（中石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000）

引言

分布式光纖傳感原理是基于光在光纖傳輸過程中，散射光的性質(zhì)[1-2]（強(qiáng)度、相位）等在受到外界擾動(dòng)的情況下將發(fā)生變化，通過探測(cè)散射光的變化情況可獲取外界擾動(dòng)的信息。光在光纖中的背向散射主要有布里淵（Brillouin）散射、拉曼（Raman）散射和瑞利（Rayleigh）散射，其中前兩種為非彈性散射，即散射光相比于入射光發(fā)生了頻移，而Rayleigh 散射為彈性散射，即散射光的頻率與入射光的頻率相同?；赗ayleigh 散射構(gòu)建的光纖傳感器最典型的代表為光時(shí)域反射儀[3-4]（optical time domain reflectometer,ODTR），ODTR使用的光源為寬譜光源，因此其背向散射光之間不會(huì)發(fā)生干涉，根據(jù)光纖中兩點(diǎn)間散射返回光率的大小即可得到兩點(diǎn)間的損耗，通常用于光纖損率、損傷的檢測(cè)。為了能夠探測(cè)外界擾動(dòng)信號(hào)，研究者在ODTR的基礎(chǔ)上提出了相位敏感型光時(shí)域反射儀[5-7]（phase-sensitive optical time domin reflectometer,Φ-ODTR），Φ-ODTR和ODTR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，Φ-ODTR 中的寬譜光源采用高相干光源，脈沖寬度內(nèi)背向散射的瑞利信號(hào)之間將發(fā)生相互干涉，光纖擾動(dòng)處的相位將發(fā)生變化，使得干涉圖樣也將隨之變化，主要用于判斷入侵信號(hào)的有無、發(fā)生時(shí)間和位置，并進(jìn)行預(yù)警。在油氣田勘探開發(fā)地層微聲波信號(hào)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，還進(jìn)一步要求系統(tǒng)能夠?qū)_動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)進(jìn)行判斷，該類應(yīng)用被稱為分布式聲波振動(dòng)傳感（distributed acousitic sensingr,DAS），DAS是基于Φ-ODTR的原理，同時(shí)加入了相位解調(diào)部分，可獲取外界擾動(dòng)引起的光波相位變化，進(jìn)而恢復(fù)出擾動(dòng)信號(hào)的完整波形。2014年，英國(guó)Sillixa 公司率先將DAS 應(yīng)用于海基自噴井的垂直剖面（VSP）探測(cè)[8]，成功探測(cè)到氣槍激勵(lì)源的地震波形信息，并提出了模塊化鉆井監(jiān)測(cè)理念；2016年，Harris 等人[9]將DAS 應(yīng)用于二氧化碳存儲(chǔ)的時(shí)延VSP 監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了最小27 kt二氧化碳的10 m級(jí)存儲(chǔ)地震波探測(cè)；2018年，美國(guó)Apache 公司報(bào)告了將DAS 應(yīng)用于頁巖水平井的壓裂監(jiān)測(cè)研究[10]，揭示了壓裂過程時(shí)移地震響應(yīng)的新視角；2019年，Correa 等人[11]研究了在既有鉆井環(huán)境下，將DAS 光纜放置于鄰側(cè)注入井的生產(chǎn)油管中，雖然振動(dòng)信號(hào)耦合變差，但是依然能夠?qū)崿F(xiàn)20 km 信號(hào)的有效探測(cè)。近年來，國(guó)內(nèi)多家單位開展了DAS技術(shù)相關(guān)研究，其中，電子科技大學(xué)與中石油東方地球物理勘探有限責(zé)任公司合作，在微地震監(jiān)測(cè)地面檢波儀和井下檢波儀方面取得了突破性進(jìn)展。

本文設(shè)計(jì)了一種新型的光纖分布式聲波振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，引入了雙脈沖外差調(diào)制[12-14]與解調(diào)部分[15-18]，2個(gè)脈沖均會(huì)引起瑞利散射信號(hào)，而最終接收的信號(hào)為2個(gè)信號(hào)之間的高相性干涉信號(hào)，系統(tǒng)可恢復(fù)光纖沿線振動(dòng)聲波的時(shí)域、頻域和相位信息等完整波形，并在稠油熱采地層微聲波信號(hào)探測(cè)方面開展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 光纖聲波振動(dòng)傳感系統(tǒng)及解調(diào)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及傳感原理

