中的不同光纤有可能在传感器阵列的不同部分之间往返传送信号，这取决于阵列的布局，但在这种情况下垂直光缆中不太可能存在多于6-8根的光纤。
[0018]询问器的集中器有可能永久固定于海床，尤其是在其电子部件相对简单的情况下，但集中器能够设置在潜水式防水模块中并且该防水模块可上浮至钻井平台或FPSO以进行维护或修理，除此之外都保持在海床上。这种模块可设有堆装/展开装置，以在该模块浮起时堆装垂直光缆并在模块下沉至海床时展开该垂直光缆。
[0019]当需要对集中器供电时，可经由与询问器中心之间的链路通过与平台海岸或其他海床位置分开的电缆供电，或可经由自给电池供电。
[0020]尽管询问器中心和集中器的位置常常彼此靠近(一个在水面上，一个在水下)，但集中器和询问器中心也有可能彼此分开设置，甚至彼此间隔很大距离，例如长达IOOkm等。
[0021]尽管集中器通常位于水下且询问器中心通常位于水面上，但在某些情况下，二者都可位于水面上，例如，当集线器位于固定塔楼上且询问器中心位于浮式生产平台(FPSO)上时。在这些情况下，集中器一般位于空间和电源要求可能有限的位置处，并且应该将连接在集中器和询问器中心之间的光纤的数量降低到最少。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面将参照附图以示例方式描述根据本发明的一种设备形式，附图中:
[0023]图1为传统的地震传感器设备的示意图；
[0024]图2为根据本发明的传感器阵列的一种布置形式的示意图；
[0025]图3为根据本发明的传感器阵列的另一种布置形式的示意图；
[0026]图4为可使用根据本发明的设备的FPSO的示意图；
[0027]图5为示出了根据本发明的设备的主要部件的原理图；
[0028]图6为示出了图5中使用导数传感器技术(DST)的设备的部件的示意图；以及
[0029]图7为采用了潜水式模块的设备的示意图。
【具体实施方式】
[0030]参照图1可见海洋石油平台7，其通过支柱支撑在海床上。为了检测海底储层中的变化，在海床上布置了 GB2449941中描述的地震传感器阵列I。地震传感器阵列包括多根地震缆线2，每根地震缆线2可由多个模块3形成，这些模块3通过接头元件4连接并包含多个沿缆线彼此间隔的传感器单元5。连接地震缆线2通向无源集线器8，在无源集线器8处所有的地震缆线2都聚集在一起以形成垂直光缆，该垂直光缆从集线器8延伸至钻井平台7上的操作系统6。由操作系统或询问器6中的发射器生成信号，将该信号发送至传感器单元5并接收来自操作系统6的传感器单元5的回送信号，在操作系统6中对该回送信号进行分析以确定海床下方结构的性质。如上文中所指出的，这种阵列形式具有以下缺陷:该垂直光缆将需要采用大量光纤，例如50-200根光纤或更多。
[0031]如图2所示，示出了与图1中所示类似的另一种传感器阵列形式，其中垂直光缆10仅包括从询问器中心11延伸的一对光纤，该询问器中心11位于钻井平台上并包括发射器单元和接收器单元。该缆线延伸至位于钻井平台区中海床上的集中器12，缆线中的光纤在该集中器12处被分路以形成多个分离的地震缆线14，对应于图1中从集中器开始延伸遍及感兴趣区的缆线2。此外，滑环15可位于询问器中心处，以适应垂直光缆和询问器中心之间的相对旋转运动。
[0032]图3中示出了传感器的可替代布置，其中，在该情况下垂直光缆10包括6根从询问器中心11延伸至无源集线器16的光纤，光纤在无源集线器16处被分成三根分离的光缆17，每根光缆具有一对光纤。每根光缆17延伸至集中器12，该光缆中的光纤如之前在该集中器12处被分路以形成多根地震缆线14。
