分布式光纤声波振动传感系统研发及应用

（中石油新疆油田分公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000）

引言

分布式光纤传感原理是基于光在光纤传输过程中，散射光的性质[1-2]（强度、相位）等在受到外界扰动的情况下将发生变化，通过探测散射光的变化情况可获取外界扰动的信息。光在光纤中的背向散射主要有布里渊（Brillouin）散射、拉曼（Raman）散射和瑞利（Rayleigh）散射，其中前两种为非弹性散射，即散射光相比于入射光发生了频移，而Rayleigh 散射为弹性散射，即散射光的频率与入射光的频率相同。基于Rayleigh 散射构建的光纤传感器最典型的代表为光时域反射仪[3-4]（optical time domain reflectometer,ODTR），ODTR使用的光源为宽谱光源，因此其背向散射光之间不会发生干涉，根据光纤中两点间散射返回光率的大小即可得到两点间的损耗，通常用于光纤损率、损伤的检测。为了能够探测外界扰动信号，研究者在ODTR的基础上提出了相位敏感型光时域反射仪[5-7]（phase-sensitive optical time domin reflectometer,Φ-ODTR），Φ-ODTR和ODTR系统结构相同，Φ-ODTR 中的宽谱光源采用高相干光源，脉冲宽度内背向散射的瑞利信号之间将发生相互干涉，光纤扰动处的相位将发生变化，使得干涉图样也将随之变化，主要用于判断入侵信号的有无、发生时间和位置，并进行预警。在油气田勘探开发地层微声波信号探测技术领域，还进一步要求系统能够对扰动信号的性质进行判断，该类应用被称为分布式声波振动传感（distributed acousitic sensingr,DAS），DAS是基于Φ-ODTR的原理，同时加入了相位解调部分，可获取外界扰动引起的光波相位变化，进而恢复出扰动信号的完整波形。2014年，英国Sillixa 公司率先将DAS 应用于海基自喷井的垂直剖面（VSP）探测[8]，成功探测到气枪激励源的地震波形信息，并提出了模块化钻井监测理念；2016年，Harris 等人[9]将DAS 应用于二氧化碳存储的时延VSP 监测，实现了最小27 kt二氧化碳的10 m级存储地震波探测；2018年，美国Apache 公司报告了将DAS 应用于页岩水平井的压裂监测研究[10]，揭示了压裂过程时移地震响应的新视角；2019年，Correa 等人[11]研究了在既有钻井环境下，将DAS 光缆放置于邻侧注入井的生产油管中，虽然振动信号耦合变差，但是依然能够实现20 km 信号的有效探测。近年来，国内多家单位开展了DAS技术相关研究，其中，电子科技大学与中石油东方地球物理勘探有限责任公司合作，在微地震监测地面检波仪和井下检波仪方面取得了突破性进展。

本文设计了一种新型的光纤分布式声波振动探测系统，引入了双脉冲外差调制[12-14]与解调部分[15-18]，2个脉冲均会引起瑞利散射信号，而最终接收的信号为2个信号之间的高相性干涉信号，系统可恢复光纤沿线振动声波的时域、频域和相位信息等完整波形，并在稠油热采地层微声波信号探测方面开展了现场应用。

1 光纤声波振动传感系统及解调方案

1.1 系统设计及传感原理

与Φ-OTDR 不同的是，DAS的光纤注入光为一个脉冲对，其原理如图1所示，激光器发出的连续光经过1:1 光纤耦合器（OC1）被分为两路，一路经过声光调制器（AOM1）；另一路经过声光调制器（AOM2）和一段延时光纤（delay fiber），然后两路光在光纤耦合器（OC2）处合光，AOM1和AOM2受到声光调制驱动器控制（AOM driver），AOM1、AOM2分别对光进行移频和脉冲调制，移频量分别为f1、f2，AOM2后面接的延时光纤是为了确保2 路脉冲光合并后，2个脉冲能够在时域上错开而不发生叠加，频率差Δf=f1−f2即为外差频率。2个光纤耦合器OC1、OC2与2个声光调制器AOM1、AOM2以及延时光纤组成的结构称作外差脉冲对产生结构单元，激光器发出的连续光经过该结构后形成一个外差脉冲对。外差脉冲对首先经过一个掺铒光纤放大器（erbium-doped optical fiber amplifier,EDFA）进行放大，然后通过一个环形器（Cir）注入传感光纤，传感光纤受外界振动所产生的背向瑞利散射信号通过环形器的三端口到达另外一个EDFA 进行光信号放大，再经过一个滤波器（filter）滤除EDFA的自发辐射噪声，之后到达一个光电探测器（photodetector），最后使用一个高速采集卡（DAQ）来采集信号并进行后续的相位解调处理（phase demodulation），从而得到探测曲线。