與Φ-OTDR 不同的是，DAS的光纖注入光為一個(gè)脈沖對(duì)，其原理如圖1所示，激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過1:1 光纖耦合器（OC1）被分為兩路，一路經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM1）；另一路經(jīng)過聲光調(diào)制器（AOM2）和一段延時(shí)光纖（delay fiber），然后兩路光在光纖耦合器（OC2）處合光，AOM1和AOM2受到聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)器控制（AOM driver），AOM1、AOM2分別對(duì)光進(jìn)行移頻和脈沖調(diào)制，移頻量分別為f1、f2，AOM2后面接的延時(shí)光纖是為了確保2 路脈沖光合并后，2個(gè)脈沖能夠在時(shí)域上錯(cuò)開而不發(fā)生疊加，頻率差Δf=f1?f2即為外差頻率。2個(gè)光纖耦合器OC1、OC2與2個(gè)聲光調(diào)制器AOM1、AOM2以及延時(shí)光纖組成的結(jié)構(gòu)稱作外差脈沖對(duì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)單元，激光器發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)過該結(jié)構(gòu)后形成一個(gè)外差脈沖對(duì)。外差脈沖對(duì)首先經(jīng)過一個(gè)摻鉺光纖放大器（erbium-doped optical fiber amplifier,EDFA）進(jìn)行放大，然后通過一個(gè)環(huán)形器（Cir）注入傳感光纖，傳感光纖受外界振動(dòng)所產(chǎn)生的背向瑞利散射信號(hào)通過環(huán)形器的三端口到達(dá)另外一個(gè)EDFA 進(jìn)行光信號(hào)放大，再經(jīng)過一個(gè)濾波器（filter）濾除EDFA的自發(fā)輻射噪聲，之后到達(dá)一個(gè)光電探測(cè)器（photodetector），最后使用一個(gè)高速采集卡（DAQ）來采集信號(hào)并進(jìn)行后續(xù)的相位解調(diào)處理（phase demodulation），從而得到探測(cè)曲線。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of system

1.2 反正切解調(diào)算法

系統(tǒng)脈沖對(duì)瑞利散射信號(hào)的光強(qiáng)：

式中：A為干涉光強(qiáng)幅值；2πΔft為載波項(xiàng)；Φ(t)為外界振動(dòng)引起的相位變化項(xiàng)；Δφ0為相位噪聲。通過如圖2所示的反正切解調(diào)算法來解調(diào)出Φ(t)，具體過程如下文。

圖2 干涉信號(hào)反正切解調(diào)流程圖Fig.2 Flow chart of interference signal arctangent demodulation

首先產(chǎn)生2個(gè)正交的參考信號(hào)I1和I2：

（1）式與（2）式相乘：

（4）式中等號(hào)右側(cè)第1項(xiàng)包含2Δf為高頻項(xiàng)，第2項(xiàng)為已消除Δf的低頻項(xiàng)，對(duì)其采用低通濾波后即可得到低頻項(xiàng)為

（1）式與（3）式相乘：

同理，對(duì)上式采用低通濾波后可以得到低頻項(xiàng)為

（5）式除以（7）式可以得到：

對(duì)（8）式進(jìn)行反正切即可得到：

由于相位噪聲Δφ0為一個(gè)緩變量，因此可以采用高通濾波將其濾除，從而對(duì)上式濾除低頻成分后即可得到外界擾動(dòng)引起的相位變化量Φ(t)。

2 系統(tǒng)性能測(cè)試

搭建如圖3所示的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中所采用的傳感光纖由4卷單模光纖所組成，第1卷光纖的長(zhǎng)度為170 m，其末端的5 m 光纖繞在了第1個(gè)壓電陶瓷換能器（piezoelectric ceramic transducer,PZT）上；第2卷光纖的長(zhǎng)度為50 m，其末端的6 m光纖繞在了第2個(gè)PZT 上；第3卷光纖的長(zhǎng)度為110 m，其末端的7 m 光纖繞在了第3個(gè)PZT 上；第4卷光纖的長(zhǎng)度為140 m，為了減小末端的端面反射，將第4卷光纖的末端饒了3個(gè)直徑在5 mm以下的圓環(huán)，從而使得末端的光強(qiáng)急劇的衰減。3個(gè)PZT 受到信號(hào)發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的電壓和頻率即可模擬不同的外界振動(dòng)效果。

