孫琪真,范存政,李 豪,閆寶強(qiáng),閆志君,余 剛,劉德明

(1.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院,武漢光電國(guó)家研究中心,湖北武漢430074;2.下一代互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074;3.中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司,河北涿州072751)

20世紀(jì)70年代以來(lái),光纖傳感隨著高速光纖通信技術(shù)的發(fā)展逐漸受到關(guān)注,其具有無(wú)源、抗電磁干擾、高靈敏、易大規(guī)模復(fù)用組網(wǎng)等特點(diǎn),已應(yīng)用于聲波、溫度、應(yīng)變、振動(dòng)、生化等眾多測(cè)量領(lǐng)域[1-3]。近年來(lái),基于光纖后向散射的分布式傳感技術(shù)蓬勃發(fā)展,主要包括分布式應(yīng)變傳感(Distributed Strain Sensing,DSS)[4-5]、分布式溫度傳感(Distributed Temperature Sensing,DTS)[6-7]、分布式聲波傳感(Distributed Acoustic Sensing,DAS)[2,8]等,由于其特有的超長(zhǎng)傳感距離、全連續(xù)無(wú)盲區(qū)探測(cè)等性能,在工程勘測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力[9-11]。其中,光纖DAS技術(shù)通過(guò)探測(cè)光纖瑞利背向散射的光相位改變實(shí)現(xiàn)聲波的高保真測(cè)量和追蹤,具有大范圍、高靈敏、高空間分辨率、寬頻帶和低成本等顯著優(yōu)勢(shì),非常適用于石油行業(yè)中的地震勘探、油氣管線安全監(jiān)測(cè)等應(yīng)用,市場(chǎng)前景非常廣闊。

英國(guó)的Optasense和Silixa公司是最早開展DAS產(chǎn)品開發(fā)的企業(yè)[12],并在地震波檢測(cè)和石油管道安全監(jiān)測(cè)兩個(gè)領(lǐng)域均有涉及,覆蓋了石油工業(yè)中勘探—生產(chǎn)—運(yùn)輸?shù)恼麄€(gè)過(guò)程[13-16]。相比于國(guó)外,雖然國(guó)內(nèi)開展DAS技術(shù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究起步較晚,但發(fā)展速度很快,目前已迎頭趕上,不僅在學(xué)術(shù)界有多所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入探究[17-20],在產(chǎn)業(yè)界也陸續(xù)推出了多款商用化DAS產(chǎn)品。同時(shí),隨著光纖DAS技術(shù)在石油物探領(lǐng)域的應(yīng)用推廣,越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)將目光聚焦于DAS系統(tǒng)的性能提升和工程化應(yīng)用。

為了使研究人員和用戶更全面地了解DAS技術(shù)的性能和發(fā)展進(jìn)程,本文從DAS機(jī)理出發(fā),系統(tǒng)地分析了DAS系統(tǒng)的解調(diào)方法和性能提升手段,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外光纖DAS設(shè)備的商業(yè)化水平,討論了光纖DAS技術(shù)在石油行業(yè)的典型應(yīng)用,并對(duì)其未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 光纖DAS技術(shù)的研究現(xiàn)狀

典型的光纖DAS系統(tǒng)由解調(diào)終端和傳感光纜兩部分組成,其中傳感光纜作為載體用于感知聲波,解調(diào)終端用于高相干脈沖光發(fā)射、光纖后向瑞利散射光接收以及解調(diào)恢復(fù)聲波信息。當(dāng)聲波作用在光纖上時(shí),會(huì)使光纖產(chǎn)生軸向拉伸,從而調(diào)制光纖中后向瑞利散射光的相位。通過(guò)解調(diào)終端對(duì)光相位信息進(jìn)行解調(diào),就可以無(wú)失真地實(shí)現(xiàn)聲波的高保真探測(cè)。根據(jù)自激光器到散射點(diǎn)及從散射點(diǎn)返回至光探測(cè)器過(guò)程中的光脈沖行經(jīng)時(shí)間,可以得到散射點(diǎn)的位置信息,從而可將光纖的每一小段等效為一個(gè)聲學(xué)傳感器,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高密度的聲波探測(cè)。

