用光纤分布式声感测(das)组合检测横向声信号的制作方法
【专利摘要】一种分布式光纤声感测系统包括具有外表面的延长体、在所述外表面上以第一预定缠绕角布置的光纤，以及光连接到所述光纤的光发射和接收装置。延长体可以包括至少一个基本上平的表面和/或围绕所述体的可膨胀弹性体层，以及/或者围绕所述弹性体层的弹性体外管。有至少一个传感器垫被布置在外层中，传感器垫包括硬衬以及附着其上或嵌入其中的至少一个纵向光纤。围绕所述管可以有保护材料体，所述保护材料体可以具有包括至少一个基本上平的表面的外表面和布置在所述体中的至少一个传感器垫。
【专利说明】用光纤分布式声感测(DAS)组合检测横向声信号
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年12月15日提交的美国申请序列号61/576，192的优先权，其内容在此引用作为参考。
【技术领域】
[0003]本发明涉及光纤器件，确切地说，涉及光纤分布式声感测(DAS)组合，它适于感测声信号，尤其是与所述器件成角度或基本上垂直行进的信号的幅度和方向。
【背景技术】
[0004]为了提供在石油勘探、生产和监视的语境中的感测能力，已经作出了很多尝试，成功程度各有不同。近来，这些尝试已经包括使用光纤电缆检测声能。因为电缆典型情况下包括沿着纤维的长度包含多处反向散射不均匀的光导纤维，这样的系统通过测量从激光脉冲输入到光纤中的反向散射光允许沿着光纤进行光路长度变化的分布式测量。因为这样的系统允许分布式感测，所以它们可以被称为“分布式声感测”即“DAS”系统。DAS系统的一种用途是在地震应用中，其中在已知位置的地震源把声信号传送到地层中以及/或者被动地震源发射声能。这些信号在穿过和/或反射通过地层后在地震传感器接收。可以处理接收的信号以给出它们穿过的地层的有关信息。这种技术能够用于记录多种地震信息。另一种应用是在井中应用和流体声监视的领域中。
[0005]DAS系统典型情况下检测来自光纤中杂质或不均匀的短(1-10米)激光脉冲的反向散射。如果入射地震波使光纤变形，那么I)杂质之间的距离改变以及2)激光脉冲的速度改变。这两种结果都影响反向散射过程。通过观察反向散射信号中的变化有可能重建地震波振幅。以上结果的第一种只有在光纤被轴向拉伸或压缩时才显现。第二种结果在轴向以及径向光纤变形的情况下出现。不过第二种结果比第一种结果弱几倍。不仅如此，光纤的径向变形被光纤周围的材料显著地抑制。结果，具有直光纤的常规DAS系统主要对沿着电缆轴极化的地震波敏感，比如沿着电缆传播的压缩(P)波或者垂直于电缆传播的剪切(S)波。信号强度近似随C0S2Q而变，其中Θ是光纤轴与波传播方向(P波)之间的夹角。因此，虽然现有的各种各样已面市的DAS系统具有变化的灵敏度、动态范围、空间分辨率、线性度等，但是所有这些系统主要对轴向应变敏感。垂直于光纤轴行进的声信号往往被称为“横向”信号，并且对于P波导致对光纤的径向应变。因此，当声信号的行进方向与光纤轴之间的夹角逼近90°时，DAS电缆对信号的灵敏度变得低得多，甚至可能无法检测到它。
[0006]因此，期望提供一种改进的电缆，对垂直于其轴向行进的信号更敏感，并且能够区分径向应变与轴向应变。对横向波的灵敏度对于电缆在地表或井下的地震或微地震应用尤其重要。除了横向灵敏度之外，也期望提供三分量(3C)感测，能够从中判断出感测信号的行进方向。
【发明内容】
[0007]本发明提供用于分布式声感测的改进的光纤电缆系统，该光纤电缆系统对垂直于其轴向行进的信号更敏感，从而能够更好地区分对系统的径向应变与轴向应变。垂直于电缆轴行进的声信号往往被称为“横向”信号，并且导致对光纤的径向应变。本发明还提供了三分量(3C)感测，从中能够确定感测信号的行进方向。