图1 系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of system

1.2 反正切解调算法

系统脉冲对瑞利散射信号的光强：

式中：A为干涉光强幅值；2πΔft为载波项；Φ(t)为外界振动引起的相位变化项；Δφ0为相位噪声。通过如图2所示的反正切解调算法来解调出Φ(t)，具体过程如下文。

图2 干涉信号反正切解调流程图Fig.2 Flow chart of interference signal arctangent demodulation

首先产生2个正交的参考信号I1和I2：

（1）式与（2）式相乘：

（4）式中等号右侧第1项包含2Δf为高频项，第2项为已消除Δf的低频项，对其采用低通滤波后即可得到低频项为

（1）式与（3）式相乘：

同理，对上式采用低通滤波后可以得到低频项为

（5）式除以（7）式可以得到：

对（8）式进行反正切即可得到：

由于相位噪声Δφ0为一个缓变量，因此可以采用高通滤波将其滤除，从而对上式滤除低频成分后即可得到外界扰动引起的相位变化量Φ(t)。

2 系统性能测试

搭建如图3所示的室内实验平台，实验中所采用的传感光纤由4卷单模光纤所组成，第1卷光纤的长度为170 m，其末端的5 m 光纤绕在了第1个压电陶瓷换能器（piezoelectric ceramic transducer,PZT）上；第2卷光纤的长度为50 m，其末端的6 m光纤绕在了第2个PZT 上；第3卷光纤的长度为110 m，其末端的7 m 光纤绕在了第3个PZT 上；第4卷光纤的长度为140 m，为了减小末端的端面反射，将第4卷光纤的末端饶了3个直径在5 mm以下的圆环，从而使得末端的光强急剧的衰减。3个PZT 受到信号发生器的驱动，实验过程中通过调节信号发生器输出信号的电压和频率即可模拟不同的外界振动效果。

实验中利用中心波长为1550 nm的窄线宽连续激光器作为光源，其中心频率记为f0，AOM1对光的移频量为f1=100 MHz，AOM2对光的移频量为f2=100.05 MHz，即外差频率为Δf为50 kHz，2个AOM 还同时将连续光调制成宽度为τ=100 ns、重复频率为fr=200 kHz的脉冲光。

2.1 信噪比

对PZT1施加一个峰峰值为300 mV、频率为1 kHz的正弦信号，探测结果如图4所示，通过对PZT1处的时域重构信号进行局部放大，可以看出信号的明显抖动，其功率谱密度（power spectrum density,PSD）显示该振动信号的中心频率为50 kHz，中心频率的两侧被调制了其他信号，结合干涉原理分析部分，50 kHz 即为系统的外差频率，而该频率两侧的信号即为振动信号Φ(t)被调制到了外差频率的两侧。解调结果如图5所示，1 kHz的振动信号被很好地解调了出来，通过计算，系统的本地噪声约为−61 dB rad2/Hz，此外，在1 kHz 处信号的信噪比达到了49.17 dB。

2.2 动态范围

固定信号的频率为1 kHz，逐渐调节电压从2 mV到3.5 V 进行测量，该信号同时施加在3个PZT 上进行测量，探测结果如图6所示，系统最小可探测相位变化的幅度约为0.05 rad，最大可探测信号的幅度约为52 rad，动态范围达到了60 dB。此外，3组数据的拟合结果具有很好的线性性，相关系数均大于0.9，3 条曲线的斜率分别为14.73 rad/V、20.86 rad/V和17.86 rad/V，约等于5:7:6，而该比值对应了绕在3个PZT 上光纤长度的比值，该结论证明了光波相位的变化量正比于受到振动作用的光纤的长度。

图3 DAS系统室内实验结构图Fig.3 Indoor experiment structure of DAS system

图4 振动信号时域重构与功率谱密度Fig.4 Time-domain reconstruction and power spectrum density of vibration signal

图5 振动信号解调与功率谱密度Fig.5 Vibration signal demodulation and power spectrum density

图6 解调信号幅度随电压的变化曲线Fig.6 Change curve of demodulation signal amplitude with voltage