聲波信號(hào)的解調(diào)有多種方法,其中外差相干探測(cè)技術(shù)是目前主流的高信噪比方案。2011年首次成功實(shí)現(xiàn)基于外差相干探測(cè)技術(shù)的聲波解調(diào)[18],其方案如圖1a所示。相干光源通過(guò)耦合器分成2路,一路作為信號(hào)光經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器輸出移頻的脈沖信號(hào),并由光纖環(huán)形器注入傳感光纖;另一路作為本振光和從傳感光纖中z點(diǎn)散射回的瑞利散射信號(hào)在平衡光電探測(cè)器匯合并發(fā)生干涉。通過(guò)相干拍頻,光電探測(cè)器得到的光強(qiáng)(I)可表示為:

(1)

除了相干探測(cè)之外,常用的相位解調(diào)技術(shù)還包括基于3×3耦合器的相位解調(diào)技術(shù)[21]、基于相位載波調(diào)制(PGC)的相位解調(diào)技術(shù)[22]和基于啁啾脈沖的相位解調(diào)技術(shù)[20]等,如圖1b至圖1d所示,輔以隔振措施均可實(shí)現(xiàn)高性能的聲波解調(diào)。

圖1 典型的DAS解調(diào)方案

目前,國(guó)內(nèi)外已有多所高校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)基于多種不同的相位解調(diào)技術(shù)和傳感光纖研發(fā)了光纖DAS系統(tǒng),并在石油行業(yè)得到應(yīng)用,主要聚焦在信噪比(signal to noise ratio,SNR)增強(qiáng)、探測(cè)距離擴(kuò)展、響應(yīng)頻帶(事件采樣率)提升以及技術(shù)商業(yè)化等方面。

1.1 信噪比增強(qiáng)

在傳感領(lǐng)域,SNR是評(píng)價(jià)探測(cè)信號(hào)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。在光纖DAS技術(shù)中,由于作為聲波調(diào)制載體的后向瑞利散射光強(qiáng)度極弱且具有隨機(jī)性,探測(cè)信號(hào)不僅信噪比較低,還會(huì)產(chǎn)生相干衰落,導(dǎo)致產(chǎn)生探測(cè)盲區(qū),對(duì)于長(zhǎng)距離鏈路中的信號(hào)質(zhì)量和響應(yīng)一致性非常不利。

為了解決這一問(wèn)題,學(xué)術(shù)界提出了兩種解決思路,分別是提高探測(cè)光功率和提高散射強(qiáng)度。由于光纖中存在非線性效應(yīng),限制了探測(cè)信號(hào)的峰值功率,因此探測(cè)光功率的提高主要通過(guò)增加脈沖寬度的方式實(shí)現(xiàn),但同時(shí)也會(huì)犧牲DAS系統(tǒng)的空間分辨率。為了解決探測(cè)光功率和空間分辨率之間的矛盾,研究者們分別提出了啁啾脈沖方案[23]和編碼脈沖方案[24],其中基于啁啾脈沖的高分辨方案成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn),且上海交通大學(xué)已經(jīng)將此方案商業(yè)化。

1.2 探測(cè)距離擴(kuò)展

光在光纖中傳輸時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗,因此DAS技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的探測(cè)距離,需要注入峰值功率更高的脈沖。但是,高峰值功率會(huì)帶來(lái)調(diào)制不穩(wěn)定性(modulation instability,MI)以及受激布里淵(stimulated brillouin scattering,SBS)等非線性效應(yīng)影響,限制了探測(cè)距離的進(jìn)一步提升。為了克服這一限制,研究人員提出了分布式放大技術(shù)、非線性抑制技術(shù)和光纖散射增強(qiáng)等方案[32]。目前,較為成熟的方案是分布式放大技術(shù)和光纖散射增強(qiáng)方案,電子科技大學(xué)通過(guò)拉曼放大技術(shù)和啁啾脈沖技術(shù)將DAS的傳感距離提升至100 km以上[33];華中科技大學(xué)通過(guò)分段散射增強(qiáng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了光纖鏈路散射強(qiáng)度均衡,也將無(wú)放大的單鏈路傳感距離提升至100 km[31],這使得光纖DAS技術(shù)將更加適用于在管道安全監(jiān)測(cè)等需要大尺度探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用[34]。