[0033]传感器中可采用的传感器单元5典型地包括水听器和设置在正交方向上的3个地震传感器。每个地震传感器为线圈的形式，该线圈具有缠绕绕线模的光纤，当经受地震振动时，该绕线模的直径将发生轻微变化，使得光纤线圈的长度也发生变化。在光纤线圈之间设置镜子或诸如布拉格光栅的其他反射装置，使得沿光纤发送的信号将被每面镜子反射以形成脉冲对，该脉冲对的分解将取决于光纤缠绕的长度。这种包括水听器和3个正交地震传感器的传感器单元可称为光学传感单元(OSU)。传感器还可以本领域公知的其他方式连接，例如，以可传送的耦合配置连接。
[0034]地震传感器和水听器为光纤装置，并且连接缆线将包括多根光纤，用于将每个传感器单元的传感器连接至链路中邻近的传感器。在一个实施例中，一段连续的缆线2可连接部署装置中的所有传感器单元。缆线可具有沿其长度方向延伸的多个光纤对，并且可在每个传感器单元处将单根光纤从缆线中拽出并将其连接至该传感器单元中的传感器。
[0035]每个光学传感单元(OSU)将需要4个信道(每个地震传感器和水听器各需要一个)，并且OSU可以4个为一组布置，每组需要16个光信道。便利地，这可通过时分复用实现，其中对输入光信号进行脉冲调制，并且以飞行时间区分来自不同传感器的回送光脉冲。询问所有的光学传感单元所需的额外的多路复用是借助于波分复用实现的，其中将具有多个(典型地为16个)不同波长的脉冲发送到系统中，并且使用公知的波长可选组件将每个波长路由到单独的时分复用传感器组上。因此，所接收到的由光学传感单元发送给接收器的信号是大量的时分复用和波分复用流。来自每个传感器的光信号包含来自该传感器的编码为相位调制的数据。典型地，接收器可接收大约30个不同的TDM/WDM流，对应于480个信道。在欧洲专利EP1169619B1中描述了这种结构的一种实施例。
[0036]除了如图1中所示地布置在固定产油平台上之外，该设备可以封端方式设置在浮式生产储油卸油船(FPSO)上，如图4中示意性所示的。其本质上是具有垂直光缆延伸穿过的固定塔楼11的船10。该船借助于缆线14被栓系，但也可凭借海浪、洋流和潮汐而发生一定程度的偏航，从而船10可围绕固定塔楼11旋转。询问器16位于船上。
[0037]图5是示出了根据本发明的设备的主要布置的原理图。该设备包括询问器，该询问器构成了原理图中的主要部分，包括通过垂直光缆彼此连接的询问器中心20和集中器。如图2和图3所示，询问器向传感器阵列发送信号(仅示出了其一条线1)，并且接收、处理和存储来自阵列的回送信号。询问器包括用于向阵列发送光驱动信号的发射器；该发射器包括用于生成固定光信号的高规格激光源22以及用于对光信号进行脉冲调制和频移的声光调制器(AOM) 24 (或其他合适的光开关，例如电光开关)。典型地，AOM将产生脉冲对，其中一个脉冲被延时并相对于第一个脉冲具有典型为50KHz的频移，该脉冲对从发射器发送至阵列，从而通过位于阵列内OSU的传感器线圈之间的镜子来反射脉冲序列。如果第二个脉冲的时延对应于脉冲穿过两面镜子之间的一个线圈所花费的时间并且如果其在返回时被线圈远侧上的镜子反射，则将生成这样的脉冲:其是初始脉冲和由阵列中不同镜子反射的延时脉冲26的叠加，这种叠加脉冲以不同的频率(典型为50kHz)携载来自那些镜子之间的传感器的相位信息作为载波频率的相位调制。该脉冲对26的重复率典型为200kHz，并且这一频率可借助于放大器28被放大。询问器可能还需要生成定时或同步信号30，其被发送给发射器的AOM以及集中器。激光源22、A0M24和可能存在的任意放大器28通常将位于钻井平台上或FPSO上的询问器中心20内。该设备包括光纤32，优选为单根光纤，其构成垂直光缆的一部分，并从钻井平台或FPSO向下延伸至位于钻井平台区中海床上的集中器。通常，在集中器中设有多个分路器，例如1:2分路器36，并且针对来自分路器36的每根光纤设有1:16分路器38,而且还设有1:2分路器40以将光纤32分裂成64根光纤。光纤可被分路成任意适当数量的光纤，但通常被分路成大约128根光纤。此外，还可设置放大器42、44。可借助于光放大器直接放大光信号,例如掺铒光纤放大器(EDFA)。所采用的任意放大器也可以是分布式光放大器，其沿着询问器和阵列I之间的部分或整个链路持续放大光信号。
