井中三分量光纤激光检波器的研制及性能测试

杨元元,孙志慧,张绪成,刘小会,王英英,王 昌,赵 忠,王春田

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)激光研究所,山东济南250104;2.中石化石油工程地球物理公司胜利分公司,山东东营257086)

随着中国油气勘探开发的不断深入,油气勘探目的层由浅中层向深层快速延伸,勘探领域转向深地领域[1]。所有这些变化都需要高品质地震资料的支撑,原有设备已经不能满足深部勘探对地震资料的信噪比、分辨率和成像精度的更高要求,迫切需要在设备端进行技术改进,以满足深部勘探开发的需要[2-3]。井中三分量光纤地震检波器是利用光纤传感技术的一种新型井中地震勘探设备,具有灵敏度高,频带宽,前端不带电,耐高温高压,防水耐腐蚀、传感传输一体化等优势,能够大幅度提高地震资料的信噪比、分辨率和成像精度[4-6]。近年来,美国Weatherford公司和Paulsson公司[7-8]采用光纤光栅对干涉方案,研制了商业化应用的井中三分量光纤地震检波器;清华大学研制了三分量光纤干涉仪检波器,并在新疆油田进行了压裂监测试验[9-10];西安石油大学研制了三分量光纤光栅检波器。目前国内井中三分量光纤检波器的产品化、耐温性能和最小信号检测能力等方面还有待进一步提高[11]。

基于光纤激光传感原理研制了一种三分量光纤检波器,采用窄线宽、低噪声的分布反馈光纤激光器(DFB-FL)作为传感元件,将地震波变化转换为DFB-FL激光波长的改变,并通过高分辨率的干涉式波长位移解调技术,实现微弱地震信号检测。本文提出的这种小型化、耐高温高压的三分量光纤激光检波器以振动传感单元为基础,通过结构优化设计,使检波器结构更加紧凑和小型化;通过选择温度补偿结构及材料实现耐高温高压。在实验室内,测试了该检波器的频响灵敏度、交叉灵敏度、耐温耐压能力,并与井中高温动圈检波器2400进行了对比测试。

1 光纤激光检波器设计

1.1 工作原理

光纤激光检波器的敏感元件为分布反馈式光纤激光器(distributed feedback fiber laser,DFB-FL),DFB-FL的中心波长对轴向应变极其敏感。DFB-FL发出的激光经过光纤干涉仪后产生干涉信号,通过光电探测器探测到的每个通道的光场强度I,可表示为:

I=I0[1+kcos(Δφ+φ0)]

(1)

式中:I0为探测到的光强;k为干涉条纹的可见度;φ0为初始相位;Δφ为干涉仪两臂相位变化。DFB-FL的中心波长改变量Δλ经臂长差为d的光纤干涉仪转化为相位变化Δφ,其表达式如下:

(2)

式中:n为光纤的折射率;d为干涉仪的臂长差;λB为DFB-FL的中心波长;Δλ为DFB-FL中心波长改变量。

通过探测干涉仪相位变化情况,可以还原被测的波长信息。从(2)式可见,在探测同等相位变化量的情况下,臂长差d越大,对应的可探测到的波长变化Δλ的量越微小,相当于对微小的波长变化进行放大,实现微弱信号的探测。由于DFB-FL的线宽很窄,其相干长度非常长,可达数十千米,因此可以用臂长差为几十米甚至上百米的干涉仪,将外界信号引起的极其微弱的波长变化放大为可检测的相位变化。因此,光纤激光检波器可以实现极高的探测灵敏度。

1.2 三分量光纤激光检波器结构设计

由前文可知,DFB-FL中心波长的变化可以反映出振动信号的变化情况,由此设计出合适的惯性敏感机械结构,将地震波引起的振动信号转换为光纤的轴向应变,实现对微弱振动信号的检测。

振动传感单元是设计基础,采用悬臂梁结构,其中质量块、支架及薄片等构成振动单元的质量块组件,图1a为振动传感单元单分量结构模型示意图。首先悬臂梁固定到检波器的壳体上,并将支撑梁与悬臂梁固定到一起,而后将传感光纤固定到支撑梁和固定支架之间,然后将支架固定于检波器壳体上,再给光纤激光器施加预应力,使其封装后能够拉伸也能够收缩,最后在悬臂梁的末端加一质量块用来增加灵敏度。当垂直方向有加速度时,由于惯性,质量块产生加速度,带动支撑梁左右摆动,从而拉伸或压缩光栅,造成光纤激光器的波长变化,通过解调波长变化可得到加速度信号的大小。