[0008]根据某些实施例，分布式光纤声感测系统包括具有外表面的延长体、在所述外表面上以第一预定缠绕角布置的光纤，以及光连接到所述光纤的光发射和接收装置，用于分别把光信号发射到所述光纤中和接收来自所述光纤的反向散射的信号分量。所述系统可以进一步包括在所述外表面上以第二预定缠绕角布置的第二光纤。可以关于垂直于所述体的轴的平面测量所述缠绕角，并且其中所述第一缠绕角可以为90°而所述第二缠绕角可以小于 45。。
[0009]所述系统可以进一步包括在所述外表面上以90°与45°之间的缠绕角布置的第三光纤。所述光纤的至少一个可以包括布拉格光栅。
[0010]所述体可以具有圆形横截面或椭圆形横截面，并且可以包括围绕所述体的可膨胀弹性体层。
[0011]感测杆可以布置在延长体中，并且可以含有至少一个附加光纤。所述附加光纤可以基本上是直的、螺旋形的或正弦曲线形的。
[0012]所述系统可以进一步包括在所述感测杆与所述延长体之间的可膨胀弹性体层。作为补充或作为替代，所述系统可以包括在所述体外部并覆盖所述光纤的第一铠装层。所述第一铠装层可以具有椭圆形外部横截面。所述延长体可以具有非圆形横截面，所述非圆形横截面具有长半轴，并且所述第一铠装层可以被配置为使得其长半轴垂直于所述延长体的长半轴。
[0013]所述系统可以包括缠绕在所述第一铠装层外部的第二光纤。所述第一光纤和所述第二光纤可以界定不同的缠绕角。所述系统可以包括在所述第一铠装层外部并覆盖所述第二光纤的第二铠装层。所述铠装层的至少一个优选情况下包括聚酰胺或具有类似弹性阻抗的材料。
[0014]分布式光纤声感测系统的其他实施例包括具有包括至少一个基本上平的表面的外表面的延长体、在所述体中容纳的第一光纤以及光连接到所述光纤用于把光信号发射到所述光纤中和接收来自所述光纤的反向散射的信号分量的光发射和接收装置。所述体可以具有多边形或三角形横截面。所述第一光纤可以是正弦曲线形的并且所述系统可以包括正弦曲线形的第二光纤，界定的平面垂直于所述第一光纤的平面。所述系统可以包括第三光纤，它可以是基本上直的或螺旋形的，并且可以关于垂直于所述体的轴的平面界定缠绕角。所述缠绕角可以小于45°或小于30°。
[0015]在优选实施例中，所述基本上平的表面可以具有与所述外表面的其余部分的外貌不同的视觉外貌。
[0016]本发明的更多其他实施例包括分布式光纤声感测系统，包括内管、围绕所述内管的可膨胀弹性体层、围绕所述弹性体层并界定其中环形空间的可膨胀弹性体管以及在所述弹性体管中布置的至少一个传感器垫或条，每个传感器垫都包括硬衬以及附着其上或嵌入其中的至少一个纵向光纤。所述系统可以包括在所述弹性体管中布置的至少四个传感器垫。在所述内管中可以容纳至少一个光纤。[0017]所述内管可以包括钢管和所述弹性体层，并且所述弹性体管可以被配置为使得当其膨胀时使所述环形空间消失。所述弹性体层进一步被配置为使得当其不受约束地膨胀时，其直径超过选择为对应于地下井孔的内径的预定值。所述弹性体管可以进一步被配置为使得当其在井孔中膨胀时，使所述传感器垫被布置在所述弹性体管的外表面。在每个传感器垫中的所述纵向光纤可以是正弦曲线形的，并且/或者每个传感器垫都可以包括一条正弦曲线形的纵向光纤和一条直的纵向光纤。所述光纤的至少一个可以包含布拉格光栅。
[0018]在地表使用的分布式光纤声感测系统的更多其他实施例包括容纳至少一个光纤的内管、围绕所述管的保护材料体，所述保护材料体具有包括至少一个基本上平的表面的外表面，以及在所述体中布置的至少一个传感器垫或条，所述传感器垫包括硬衬以及附着其上或嵌入其中的至少一个纵向光纤。所述至少一个传感器垫还可以包括附着其上或嵌入其中的至少一个正弦曲线形光纤。所述系统可以包括至少两个传感器垫，每个都包括附着其上或嵌入其中的至少一个正弦曲线形光纤，并且所述两个传感器垫可以相互垂直。至少一个传感器垫可以与所述平的表面相邻。
