CN103299216B - 用于提高基于扫频波长干涉测量的***中的数据保真度的可编程滤波器 - Google Patents

Abstract

公开了用于从部署在井眼中的光纤缆线中的多个传感器获取感兴趣的参数的方法、***和装置。沿着光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光。接收信号，所述信号响应于传播的光与多个传感器的相互作用。使用可编程滤波器滤波接收的信号。从滤波的信号获取感兴趣的参数。在一个方面中，光纤缆线耦合至部署在井眼中的部件并且感兴趣的参数与部件相关。

Description

用于提高基于扫频波长干涉测量的***中 的数据保真度的可编程滤波器

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年1月19日提交的申请号为13/008979的美国申请的权益，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及在用于井眼中的扫频波长干涉测量***中获取感兴趣的参数。

背景技术

在石油勘探和生产的各个方面，光学传感器被部署到井下并且地面位置处的光源通过光纤缆线向光学传感器提供光。光与光学传感器相互作用产生具有被返回地面被测量的信号的反射光。通常，在采样设备处采样返回的光，所述采样设备使用从适当的源（例如光源）获取的触发信号进行控制。当采样信号时，通常选择防止虚假重构原始信号的采样频率，虚假重构原始信号的这个过程称为混叠。可以针对选择的采样频率成功重构的最高的信号频率被称为Nyquist频率。目前使用的一些***包括抗混叠滤波器，所述抗混叠滤波器去除滤波器的选择的固定截止频率以上的信号。然而，如果信号频率正在改变，如在扫频波长***中，那么这种滤波器可能是不足够的。设计***以防止信号混叠的需求引入了限制***效用或者可能降低数据保真度的因素。因此，本公开提供方法和装置，用于缓和这些限制和/或提高扫频波长***中的数据保真度。

发明内容

在一个方面中，本公开提供从部署在井眼中的光纤缆线中的多个传感器获取感兴趣的参数的方法，所述方法包括：沿着光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；接收响应于传播的光与多个传感器的相互作用的信号；使用可编程滤波器滤波接收的信号；以及从滤波的信号获取感兴趣的参数。

在另一个方面中，本公开提供一种用于从部署在井眼中的光纤缆线中的多个传感器获取感兴趣的参数的装置，所述装置包括光源，被配置用于沿着光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；检测器，被配置用于接收响应于传播的光与多个传感器相互作用的信号；可编程滤波器，被配置用于滤波接收的信号；以及处理器，被配置用于从滤波的信号获取感兴趣的参数。

在另一个方面中，本发明提供一种用于获取部署在井眼中的部件的感兴趣的参数的***。该***包括光纤缆线，在其中具有耦合至所述部件的多个传感器；光源，被配置用于沿着光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；检测器，被配置用于接收响应于传播的光与多个传感器相互作用的信号；可编程滤波器，被配置用于滤波接收的信号；以及处理器，被配置用于从滤波的信号获取部件的感兴趣的参数。

相当广泛地总结了此处公开的装置和方法的某些特征的示例，以便可以更好地理解其随后的详细说明。当然，还存在下文公开的装置和方法的附加特征，其将形成权利要求的主题。

附图说明

为了详细理解本发明，结合相关附图，参考下面示例性实施例的详细描述，在附图中相同的部件采用相同的附图标记并且其中：

图1示出了适合用于此处描述的示例性方法和光学***的示例性石油生产***；

图2示出了适合用于图1的示例性石油生产***以获取感兴趣的参数的示例性光学电子***的示图；以及

图3示出了从图2的示例性光电***获取的信号的示例性频谱。

具体实施方式

图1示出了适合用于此处描述的示例性方法和光学***的示例性石油生产***100。图1的示例性生产***100包括井眼120中的管102，其通过光纤缆线104与地面电子仪器进行光学通信。光纤缆线104包括多个传感器106。多个传感器106中的每一个被配置用于在与光纤缆线104中传播的光相互作用时提供光学信号。光纤缆线104围绕管102的表面缠绕并且多个传感器106中的每一个从而连接在管102的特定位置处。因此，特定位置处的参数（例如应变或者温度）的变化由连接或者靠近特定位置的传感器检测，所述传感器从而提供对应于所检测的参数变化的信号。可以在地面电子仪器处对这些信号进行处理以获取参数（例如，管的应变、温度或者变形）。因此，光纤缆线可以用于各种方法，例如，实时压实监控（RTCM）、使用分布式温度传感（DTS）的管处的温度、光频域反射测量法（OFDR）或者使用扫频波长干涉测量的任何合适方法。