以振动传感单元为基础,分别设计X、Y、Z3个正交方向的振动分量(图1b)。3个分量的质量块组件置于检波器芯体支架3个方向相互垂直的开口内,质量块的振动带动光纤激光器拉伸或压缩,用于检测井下3个方向的振动信号。该检波器直接在同一个芯体上进行3个分量的封装,3个分量的质量块组件直接固定在同一芯体的3个正交方向上,无需封装成3个完整的单分量检波器后再组合安装。实现了三维矢量检波器的器件微型一体化,使得检波器的整体结构更加紧凑,极大地减小了检波器的内部尺寸。

图1 振动传感单元单分量结构模型(a)及三分量结构模型(b)示意

由于油井孔径尺寸小,且光纤检波器在下井过程中需要推靠设备配合,故可将检波器推靠在井壁上,实现与井壁良好的耦合。检波器整体尺寸减小,可相应减小推靠设备的尺寸,降低下井难度,增加传感器下井试验的可靠性,这对井下勘探的检波器非常有意义。为更大程度地减小检波器的尺寸,可将DFB-FL元器件组成三分量DFB-FL串联结构,3个分量之间为波分复用,分别对应三分量中的1个振动单元。三分量的串联结构使得各个分量的振动单元之间无需再进行外部熔接、焊点保护等,便于检波器的全光纤一体化封装,并使得检波器结构更加紧凑。此外,3个分量处于同一检波器内,所用的阻尼填充材料、阻尼系数完全一致,提高了3个分量之间的一致性。三分量检波器外壳经设计优化,采用高温高压密封元件,在两端接口处进行密封,与检波器连接的光缆采用无缝不锈钢管铠装光缆,实现整体耐高温高压,并满足下井需求的高可靠性。三分量光纤激光检波器整体外形及其推靠系统实物如图2所示。

图2 三分量光纤激光检波器(a)及其推靠系统(b)实物

2 三分量光纤激光检波器解调系统

光纤激光检波器的解调系统主要包括4个部分:泵浦光源、复用光路、光纤干涉仪以及相位生成载波(phase generated carrier,PGC)解调部分。解调系统结构如图3所示,其中泵浦光源采用1 480 nm泵浦,其相对强度噪声(relative intensity noise,RIN)低、传输损耗小,可实现较远的传输距离;复用光路采用耐高温一体化器件,包括1 480/1 550波分复用器(wavelength division multiplexer,WDM)以及带通隔离器(isolator,ISO),构成复合器件IWDM(WDM+ISO,简称IWDM),利用该结构实现瑞利散射抑制,消除相干坍塌的影响,实现光纤激光检波器的远距离传输;光纤激光检波器为三分量检波器;解调部分包括Michelson干涉仪、密集波分复用器、模数转换(A/D转换)及PGC相位解调,经过信号处理即可还原出地震信号,从而实现对地震波的检测。

图3 三分量光纤激光检波器解调系统

3 实验室测试及结果

3.1 测试系统

在实验室内测试三分量光纤激光检波器的灵敏度、线性度、微地震响应、噪声、耐温和耐压等性能,将光纤激光检波器、压电加速度计BK8305和高温动圈检波器2400一起固定在标准振动台上(图4),然后对比测试光纤激光检波器的性能与高温动圈检波器2400的性能。

图4 光纤激光检波器与高温动圈检波器2400实验室测试实景

3.2 光纤激光检波器灵敏度测试

利用BK8305的振动测试系统,分别以检波器的3个振动分量为主振动方向,测试其频响灵敏度,以及另外两个相互垂直方向的灵敏度,得到交叉灵敏度,测试结果如图5所示。从图5a可以看出,其灵敏度约为34 dB re pm/g,且3个分量的灵敏度差异小于1 dB,灵敏度一致性好。以Z分量为主振动方向,测试与其正交的两个分量(X、Y)的灵敏度,得到Z-X、Z-Y的交叉灵敏度,可以看出,其交叉灵敏度小于-25 dB re pm/g(图5b)。