[0038]该阵列包括形成在每条阵列线中的光学传感单元(OSU)的二维阵列，并且每个传感单元包括一个水听器和三个正交导向的地震振动传感器，该振动传感器典型地由镜子分开，使得由该镜子反射的信号的延迟、以及相应地其相位的变化将取决于由OSU检测到的参数。该传感器还可以其他配置连接，从而允许测量各个传感器的光相变化。
[0039]在离开阵列之后，光纤返回至集中器。为清楚起见，仅示出了单根离开阵列线I的光纤50，同样也仅示出了单根进入阵列的光纤46，但如上所述，典型地将采用64根至128根光纤。在离开阵列之后，信号可由另一放大器52 (针对离开阵列的每根光纤50为一个)放大，该放大器52典型地将位于集中器内，或者，如果采用分布式放大器，则可能位于集中器外。在放大后，信号被传递给光电转换器，该光电转换器典型地包括由p-1-n 二极管或雪崩光电二极管54形成的检测器。如此产生的电信号被发送至A/D转换器56，从而例如以200kHz对该信号进行采样，然后对该信号进行数字化并将数字信号传递给相位解调器58。在一个实施方式中，信号将具有50kHz的载波频率，通过典型地在5-500HZ的频率范围内的地震信号对该信号进行相位调制。
[0040]在相位解调后，借助于多路复用器60多路复用来自光纤50的信号以及来自阵列的所有其他光纤52上的信号，该多路复用器60也接收由询问器中心发送的定时信号。作为直接向接收器发送定时信号的替代方案，可在通过发射器将定时信号发送给阵列之前对发送给阵列线的定时信号进行检测，然后通过光纤57将该定时信号发送给相位解调器58。然后，通过二极管或激光将多路复用信号转换成光信号。可通过电学方式、光学方式或二者的混合来执行多路复用，并且优选地，离开潜水式模块的光纤上的信号将被波分复用(WDM)，尤其是密集波分复用(DWDM)，其中例如可在1550nm的带宽上通过单根光纤携载多达128个信号。
[0041 ] 然后，DffDM信号被垂直光缆中单根光纤64携载至钻井平台或FPS0，在钻井平台或FPSO上DWDM信号借助于光电探测器66被转换成电信号并被发送至信号处理模块68,在信号处理模块68中数据被记录并存储在光盘70上(如有必要)。通常，在物理上，信号处理模块68和光盘或其他记录装置将在同一个询问模块或外壳内彼此靠近，但如上所述地，询问器的发射器和接收器也可在物理上以相当长距离分开。类似地，接收器的不同部分有可能被集中器和询问器中心分隔。例如，接收器有可能包括通信模块，用于打包多路复用信号并使用数字数据通信中公知的技术沿着传输信道将信号作为单个数据流发送给记录器70。虽然通信模块通常借助于缆线、尤其是光缆发送来自解调器的数据，但通信模块可以是可操作的，以借助于例如卫星链路或微波链路的任何合适的装置发送来自解调器58和多路复用器60的数据。该缆线可以是与垂直光缆相同或不同的缆线。
[0042]对于典型的阵列，接收器将接收16个时分复用数据流，使用单独的光电二极管54将每个时分复用数据流转换成电信号。这些信号在16个波长处被WDM多路复用，生成256个TDM数据流。电气数据流被数字化，以通过相位调制器58生成256个时域多路复用相位调制输出。在典型的外差调制系统中，每个信道将具有50kHz的外差载波频率并且将以200kHz的采样频率被采样，但相位调制数据也可能具有其他配置。将有必要以足够高的速率对数据进行多路复用，以确保已捕获到调制数据的整个带宽，从而允许对数据进行精确解调。例如，在典型的系统中，数据采样率为50kHz (其中32bit/采样)，每个波长16个信道并且使用16个不同的波长，对于每条传感器线，这将以0.4Gbits/s生成信号。如果如上所述地采用64条传感器线，这将获得沿光纤64传输的26Gbits/s的整体数据传输率。显然，可选择其他数据采样率或甚至数据压缩技术来获得不同的整体数据传输率。