光纤缆线104在地面位置处耦合至询问单元108。询问单元108可以包括光源（未示出）、典型地可调谐激光器，用于通过光纤缆线104向传感器提供光、以及用于获取来自从多个传感器106接收的光的信号的电路。询问单元108可以耦合至数据处理单元110并且在一方面将获取的信号传送至数据处理单元。在一个方面，数据处理单元110接收和处理来自询问单元108的测量信号以获取参数（例如波长的测量、管处的应变或者温度）。在各个方面，数据处理单元110包括具有存储于其中的各种程序和数据的至少一个存储器115、计算机或者处理器113，可访问存储器并且被配置用于访问存储于其中的程序和/或数据中的一个或者多个以获取参数，以及记录介质117，用于记录和存储获取的参数。数据处理单元110可以将参数输出至各种设备（例如显示器112或者记录介质117）。

图1的示例性生产***100是海底石油生产***，其包括海底位置125处的管102处的传感器，所述传感器与位于海平面126处的海上平台127处的地面电子仪器（即，询问单元108）进行通信。然而，图1仅被提供作为本公开的说明而不是限制。可以可选地将***部署在陆地位置处并且所述***可以包括石油勘探***、石油生产***、随钻测量工具或者电缆测井设备，等等。另外，***可以适合与在应用中的任何部件一起使用。

图2示出了适合用于获取与图1的示例性***的参数相关的信号的示例性光学电子***200的示图。示例性光学电子***200包括光源202、具有形成于其中的一个或者多个传感器208的光纤缆线206和各种光学和电子设备（此处称为地面电子仪器212），所述光学和电子设备用于获取与一个或者多个传感器208相关的一个或者多个信号。在一个实施例中，来自光源202的光被发送至光束分离器204，所述光束分离器可以将光分成适合用于从一个或者多个传感器208获取信号的光230的第一光束和用于创建触发信号的光231的第二光束。在一个示例性实施例中，光束分离器204分离接收的光以使得第一光束230容纳光的90%以及第二光束231容纳光的10%。然而，可以使用任何分光比。环形器214可以被用于引导光230的第一光束。环形器通常包括针对光输入和输出的循环排序的多个端口。配置环形器以使得进入任何端口的光轮流传送至和退出下一端口。因此，来自光源202的光传播至光纤缆线206中。传播的光与传感器相互作用以产生信号，所述信号被返回至环形器以在检测器218处被接收。

在示例性实施例中，光源202是可调谐激光器光源，其被配置用于提供具有光波长的光，所述光以选定速率扫过一定的波长范围。光源可以是提供扫过一定波长范围的光束的任何可调谐光源或者扫频波长光源。在各个方面中，光源可以是被配置用于具有扫过一定波长范围的滤波器的宽带光源或者连续光源。波长范围和光源的扫频速率可以是预编程的或者由运行软件的控制器或者操作者提供。可选择地，光源可以被称为传播具有一定频率范围的可变光学频率的光。

可以使用可调谐光源扫频的光波长的典型范围可以是以100nm每秒的典型扫频速率从1550纳米（nm）至1650nm。范围和调谐速率可以由操作者或者处理器（例如运行软件程序的处理器230）选择。由于各种原因，可调谐光源通常不以恒定线性方式扫过所选定的范围，反而倾向于以非均匀非线性方式扫过该范围。扫频速率可以随波长变得更长而增加或者扫频的方向可以暂时反转。

光纤缆线206包括一个或者多个传感器208和基准反射器210。在示例性实施例中，一个或者多个传感器208是光纤布拉格光栅（FBG）。FBG是光纤核心的折射率中的周期性变化并且通常使用激光蚀刻工艺来创建。但是FBG仅在特定光波长（称为布拉格波长）处反射一定百分比的入射光，所述特定光波长与FBG的光栅周期直接相关。应力和环境因素（例如热变化或者机械应力）影响光栅周期并且因此在布拉格波长中产生变化。因此，由FBG反射的光的光波长中测量的偏移可以被用于确定这种环境因素（即，温度、应变等）的变化。