實(shí)驗(yàn)中利用中心波長(zhǎng)為1550 nm的窄線寬連續(xù)激光器作為光源，其中心頻率記為f0，AOM1對(duì)光的移頻量為f1=100 MHz，AOM2對(duì)光的移頻量為f2=100.05 MHz，即外差頻率為Δf為50 kHz，2個(gè)AOM 還同時(shí)將連續(xù)光調(diào)制成寬度為τ=100 ns、重復(fù)頻率為fr=200 kHz的脈沖光。

2.1 信噪比

對(duì)PZT1施加一個(gè)峰峰值為300 mV、頻率為1 kHz的正弦信號(hào)，探測(cè)結(jié)果如圖4所示，通過對(duì)PZT1處的時(shí)域重構(gòu)信號(hào)進(jìn)行局部放大，可以看出信號(hào)的明顯抖動(dòng)，其功率譜密度（power spectrum density,PSD）顯示該振動(dòng)信號(hào)的中心頻率為50 kHz，中心頻率的兩側(cè)被調(diào)制了其他信號(hào)，結(jié)合干涉原理分析部分，50 kHz 即為系統(tǒng)的外差頻率，而該頻率兩側(cè)的信號(hào)即為振動(dòng)信號(hào)Φ(t)被調(diào)制到了外差頻率的兩側(cè)。解調(diào)結(jié)果如圖5所示，1 kHz的振動(dòng)信號(hào)被很好地解調(diào)了出來，通過計(jì)算，系統(tǒng)的本地噪聲約為?61 dB rad2/Hz，此外，在1 kHz 處信號(hào)的信噪比達(dá)到了49.17 dB。

2.2 動(dòng)態(tài)范圍

固定信號(hào)的頻率為1 kHz，逐漸調(diào)節(jié)電壓從2 mV到3.5 V 進(jìn)行測(cè)量，該信號(hào)同時(shí)施加在3個(gè)PZT 上進(jìn)行測(cè)量，探測(cè)結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)最小可探測(cè)相位變化的幅度約為0.05 rad，最大可探測(cè)信號(hào)的幅度約為52 rad，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到了60 dB。此外，3組數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果具有很好的線性性，相關(guān)系數(shù)均大于0.9，3 條曲線的斜率分別為14.73 rad/V、20.86 rad/V和17.86 rad/V，約等于5:7:6，而該比值對(duì)應(yīng)了繞在3個(gè)PZT 上光纖長(zhǎng)度的比值，該結(jié)論證明了光波相位的變化量正比于受到振動(dòng)作用的光纖的長(zhǎng)度。

圖3 DAS系統(tǒng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Indoor experiment structure of DAS system

圖4 振動(dòng)信號(hào)時(shí)域重構(gòu)與功率譜密度Fig.4 Time-domain reconstruction and power spectrum density of vibration signal

圖5 振動(dòng)信號(hào)解調(diào)與功率譜密度Fig.5 Vibration signal demodulation and power spectrum density

圖6 解調(diào)信號(hào)幅度隨電壓的變化曲線Fig.6 Change curve of demodulation signal amplitude with voltage

2.3 頻率響應(yīng)范圍

固定加載在PZT 上的正弦信號(hào)的電壓為50 mV 不變，逐漸改變頻率進(jìn)行測(cè)量，如圖7所示，當(dāng)頻率達(dá)到10 kHz 之后解調(diào)信號(hào)的幅度快速增大，主要是因?yàn)樗捎玫?個(gè)PZT的諧振頻率大約為24 kHz，從解調(diào)結(jié)果可以看出，在電壓為50 mV情況下，系統(tǒng)可以探測(cè)20 Hz到25 kHz的正弦信號(hào)。

圖7 解調(diào)信號(hào)幅度隨頻率的變化曲線Fig.7 Change curve of demodulation signal amplitude with frequency

2.4 多振動(dòng)事件探測(cè)效果

同時(shí)給3個(gè)PZT 施加不同的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行測(cè)量。其中：PZT1上施加的為sinc 信號(hào)，信號(hào)頻率為300 Hz，電壓的峰值為500 mV；PZT2上施加的為突發(fā)信號(hào)，信號(hào)的突發(fā)頻率為100 Hz，且每次突發(fā)為一個(gè)周期的正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)的頻率為1 kHz，峰值電壓為500 mV；PZT3上施加的為掃頻正弦信號(hào)，該信號(hào)的頻率從300 Hz 逐漸變化到2 kHz，掃頻時(shí)間為20 ms，峰值電壓為500 mV。

圖8 3個(gè)PZT 上同時(shí)施加不同振動(dòng)信號(hào)的解調(diào)結(jié)果Fig.8 Demodulation results of different vibration signals applied simultaneously on three PZT