[0043]由此，根据本发明的设备仅通过少量光纤使阵列I连接至询问器的主要部分(询问器中心)，即，具有相当大尺寸的那些部分或涉及相当多电子信号处理的部分，从而可使用传统滑环；或者，根据光纤的包装形式，甚至可免除滑环的使用并可通过光纤的弯折来适应系统中光纤方向上的任何变化。如上文中参照图5所描述的，集中器可置于海床上的防水模块内，这仅需要少量光纤以及对询问器供电。询问器可包括堆装的多路垂直光缆，将多路复用光电设备连接至阵列缆线。
[0044]在图7中示例性地示出了这种集中器的形式。此处集中器形成为钻井平台82上的永久设施80 (B卩，询问器中心)并包括潜水式模块84 (其内存放集中器)，该潜水式模块84通过垂直光缆9连接至永久设施80，该垂直光缆9包括光纤32和64，并且可选择地还包括任意电缆。潜水式模块内将存放询问器的那些位于水下的部件，典型地为接收器、解调器和多路复用器，并且优选地还有如上所述的发射器部件。潜水式模块内的那些询问器部件的总体积约为0.2立方米，大大小于整个询问器的体积(至少3立方米)。潜水式模块可包括卷筒或其他用于堆装垂直光缆的装置，当模块提升到钻井平台82上时，该装置能够收起垂直光缆，并且在需要时放出连接至阵列的其他缆线，以适应模块的位置变化。类似地，模块可被设置成在其从钻井平台下降到海床上时放出垂直光缆9并收起附接到阵列上的任意其他缆线。潜水式模块通常将位于海床上，但其也可在水柱的任意位置处使用。
[0045]在其他情况下，有可能采用多光纤垂直光缆，其为阵列的每个传感器提供一根光纤，并且有可能借助于传统滑环、使用朝向FPSO的主要部分上的询问器单元的单根光纤，将终端(包括相位解调器和多路复用器)安置在FPSO的固定塔楼上。如有必要，采用了潜水式模块的终端可以与FPSO —起使用。
[0046]如图3所示，有可能使用一个以上的集中器。在这种情况下，各个集中器12通过传输光纤和回送数据链、经由无源集线器16连接至询问器中心11，该无源集线器16将各个传输光纤和回送光纤(如果使用)组合为单根垂直光缆6。可替代地，集中器12可经由设置为环的单根缆线连接，该单根缆线将所有的集中器连接至该无源集线器。可设置该环以使得信号可在围绕该环的任一方向上传输。
[0047]如参照图5所述地，传感器阵列沿着光纤50将相位调制光脉冲发送给接收器，该相位调制光脉冲的相位调制幅度取决于传感器的输出。然而，返回的脉冲有可能具有过高的相位调制幅度并且有可能致使基于相位而传感到的信息失真，这会导致解调过程失败。根据本发明的优选方面，传感器阵列的传感器可以是可操作的，以生成导数信号(即，依赖于相位变化率的信号)，不同于此或除此以外，生成依赖于相位幅度的信号。例如，这可以通过W02008/110780中所描述的实现，其公开内容通过引用并入于此。在这种情况下，由于除相位幅度信号之外还发送了两个导数信号，将存在近似三个数据流而不是一个，并且系统将需要三倍带宽。导数回送脉冲(其依赖于相位变化率)将具有比依赖于相位幅度的脉冲低得多的相位调制幅度，并且因此可代替幅度回送脉冲使用。在这种情况下，设备有可能凭借高敏幅度回送脉冲(如有需要)而具有大得多的动态范围，不然，凭借低敏导数回送脉冲。
[0048]有可能通过改变初始信号的时间间隔来改变回送信号的灵敏度，并由此增加系统的动态范围。此外，如W02010/023434(其公开内容也通过引用并入于此)所描述的，用于从传感器回送信号的光纤可被分路，从而可将光发送给两个不同的干涉仪，这两个干涉仪沿着回送光纤50反射光。一个干涉仪可具有相对较大的路径不平衡(例如，20m或200ns);而另一个干涉仪可具有小得多的路径不平衡(例如，lm)，其将小于脉冲持续时间并因此改变信号的动态值。其结果是，导数传感器技术有可能生成具有一定敏感度范围的回送脉冲，该范围从基于反射信号幅度的高敏回送信号到基于反射信号相位导数的中、低敏回送信号。