1.3 事件采樣率提升

DAS系統(tǒng)的事件采樣率受限于傳感光纖的長(zhǎng)度。為了不產(chǎn)生信號(hào)混疊,進(jìn)入光纖的光脈沖序列必須在前一個(gè)探測(cè)光脈沖從光纖的最遠(yuǎn)端散射并回到解調(diào)終端之后才能發(fā)射下一個(gè)。因此,光纖DAS系統(tǒng)的采樣率和探測(cè)距離之間相互制約,如何提高長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)中的事件采樣率對(duì)于管道安全監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景中的寬頻帶聲波信息獲取至關(guān)重要。提升事件采樣率的關(guān)鍵是使多個(gè)脈沖可同時(shí)在光纖中傳輸并能夠被區(qū)分,這需要將不同的脈沖通過(guò)某一特征如頻率、波長(zhǎng)等進(jìn)行分辨。南京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用不同頻率的光脈沖復(fù)用,在探測(cè)長(zhǎng)度不變的情況下,實(shí)現(xiàn)了3倍的事件采樣率提升[35]。此外,華中科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于離散散射增強(qiáng)光纖提出了時(shí)隙復(fù)用擴(kuò)頻方案,充分利用相鄰散射信號(hào)脈沖之間的時(shí)隙資源進(jìn)行分插復(fù)用,提高發(fā)射脈沖頻率并采用重構(gòu)算法,極大地提升了傳感信號(hào)的處理速度[36]。

1.4 技術(shù)商業(yè)化

隨著光纖DAS技術(shù)在石油行業(yè)的推廣應(yīng)用,相比于傳統(tǒng)地震檢波技術(shù)呈現(xiàn)出多方面優(yōu)勢(shì),也受到越來(lái)越多的商業(yè)關(guān)注。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外已有多家企業(yè)開發(fā)了商用化設(shè)備(圖2、圖3)。

圖2 國(guó)外商用化DAS設(shè)備

表1 國(guó)外商用化DAS設(shè)備參數(shù)

近些年,國(guó)內(nèi)企業(yè)多采用與高校和科研院所合作的方式,也開始了DAS的商業(yè)化推進(jìn),代表性的產(chǎn)品參數(shù)如表2所示。光谷互連公司與華中科技大學(xué)合作,利用離散散射增強(qiáng)光纖超高信噪比的優(yōu)勢(shì),開發(fā)了兼容普通單模光纖和離散散射增強(qiáng)光纖兩種模式的DAS設(shè)備。該公司先后推出了Finder、Scouter、Thinker 3款針對(duì)不同用途的DAS產(chǎn)品,可同時(shí)滿足高性能、高性價(jià)比和后端處理算法等不同需求,其產(chǎn)品如圖3a至圖3c所示。中石油東方物探公司與電子科技大學(xué)合作開發(fā)了uDAS產(chǎn)品,并在石油領(lǐng)域開展了實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證,在地震勘探方面具有較為豐富的工程化經(jīng)驗(yàn)[40],其產(chǎn)品如圖3d所示。目前,該產(chǎn)品已在地質(zhì)勘探、管道安全檢測(cè)、隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及異物入侵監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用[9-10,41]。樸?？萍寂c上海交大合作,基于時(shí)間門控光頻域反射儀(Time gated digital-OFDR,TGD-OFDR)方案開發(fā)了Hifi-DAS,具有高保真的特點(diǎn)[42],其產(chǎn)品如圖3e所示。華為公司利用其諾亞方舟實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)大的AI研究成果,推出了具有聽得全、識(shí)得準(zhǔn)、學(xué)得快特點(diǎn)的DAS產(chǎn)品OptiXsense EF3000,用以助力無(wú)人化油氣管線巡檢,構(gòu)筑管線安全守護(hù)者的“聽覺神經(jīng)”。

表2 國(guó)內(nèi)商用化DAS設(shè)備及其特點(diǎn)

圖3 國(guó)內(nèi)商用化DAS設(shè)備

2 光纖DAS技術(shù)在石油行業(yè)中的應(yīng)用

鑒于光纖DAS技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì),其在石油行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注和推廣應(yīng)用,目前比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括地震勘探和油氣管道安全監(jiān)測(cè)。

2.1 光纖DAS技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

地震勘探技術(shù)要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高靈敏度、高空間分辨率、低成本、部署靈活的特點(diǎn),而石油管道安全監(jiān)測(cè)則要求檢測(cè)范圍廣、無(wú)盲區(qū)盲時(shí)。光纖DAS技術(shù)十分符合上述特殊要求,因此逐漸成為石油行業(yè)中極具發(fā)展?jié)摿Φ目睖y(cè)設(shè)備,表現(xiàn)出傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