解調(diào)結(jié)果如圖8所示，依次為170 m、220 m和330 m 處解調(diào)信號(hào)的時(shí)域波形與真實(shí)信號(hào)的對(duì)比，其分別對(duì)應(yīng)了PZT1、PZT2和PZT3所處位置，雖然3個(gè)PZT 上分別被施加了不同的復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)，但這3個(gè)位置的振動(dòng)信號(hào)都被很好地解調(diào)了出來。另外，通過3個(gè)解調(diào)得到的信號(hào)（紅色曲線）與真實(shí)信號(hào)（藍(lán)色曲線）的對(duì)比可以看出，信號(hào)幾乎無失真地被解調(diào)了出來，3個(gè)PZT 解調(diào)得到的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.9976以上。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

新疆油田稠油水平井開采主要采用蒸汽輔助重力泄油的開采方式（steam assisted gravity drainage,SAGD），生產(chǎn)井循環(huán)預(yù)熱流程如圖9所示，同時(shí)傳感光纜被放置于生產(chǎn)井中，用于探測(cè)生產(chǎn)井循環(huán)預(yù)熱過程中的注汽及蒸汽腔運(yùn)移情況。

圖9 SAGD 水平井循環(huán)預(yù)熱DAS測(cè)試示意圖Fig.9 Schematic of circulating preheating and DAS test of SAGD horizontal well

3.2 監(jiān)測(cè)效果分析

2019年在新疆油田風(fēng)城作業(yè)區(qū)，對(duì)某井進(jìn)行了連續(xù)36 小時(shí)的循環(huán)預(yù)熱動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，第10個(gè)小時(shí)的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示，通過時(shí)域圖、頻域圖發(fā)現(xiàn)其在400 m 附近的位置處有一個(gè)較強(qiáng)的振動(dòng)信號(hào)，有效聲壓強(qiáng)度為?195 dB。特將430 m處的振動(dòng)信號(hào)單獨(dú)提取后進(jìn)行分析，該位置的振動(dòng)波形如圖11所示，可以看出在430 m 處的信號(hào)近似為一個(gè)正弦信號(hào)，其頻率在20 Hz 左右，并且該處的信號(hào)較強(qiáng)，幅度達(dá)到5 rad 以上。結(jié)合生產(chǎn)井循環(huán)注汽管柱結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，430 m位置大致為循環(huán)注汽返排管的根端A點(diǎn)位置，注入蒸汽在此進(jìn)行了交替循環(huán)，造成該處有較大的顫動(dòng)。

圖10 振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果（10 h）Fig.10 Vibration signal monitoring results (10 h)

圖11 430 m 處信號(hào)的時(shí)域與頻域波形（10 h）Fig.11 Time-domain and frequency-domain waveforms of signal at 430 m (10 h)

持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，第32個(gè)小時(shí)的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示，可以看出在430 m 附近的振動(dòng)依然存在，提取分析后，該振動(dòng)的頻率同樣為20 Hz 左右，印證了該振動(dòng)是由連續(xù)注入蒸汽的交替循環(huán)所引起的。此外，從時(shí)域圖還成功捕捉到了一次明顯的振動(dòng)傳遞事件，該振動(dòng)從910 m 傳遞到750 m 共歷時(shí)36.2 ms，振動(dòng)的傳播速度約為4420 m/s，而該速度與金屬中的聲速[19]基本相吻合，由此可以判斷，其源于某次地層開裂事件引起的振動(dòng)沿著井下的金屬割縫篩管在向前傳播。

圖12 振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果（32 h）Fig.12 Vibration signal monitoring results (32 h)

4 結(jié)論

本論文設(shè)計(jì)了一種新型的基于雙脈沖外差調(diào)制解調(diào)技術(shù)的分布式光纖聲波振動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)性能測(cè)試、振動(dòng)聲波信號(hào)室內(nèi)物模實(shí)驗(yàn)，并在SAGD 現(xiàn)場(chǎng)開展了野外現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可在較復(fù)雜的環(huán)境中靈敏探測(cè)到井下注汽過程中所產(chǎn)生的微振動(dòng)，為稠油熱采蒸汽腔的分布及運(yùn)移情況提供了可視化在線監(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)分析。后期工作中，將進(jìn)一步關(guān)注其與分布式光纖溫度探測(cè)DTS技術(shù)的相結(jié)合，及在油氣田開發(fā)井下油氣水三相產(chǎn)液剖面監(jiān)測(cè)方面的研究進(jìn)展。