[0019]所述内管还可以容纳至少一个输电线。所述系统可以进一步包括被配置为覆在所述体的上面并且包括至少一个臂的锚，所述臂用于把所述锚和体锚定到地表。所述臂可以是直的也可以是弯曲的。
[0020]正如本文所用，短语“沿着光纤传播”和“垂直于光纤传播”用于指声信号时，应当理解为是指沿着其传播方向极化的P波。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]为了更详细地理解本发明，请参考附图，其中:
[0022]图1是根据本发明的一个实施例构建的电缆的示意侧面图；
[0023]图2是图1中实施例的示意端面图；
[0024]图3是根据本发明另一个实施例构建的电缆的示意横截面图；
[0025]图4是根据本发明的光学感测系统在井孔中的示意轴向横截面图；
[0026]图5是图3中系统在可膨胀层膨胀后的另一幅图；
[0027]图6是图4中系统的另一幅图，显示了系统中感测杆的布置；
[0028]图7是图5中系统在第二层可膨胀层膨胀后的另一幅图；
[0029]图8是根据另一个实施例的光学感测系统的示意展示；
[0030]图9是根据另一个实施例的光学感测系统的示意展示；
[0031]图10是图9中系统的示意端面图；
[0032]图11是根据另一个实施例的光学感测系统的轴向横截面；
[0033]图12是沿着图11中线段12-12获取的横截面；
[0034]图13是图11中系统在井孔中的示意轴向横截面图；
[0035]图14显示了两层可膨胀层膨胀后图13的系统；
[0036]图15是本发明实施例的示意轴向横截面，被配置为在地表上使用；
[0037]图16和图17是与本发明一起使用的支持器件的替代实施例。
【具体实施方式】[0038]
为改进的横向灵敏度具有螺旋绕光纤的DAS电缆
[0039]本发明的一个方面包括DAS光纤，螺旋缠绕在电缆或心轴周围，以便提供改进的横向灵敏度。螺旋缠绕光纤将总是包括光纤与入射波形成相对小角度而不取决于入射角的若干部分。假设电缆和光纤理想地耦合到地层，人们便能够通过把波应变沿着光纤轴投影来确定光纤角灵敏度S。这给出:
【权利要求】
1.一种分布式光纤声感测系统,包括: 具有外表面的延长体； 在所述外表面上以第一预定缠绕角布置的光纤；以及 光连接到所述光纤的光发射和接收装置，用于分别把光信号发射到所述光纤中和接收来自所述光纤的所述信号的反向散射分量。
2.根据权利要求1的系统，进一步包括在所述外表面上以第二预定缠绕角布置的第二光纤。
3.根据权利要求2的系统，其中，关于垂直于所述体的轴的平面测量所述缠绕角，并且其中所述第一缠绕角为90°而所述第二缠绕角小于45°。
4.根据权利要求2的系统，进一步包括在所述外表面上以90°与45°之间的缠绕角布置的第三光纤。
5.根据权利要求3的系统,其中,所述光纤的至少一个包括布拉格光栅。
6.根据权利要求1的系统，其中，所述体具有圆形横截面。
7.根据权利要求1的系统，其中，所述体具有椭圆形横截面。
8.根据权利要求1的系统，进一步包括围绕所述体的可膨胀弹性体层。
9.根据权利要求1的系统，进一步包括在所述延长体中布置的感测杆并且包含至少一个附加光纤。
10.根据权利要求9的系统，其中，所述附加光纤基本上是直的。
11.根据权利要求9的系统，其中，所述附加光纤是螺旋形的。
12.根据权利要求9的系统，其中，所述附加光纤是正弦曲线形的。
13.根据权利要求9的系统，进一步包括在所述感测杆与所述延长体之间的可膨胀弹性体层。
14.根据权利要求1的系统，进一步包括在所述体外部并覆盖所述光纤的第一铠装层。