1)采集密度高、傳輸容量大。在光纖DAS技術(shù)中,光纖本身既用作傳感器,也用作信息傳輸鏈路。在采集端,DAS不必像點(diǎn)式傳感器一樣通過(guò)復(fù)用進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量,而是依靠光時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布式測(cè)量,更容易實(shí)現(xiàn)高密度地震信號(hào)采集。而在傳輸過(guò)程中,不同位置的聲波信息按時(shí)間先后依次從光纖中傳回解調(diào)系統(tǒng),省去了復(fù)雜的數(shù)據(jù)匯總過(guò)程。

2)探測(cè)距離長(zhǎng)、綜合成本低。對(duì)于單套DAS系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其探測(cè)距離可達(dá)50 km甚至100 km[33],監(jiān)測(cè)尺度極大。這一特點(diǎn)可以對(duì)油氣管道實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、無(wú)盲區(qū)的實(shí)時(shí)安全檢測(cè)。此外,DAS系統(tǒng)的成本主要集中在解調(diào)終端,而傳感光纜的成本極低,超長(zhǎng)探測(cè)距離大大平攤了解調(diào)終端的成本,這是點(diǎn)式傳感器無(wú)法比擬的。

3)靈敏度高。在光纖DAS技術(shù)中,通過(guò)光相位檢測(cè)實(shí)現(xiàn)聲波測(cè)量,其以光波長(zhǎng)為“標(biāo)尺”,靈敏度極高,可以探測(cè)微地震等微弱信號(hào)。

4)定位準(zhǔn)確性高。光纖DAS系統(tǒng)的不同傳感單元通過(guò)來(lái)光的飛行時(shí)間來(lái)定位,這使得不同位置的傳感單元之間不會(huì)互相干擾,從而實(shí)現(xiàn)高精度定位。高定位精度意味著更精細(xì)的聲場(chǎng)圖像,為數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理提供了保障。

2.2 光纖DAS技術(shù)在地震勘探中的應(yīng)用

2.2.1 VSP測(cè)井

2011年,Silixa公司進(jìn)行了首個(gè)井下DAS實(shí)驗(yàn)[43],隨后多家機(jī)構(gòu)在VSP測(cè)井中進(jìn)行了眾多嘗試[44],如圖4所示,包括多井聯(lián)采實(shí)驗(yàn)、海底VSP測(cè)試等。相比于傳統(tǒng)地震檢波器只能使用離散傳感器在不同深度分別探測(cè)地震波數(shù)據(jù)并拼接,光纖DAS設(shè)備僅用一次振源激勵(lì)就可以實(shí)現(xiàn)井中連續(xù)高密度采樣,這在大幅提高采集效率、降低采集成本的同時(shí),還顯著提高了數(shù)據(jù)質(zhì)量。在此之后,有研究人員對(duì)井下VSP的光纜布設(shè)問(wèn)題進(jìn)行了討論[45],其理想方式為光纜與管壁完全粘合,但其成本較高。另一種低成本可替代方案為點(diǎn)式固定,使光纖緊貼管壁,也可以獲得較為理想的數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)目前也已經(jīng)有多家單位將商用DAS應(yīng)用于VSP測(cè)井中[31,46],在不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理情況下獲得了高信噪比的VSP資料。

圖4 VSP測(cè)井應(yīng)用

2.2.2 微地震探測(cè)

除了被應(yīng)用于VSP測(cè)井中,DAS還被廣泛應(yīng)用于微地震探測(cè)。研究人員通過(guò)探測(cè)地層中無(wú)時(shí)無(wú)刻不發(fā)生的微小地震,可還原其攜帶的地層信息,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè),如圖5所示。2018年,Silixa公司將DAS設(shè)備接入Reykjanes Peninsula上15 km的通信光纜,對(duì)其附近的山脈斷層和火山結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)斷層破碎帶的多次反射信號(hào)和體波到時(shí)延遲的現(xiàn)象[47]。隨后,一些科研機(jī)構(gòu)和公司采用海底通信光纜,對(duì)海底微地震、局部表面重力波進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以便進(jìn)一步分析海洋地質(zhì)結(jié)構(gòu)[48-49]。此外,DAS設(shè)備也被用于探測(cè)冰川結(jié)構(gòu)、地幔速度結(jié)構(gòu)[50-51],得到了初步的數(shù)據(jù)資料。