图5 三分量光纤激光检波器频响灵敏度(a)及交叉灵敏度(b)

3.3 与高温动圈检波器2400对比测试

利用振动台在1～500 Hz频率范围内施加2 m/s2的恒定正弦加速度信号激励传感器,通过测量光纤激光检波器和标准压电加速度计BK8305的输出,获得光纤激光检波器的幅频曲线和相频曲线。比较光纤激光检波器和高温动圈检波器2400的幅频和相频特性,结果分别如图6和图7所示,可以看出,光纤激光检波器具有频率响应曲线平坦、线性相位的优点。

图6 幅频响应对比测试结果

图7 相频响应对比测试结果

利用1,15,200,400 Hz的小正弦信号激励振动台,来检验光纤激光检波器、高温动圈检波器2400和压电加速度计BK8305对微地震信号的响应特性。在测试过程中,不施加外界信号的情况下,对三分量光纤激光检波器与高温动圈检波器2400的信号进行归一化处理,然后对振动台施加激励信号,比较不同频率下两个检波器探测到的信号大小。

光纤激光检波器与高温动圈检波器2400测得的时域信号和频域信号,分别如图8a和图8b所示。可以看出,在1 Hz时,光纤激光检波器输出信号幅度明显高于高温动圈检波器2400,高温动圈检波器2400输出信号微弱;15 Hz为高温动圈检波器2400的自然频率点,即灵敏度最大点,此时二者输出信号大小非常接近,光纤激光检波器的输出信号略高于高温动圈检波器2400的输出信号;在200 Hz和400 Hz时,光纤激光检波器输出信号幅度明显高于高温动圈检波器2400的输出信号幅度,信噪比高。由上述对比测试结果可以看出,光纤激光检波器具有良好的低频和高频微地震响应。

图8 1,15,200,400 Hz的时域信号(a)和频域信号(b)对比测试结果

3.4 耐温测试

本底噪声是评价光纤激光检波器的重要指标,噪声的水平及稳定性可以反应检波器的性能,噪声水平越低,检测弱信号能力越强。在实验室,采用温度箱模拟井下高温环境,将光纤激光检波器置于温度箱内,从室温(20℃)依次升温至85,100,125,155℃,每个温度点达到后保持约8 h,分别测试不同温度下光纤激光检波器的噪声水平。在实验室条件下,受外界环境的影响,探测到的噪声包含环境噪声。

不同温度环境下测得的噪声水平如图9所示,可以看出,低于100 Hz的系统测得噪声水平略高,高于100 Hz的系统测得噪声水平约为-100 dB。不同高温环境下,噪声水平基本一致,无明显升高,且始终维持稳定无跳变,验证了光纤激光检波器在高温环境下工作的稳定性。

图9 不同温度环境下测得的噪声水平

3.5 耐压测试

利用高压罐模拟井下高压环境,对三分量光纤激光检波器的工作压强进行试验。为保证安全性,试验中将检波器样品置于高压罐中,利用液压泵加压至50 MPa,保压2小时以上,卸压后对检波器进行检查及频响测试,加压装置如图10所示。

图10 光纤激光检波器的加压装置

卸压后,将高压罐中的检波器取出,外观良好,未发生形变;然后将检波器外壳打开,内部无漏水现象,检波器密封良好无泄漏。经频响测试可知,光纤激光检波器灵敏度无变化,该检波器可耐50 MPa的高压。

4 结论

本文研制了一种井中三分量光纤激光检波器,简化了封装工艺,极大地减小了检波器整体结构尺寸,并提高了检波器的可靠性和一致性。对三分量光纤激光检波器的频响特性、交叉灵敏度及耐高温高压特性进行测试,并与高温动圈检波器2400进行对比试验。光纤激光检波器灵敏度达34 dB re pm/g,灵敏度一致性好,交叉灵敏度低于-25 dB。与高温动圈检波器2400的对比测试发现,光纤激光检波器具有良好的宽频带响应能力,在低频及高频段,其性能优于高温动圈检波器2400。经高温高压试验验证,光纤激光检波器可耐155℃高温、50 MPa高压,可用于井下高温高压的恶劣工作环境,在井下压裂微地震监测、井间地震、垂直地震剖面等方面具有良好的应用前景和技术优势。