15.根据权利要求15的系统，其中，所述第一铠装层具有椭圆形外部横截面。
16.根据权利要求14的系统，其中，所述延长体具有非圆形横截面，所述非圆形横截面具有长半轴，以及所述第一铠装层被配置为使得其长半轴垂直于所述延长体的长半轴。
17.根据权利要求14的系统，进一步包括缠绕在所述第一铠装层外部的至少第二光纤。
18.根据权利要求17的系统，其中，所述第一光纤和所述第二光纤界定不同的缠绕角。
19.根据权利要求17的系统，进一步包括在所述第一铠装层外部并覆盖所述第二光纤的第二铠装层。
20.根据权利要求19的系统，其中，所述铠装层的至少一个包括聚酰胺。
21.—种分布式光纤声感测系统,包括: 内管； 围绕所述管的可膨胀弹性体层； 围绕所述弹性体层的弹性体外管；以及 在所述外管中布置的至少一个传感器垫，所述传感器垫包括硬衬以及附着其上或嵌入其中的至少一个纵向光纤。
22.根据权利要求21的系统，其中，至少四个传感器垫被布置在所述外管中。
23.根据权利要求21的系统，其中，至少一个光纤被容纳在所述内管中。
24.根据权利要求21的系统，其中，所述内管包括钢管。
25.根据权利要求21的系统，其中，所述外管与所述内管界定环形空间，以及其中所述弹性体层和所述外管被配置为所述内管膨胀时使得所述环形空间消失。
26.根据权利要求25的系统，其中，所述弹性体层进一步被配置为使得当其不受约束地膨胀时，其直径超过选择为对应于地下井孔的内径的预定值。
27.根据权利要求26的系统，其中，外管进一步被配置为在井孔中部署所述系统并且所述弹性体层膨胀时，所述至少一个传感器垫被布置在所述弹性体管的外表面。
28.根据权利要求21的系统，其中，在每个传感器垫中的纵向光纤是正弦曲线形的。
29.根据权利要求21的系统，其中，每个传感器垫都包括一条正弦曲线形纵向光纤和一条直的纵向光纤。
30.根据权利要求21的系统,其中，至少一个光纤包含布拉格光栅。
31.一种在地表使用的分布式光纤声感测系统,包括: 容纳至少一个光纤的内管； 围绕所述管的保护材料体，所述体具有包括至少一个基本上平的表面的外表面；以及 在所述体中布置的至少一个传感器垫，所述传感器垫包括硬衬以及附着其上或嵌入其中的至少一个纵向光纤。
32.根据权利要求31的系统，其中，至少一个传感器垫还包括附着其上或嵌入其中的至少一个正弦曲线形光纤。
33.根据权利要求31的系统，其中，至少两个传感器垫各自包括附着其上或嵌入其中的至少一个正弦曲线形光纤。
34.根据权利要求33的系统，其中，所述传感器垫相互垂直。
35.根据权利要求31的系统，其中，至少一个传感器垫与所述平的表面相邻。
36.根据权利要求31的系统，其中，所述内管还容纳至少一个输电线。
37.根据权利要求31的系统，进一步包括锚，所述锚被配置为覆在所述体的上面并且包括至少一个臂，所述臂用于把所述锚和体锚定到地表。
38.根据权利要求36的系统，其中，所述臂是直的。
39.根据权利要求36的系统，其中，所述臂是弯曲的。
40.根据权利要求31的系统，其中，至少三个传感器垫被布置在所述体中，所述传感器垫包括硬衬以及附着其上或嵌入其中的至少一个纵向光纤。
【文档编号】G01S3/80GK103988089SQ201280061525
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月13日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】J·J·邓·波尔, A·A·马特瓦, J·G·皮尔瑟, J·J·梅斯塔耶尔, W·伯奇, J·L·洛佩兹, K·霍尔曼, B·N·库弗史诺夫 申请人:国际壳牌研究有限公司