圖5 微地震探測(cè)

2.3 光纖DAS技術(shù)在管道安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

英國(guó)Optasense和Fotech公司將DAS技術(shù)應(yīng)用于管道安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的商業(yè)化程度較高,均推出了針對(duì)管道安全監(jiān)測(cè)的DAS產(chǎn)品[37-39]。由于DAS的優(yōu)異特性,其在外部入侵監(jiān)測(cè)、內(nèi)部腐蝕監(jiān)測(cè)、流速監(jiān)測(cè)等方面均有應(yīng)用。如圖6a所示,美國(guó)匹茲堡大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將光纜布設(shè)在管道表面,通過(guò)DAS追蹤聲波在管道中的傳播特性,結(jié)合基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析,驗(yàn)證了其在管道外部入侵和內(nèi)部腐蝕的監(jiān)測(cè)可行性[52]。武漢理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用地下管線鋪設(shè)兩條對(duì)稱光纜的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)入侵破壞事件的定位,如圖6b所示[53],在實(shí)際測(cè)試中取得了較好的定位精度。華中科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了管道流速的分布式測(cè)量,其原理如圖6c所示[54],利用不同速度的流體對(duì)管壁撞擊力度不同的特點(diǎn)測(cè)量管道流速,測(cè)量結(jié)果和真實(shí)結(jié)果具有非常好的一致性。

圖6 管道安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3 未來(lái)發(fā)展方向

在石油行業(yè)特別是地震勘探領(lǐng)域,相比于傳統(tǒng)的地震檢波器,光纖DAS技術(shù)還存在一些不足之處,這也為未來(lái)研究指出了發(fā)展方向。

3.1 數(shù)據(jù)超高保真光纖DAS

雖然相比于傳統(tǒng)地震檢波器,光纖DAS技術(shù)在探測(cè)成本、安裝方式、數(shù)據(jù)分辨率等方面有著顯著優(yōu)勢(shì),但是DAS的數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量仍然有待提高。目前,DAS獲得的數(shù)據(jù)信噪比還達(dá)不到傳統(tǒng)地震檢波器的水平[55]。此外,由于DAS的強(qiáng)度是波的入射角的余弦函數(shù)的平方,而傳統(tǒng)檢波器的強(qiáng)度是波的入射角的余弦函數(shù),這也進(jìn)一步削弱了DAS的信號(hào)強(qiáng)度。因此,未來(lái)還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)超高保真DAS的探究,除了在光學(xué)機(jī)理上對(duì)DAS進(jìn)行改進(jìn),在工程上也可以探索多振源探測(cè)、多光纖接收等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加。

3.2 多分量檢波光纖DAS

由于光纖DAS技術(shù)是通過(guò)探測(cè)光纖軸向應(yīng)變恢復(fù)聲波信息的,其僅能輸出一個(gè)分量上的信息,其它角度入射的振動(dòng)波以入射角的余弦函數(shù)的平方的幅值耦合在光纖軸向上。相比于傳統(tǒng)的地震檢波器,這會(huì)帶來(lái)兩點(diǎn)不足之處:①無(wú)法區(qū)分地震波的傳播方向,損失了部分有用信息;②地震波入射角對(duì)DAS的影響很大,當(dāng)入射角增大時(shí),DAS靈敏度會(huì)快速降低,甚至入射角為90°時(shí)地震波完全不能被感知。為了解決這些問(wèn)題,可以通過(guò)設(shè)計(jì)螺旋光纜結(jié)構(gòu),使光纜向不同的方向延伸,研發(fā)可進(jìn)行多分量檢波的光纖DAS系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于光纖DAS技術(shù)具有長(zhǎng)距離、高靈敏、高空間分辨率、低成本、無(wú)源、抗電磁干擾等顯著優(yōu)勢(shì),其在石油行業(yè)的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。本文主要闡述了光纖DAS技術(shù)的研究進(jìn)展和商業(yè)化進(jìn)程,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外商用光纖DAS產(chǎn)品的典型性能,探討了光纖DAS技術(shù)在地震勘探和管道安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力,并分析了其未來(lái)發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見,光纖DAS技術(shù)將憑借其獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在未來(lái)的石油行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。