[0049]尽管导数传感器技术可用于生成具有三种不同灵敏度的回送信号，但也可通过同一光纤来携载WDM回送信号中每个不同波长的不同灵敏度信号。例如，一根光纤可用于携载中敏回送信号(称为“长”DST信号)，而另一根光纤可用于携载全敏和低敏回送信号(分别称为“正常”和“短” DST信号)。
[0050]如图6所示，两根光纤可彼此平行延伸。单根光纤46将脉冲从发射器20传输给集中器中的多个干涉仪5以生成三个信号:一个为光纤50 (I)上的中敏DST导数输出(称为长输出)，一个是全敏幅度输出(称为正常输出)，还有一个是低敏导数输出(称为短输出)，这三个信号在光纤50 (2)上被多路复用。在这种情况下，分开的线中的每条线都被转换成电信号，根据需要被放大，以200kHz的采样率被数字化，通过相位解调器58进行相位解调，并在通过多路复用器60与彼此以及与来自阵列中其他OSU的信号多路复用之前分别被降低采样至IkHz的采样率。已从询问器中心沿着垂直光缆向下发送并被多路复用器60接收的定时信号沿着线72被发送至相位解调器58。在此设备中，将以50kHz的数据传输率计算50kHz的同步信号和输入数据之间的相位延迟。由图5中光纤50和53从四条阵列线处以近似1.5Gbit/s接收到的数据将通过多路复用器60被多路复用，从而以5.84Gbit/s为每个波长生成可由IOGbit的以太线或其他传输协议传送的净负荷。然后，通过多路复用器61使用密集波分复用(DWDM)技术多路复用来自16条线的数据，以允许在单根回送光纤上多路复用来自64个光纤对的数据。
【权利要求】
1.ー种用于监控海底储层的传感器设备，包括: 传感器阵列，包括位于或将位于待监控的储层区中海床区域上方的多个传感器単元；以及， 询问器単元，用于从所述传感器単元获取关于储层的数据，所述询问器単元包括:发射器単元，用于将光信号发送至所述传感器阵列；以及接收器单元，用于响应于所传输的光信号，从所述阵列接收已调制的光信号； 所述发射器単元包括:光开关，用于从光源接收光辐射并沿着上行光纤传输由此生成的光信号；以及至少ー个分路器，用于将所述上行光纤分路成多根延伸至待监控区域上方的传感器的光纤；并且 所述接收器単元包括:光电转换器，用于将来自所述阵列的每根光纤的光信号转换成电信号；相位解调器；多路复用器，用于多路复用来自所述相位解调器的电信号；以及信号处理和记录单元，用于记录被多路复用的信号； 所述询问器単元被分成询问器中心和至少ー个集中器；一个或多个所述集中器包括一个或多个所述分路器，所述发射器単元的任意放大器，以及所述接收器単元的所述光电转换器、所述相位解调器和所述多路复用器；并且所述询问器中心包括:所述发射器単元的光源和光开关，以及所述接收器単元的所述信号处理和记录单元，使得所述询问器中心可以位于钻井平台或海岸上，并且使得所述集中器或每个集中器可以位于水下任意位置处的海床上或位干与所述询问器中心分离的位置处的钻井平台上； 所述询问器単元包括用于沿着单线或以无线方式将来自所述集中器或每个集中器的信号传输至所述询问器中心的装置。
2.如权利要求1所述的传感器设备，其中用于从所述集中器或每个集中器传输信号的装置是可操作的以沿着单线传输信号。
3.如权利要求1或2所述的传感器设备，其中从所述询问器中心延伸至所述阵列的一根或多根光纤与从所述阵列延伸至所述询问器中心的任意一根或多根回送光纤以垂直光缆的形式布置在一起。
4.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中所述集中器包括ー个或多个光放大器。
5.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中所述询问器中心包括同步单元，该同步单元用于生成定时信号以同步发射器和接收器。
6.如权利要求5所述的传感器设备，包括绕开所述传感器阵列而直接从所述询问器中心中的发射器延伸至所述集中器的其他光纤，所述其他光纤用于发送任意定时信号。