因此，光纤缆线206被配置用于向基准反射器210传播来自环形器204的光并且向环形器传播反射光。反射光可以由一个或者多个传感器208中的任何一个或者基准反射器210反射。基准反射器210提供基准信号，所述基准信号在与从传感器阵列的特定传感器反射的光相结合时产生干涉图案，所述干涉图案可以被用于把获取的信号与特定传感器联系在一起。基准反射器信号与传感器信号的干扰发生在传感器的特定光程长度（也称为传感器的空间频率）处。

从光纤缆线206的一个或者多个传感器208反射的光被发送至地面电子仪器212。示例性地面电子仪器212包括通过环形器214从光纤缆线206接收反射光的光电转换器（OEC）218。OEC 218可以是用于将光学信号转换成电信号的任何合适的检测器，例如光电检测器或者电荷耦合设备。在一个实施例中，OEC 218产生电信号232，所述电信号对应于所接收光的波形并且可以包括更高频率（可以是光频和/或空间频率）的各种信号。这些各种信号可以被认为是噪声信号。电信号232被发送至可编程抗混叠滤波器224，所述可编程抗混叠滤波器使用此处描述的示例性方法滤除噪声信号。选择抗混叠滤波器224以符合Nyquist采样理论，其中当采样信号小于用于采样信号的采样频率的1/2时，它是完全可重构的。具有高于采样频率的1/2的频率的信号再现虚假信号或者混叠。抗混叠滤波器224执行信号232的滤波以去除或者减少选定频率（此处称为截止频率）以上的信号分量。存在于检测***的多个频率是由于传感器处反射的光与从基准反射器反射的光之间的干扰。因此，滤波器224过滤这些频率。通常以采样速率的1/2选择截止频率。然后，滤波的信号236被提供至采样器228，在一个实施例中，所述采样器是模数转换器（ADC）。采样器228接收信号236和触发信号234。触发信号234触发信号236的采样。从而，采样器228产生采样信号（通常为数字信号）。在一个示例性实施例中，可以调谐抗混叠滤波器以去除或者减少具有截止频率以上的空间频率的信号。注意，电信号232的频率根据光源的频率而变化。抗混叠滤波器224的截止频率还随光源的频率而变化并且因此被调谐至所接收的电信号232。下面根据图3对抗混叠滤波器224的操作进行讨论。

继续参照图2，光231的第二光束被提供至触发干涉仪220，所述触发干涉仪基于光231的第二光束的光波长提供触发信号。在示例性实施例中，触发干扰仪220使用光231的第二光束的干涉干涉图案的正到负过零点（例如从干涉图的暗区至干涉图的邻近照射区域的过渡）产生触发信号。在可选实施例中，可以根据正到负过零点产生触发信号244。干涉图的任何合适部分都可以被用于产生触发信号。在一个实施例中，OEC 226可以被用于将触发信号从光学信号转换为电触发信号234。

在采样器228处接收电触发信号234以激活滤波信号236的采样。采样器228以由电触发信号确定的速率采样滤波信号236，因此所述速率与光源202的可变频率相关。

在示例性实施例中，采样器228向处理器（例如，图1的数据处理单元110）提供采样信号240。示例性处理器可以从采样信号240获取参数，所述参数可以是，例如，对应于特定传感器的波长、特定传感器处的波长偏移、传感器处的应变、传感器处的温度或者耦合至光纤缆线的部件的变形。可选择地，参数可以在包括处理器230的任何处理器处被确定。

图3示出了从图2的示例性光电***获取的信号的示例性频谱。频谱A示出了“高”频率信号的时间t处的示例性频谱并且频谱B示出了“低”频率信号的时间t+Δt处的示例性频谱。峰值301表示响应于光源202的高频率范围处的光从一个或者多个传感器208获取的信号。峰值311表示响应于光源202的低频率范围处的光的来自一个或者多个传感器的信号。频谱A的采样频率303适用于采样信号301。然而，当使用采样频率303进行采样时，频谱A的频率范围307中的各种信号（可以是例如伴随信号301的噪声信号）产生混叠效应。因此，滤波器308被应用于频谱A以在采样之前去除信号307。类似地，频谱B的采样频率313适用于采样信号311。频谱B还包括噪声317，所述噪声在使用采样频率313进行采样时可以产生混叠效应。因此，滤波器318被应用于频谱B以在采样之前去除信号317。由于信号317没有通过滤波器308的应用去除，因此滤波器308不适用于滤波频谱B的信号。因此，本公开的截止频率被编程为可调谐至所选信号的频率。在图3中所示的实施例中，滤波器308和318是低通滤波器。低通滤波器使其频率小于选定（“截止”）频率的信号通过。在可选实施例中，滤波器可以是以示例性信号301和311为中心的带通滤波器。