2.3 频率响应范围

固定加载在PZT 上的正弦信号的电压为50 mV 不变，逐渐改变频率进行测量，如图7所示，当频率达到10 kHz 之后解调信号的幅度快速增大，主要是因为所采用的3个PZT的谐振频率大约为24 kHz，从解调结果可以看出，在电压为50 mV情况下，系统可以探测20 Hz到25 kHz的正弦信号。

图7 解调信号幅度随频率的变化曲线Fig.7 Change curve of demodulation signal amplitude with frequency

2.4 多振动事件探测效果

同时给3个PZT 施加不同的振动信号，进行测量。其中：PZT1上施加的为sinc 信号，信号频率为300 Hz，电压的峰值为500 mV；PZT2上施加的为突发信号，信号的突发频率为100 Hz，且每次突发为一个周期的正弦信号，该正弦信号的频率为1 kHz，峰值电压为500 mV；PZT3上施加的为扫频正弦信号，该信号的频率从300 Hz 逐渐变化到2 kHz，扫频时间为20 ms，峰值电压为500 mV。

图8 3个PZT 上同时施加不同振动信号的解调结果Fig.8 Demodulation results of different vibration signals applied simultaneously on three PZT

解调结果如图8所示，依次为170 m、220 m和330 m 处解调信号的时域波形与真实信号的对比，其分别对应了PZT1、PZT2和PZT3所处位置，虽然3个PZT 上分别被施加了不同的复杂的振动信号，但这3个位置的振动信号都被很好地解调了出来。另外，通过3个解调得到的信号（红色曲线）与真实信号（蓝色曲线）的对比可以看出，信号几乎无失真地被解调了出来，3个PZT 解调得到的信号与真实信号的互相关系数都达到了0.9976以上。

3 现场试验情况

3.1 实验环境

新疆油田稠油水平井开采主要采用蒸汽辅助重力泄油的开采方式（steam assisted gravity drainage,SAGD），生产井循环预热流程如图9所示，同时传感光缆被放置于生产井中，用于探测生产井循环预热过程中的注汽及蒸汽腔运移情况。

图9 SAGD 水平井循环预热DAS测试示意图Fig.9 Schematic of circulating preheating and DAS test of SAGD horizontal well

3.2 监测效果分析

2019年在新疆油田风城作业区，对某井进行了连续36 小时的循环预热动态监测，第10个小时的振动信号监测结果如图10所示，通过时域图、频域图发现其在400 m 附近的位置处有一个较强的振动信号，有效声压强度为−195 dB。特将430 m处的振动信号单独提取后进行分析，该位置的振动波形如图11所示，可以看出在430 m 处的信号近似为一个正弦信号，其频率在20 Hz 左右，并且该处的信号较强，幅度达到5 rad 以上。结合生产井循环注汽管柱结构图进行分析，430 m位置大致为循环注汽返排管的根端A点位置，注入蒸汽在此进行了交替循环，造成该处有较大的颤动。

图10 振动信号监测结果（10 h）Fig.10 Vibration signal monitoring results (10 h)

图11 430 m 处信号的时域与频域波形（10 h）Fig.11 Time-domain and frequency-domain waveforms of signal at 430 m (10 h)

持续进行监测，第32个小时的振动信号监测结果如图12所示，可以看出在430 m 附近的振动依然存在，提取分析后，该振动的频率同样为20 Hz 左右，印证了该振动是由连续注入蒸汽的交替循环所引起的。此外，从时域图还成功捕捉到了一次明显的振动传递事件，该振动从910 m 传递到750 m 共历时36.2 ms，振动的传播速度约为4420 m/s，而该速度与金属中的声速[19]基本相吻合，由此可以判断，其源于某次地层开裂事件引起的振动沿着井下的金属割缝筛管在向前传播。

图12 振动信号监测结果（32 h）Fig.12 Vibration signal monitoring results (32 h)

4 结论

本论文设计了一种新型的基于双脉冲外差调制解调技术的分布式光纤声波振动探测系统，完成了系统性能测试、振动声波信号室内物模实验，并在SAGD 现场开展了野外现场监测试验，试验结果表明，该系统可在较复杂的环境中灵敏探测到井下注汽过程中所产生的微振动，为稠油热采蒸汽腔的分布及运移情况提供了可视化在线监测与动态分析。后期工作中，将进一步关注其与分布式光纤温度探测DTS技术的相结合，及在油气田开发井下油气水三相产液剖面监测方面的研究进展。