7.如根据权利要求3的权利要求5所述的传感器设备，是可操作的，以沿着沿所述垂直光缆延伸的上行光纤或下行光纤，将来自所述询问器中心中的同步单元的定时信号发送至所述发射器単元中的开关，以及发送至所述接收器単元中的相位解调器和/或多路复用器。
8.如权利要求5所述的传感器设备，是可操作的，以沿着所述阵列中一个或多个传感器的发射器侧上延伸的光纤，将定时信号发送至所述相位解调器。
9.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中所述上行光纤至少延伸30km。
10.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中所述询问器中心中的所述发射器単元和所述接收器単元是设置在一起的。
11.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中所述集中器能够被提升至海面。
12.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中在所述集中器和所述询问器中心之间延伸的所述上行光纤和所述下行光纤是经由光学滑环延伸的。
13.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中所述询问器中心位于浮式生产储油卸油船上。
14.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中所述阵列的所述传感器単元被设置成:响应于待监控的參数，致使张カ施加到光纤上。
15.如权利要求14所述的传感器设备，其中所述阵列的所述传感器単元包括线圈，所述线圈内缠绕有光纤，并且所述线圈是可操作的，以通过地震活动在所述光纤上施加张カ。
16.如权利要求14或15所述的传感器设备，其中所述阵列的所述传感器单元是可操作的，以除幅度信号之外还生成时间导数信号。
17.如权利要求16所述的传感器设备,包括一根用于传输时间导数信号的下行光纤和一根用于传输幅度信号的光纤。
18.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中经由来自钻井平台或其他海床位置的缆线向所述至少ー个集中器供电。
19.如前述任一项权利要求所述的传感器设备，其中经由所述集中器内或临近所述集中器的自给电池向所述至少ー个集中器供电。
20.一种监控海底储层的·方法，其中传感器阵列包括位于待监控的储层区中海床区域上方的多个传感器単元；所述方法包括: 在询问器单元处，通过将光信号发送至所述传感器阵列，从所述传感器单元获取关于储层的数据；响应于所传输的光信号，从所述阵列接收已调制的光信号，所述光信号由光源生成并沿上行光纤发送，并且所述上行光纤被分路成多根延伸至待监控区域上方的传感器的光纤；将从所述阵列的每根光纤接收到的已调制的光信号转换成电信号，相位解调并多路复用所述电信号和被多路复用的信号； 将询问器単元分成询问器中心和至少ー个集中器；一个或多个所述集中器包括ー个或多个分路器以及用于将光信号转换成电信号并所接收的信号进行相位解调和多路复用的装置；所述询问器中心包括发射器単元的光源和用于记录所接收的信号的装置；其中，所述询问器中心可位于钻井平台上或海岸上，并且所述集中器或每个集中器可位于水下任何位置处的海床上，或可位干与所述询问器中心分离的位置处的钻井平台上； 所述方法包括:沿着单线或以无线方式，将来自所述集中器或每个集中器的信号传输至所述询问器中心。
【文档编号】G01V1/38GK103597375SQ201280012837
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年3月12日 优先权日:2011年3月11日
【发明者】菲利普·约翰·纳什, 爱德华·奥斯汀, 弗兰克·艾森赫韦尔, 理查德·勒夫 申请人:Tgs地球物理（英国）有限公司