可选择地，峰值301可以表示在高空间频率范围从一个或者多个传感器208获取的信号，以及峰值311可以表示在低空间频率范围来自一个或者多个传感器的信号。在该可选实施例中，采样频率303和313对他们各自频谱的空间频率进行采样。

回到图2，由触发信号234提供的采样速率与光源202的可变频率相关。在一个方面，滤波器224由处理器230选择。处理器可以选择截止频率或者滤波器的类型（即低通滤波器、带通滤波器等等）。处理器230可以测量光源202的参数，所述参数可以是光源的频率或者光源202的扫频速率。处理器可以基于光源的测量参数选择滤波器224。因此，处理器可以调谐滤波器224以符合于光源202的频率。光源的扫频中的非线性通常还反映在滤波器224处的所选择的截止频率中。在另一个方面中，处理器230可以控制光源202的扫频速率和频率范围并且基于光源的频率同步滤波器224。

因此，在一个方面中，本公开提供从部署在井眼中的光纤缆线中的多个传感器获取感兴趣的参数的方法，所述方法包括：沿着光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；接收响应于传播的光与多个传感器相互作用的信号；使用可编程滤波器滤波接收的信号；以及从滤波的信号获取感兴趣的参数。可以使用处理器选择可编程滤波器。方法可以进一步包括测量从由以下组成的组选择的光的参数：（i）传播的光的频率，以及（ii）传播光的光源的调谐速率，以及使用测量的光参数选择可编程滤波器。在一个方面中，滤波接收的信号进一步包括减少接收信号的具有大于采样速率的1/2的频率的分量。采样速率可以与光源的可变频率相关。例如，可以选择带通滤波器和/或低通滤波器。感兴趣的参数可以是以下中的一个：（i）井下部件处的应力；（ii）温度；以及（iii）井下部件的变形。在各种实施例中，在一定频率范围扫过光源以传播光。

在另一个方面中，本公开提供一种用于从部署在井眼中的光纤缆线中的多个传感器获取感兴趣的参数的装置，包括光源，被配置用于沿着光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；检测器，被配置用于接收响应于传播的光与多个传感器相互作用的信号；可编程滤波器，被配置用于滤波接收的信号；以及处理器，被配置用于从滤波的信号获取感兴趣的参数。处理器可以被配置用于使用从由以下组成的组选择的光的参数选择可编程滤波器：（i）传播的光的频率，以及（ii）光源的调谐速率。处理器还可以被配置用于选择可编程滤波器以减少接收信号的具有大于采样速率的1/2的频率的分量。采样速率通常与光源的可变频率相关。处理器可以进一步被配置用于从由以下组成的组选择可编程滤波器：（i）带通滤波器以及（ii）低通滤波器。感兴趣的参数可以是：（i）耦合至光纤缆线的部件处的应力；（ii）温度；以及（iii）耦合至光纤缆线的部件的变形。在各种实施例中，光源进一步被配置用于扫过一定范围的频率。

在另一个方面中，本公开提供一种用于获取部署在井眼中的部件的感兴趣的参数的***。该***包括光纤缆线，在其中具有耦合至部件的多个传感器；光源，被配置用于沿着光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；检测器，被配置用于接收响应于传播的光与多个传感器相互作用的信号；可编程滤波器，被配置用于滤波接收的信号；以及处理器，被配置用于从滤波的信号获取部件的感兴趣的参数。可以使用从由以下组成的组选择的光的参数选择可编程滤波器：（i）传播的光的频率，以及（ii）光源的调谐速率。处理器可以选择可编程滤波器以减少接收信号的具有大于采样速率的1/2的频率的分量。采样速率通常与光源的可变频率相关。部件的感兴趣的参数可以是以下中的一个：（i）部件处的压力；（ii）温度；以及（iii）部件的变形。

尽管上述公开的内容给出了本发明的优选实施方案，但是本发明的各种改进对于本领域的技术人员而言是显而易见的。由上述公开内容得出的所有改变都在所附权利要求书的范围和精神之内。

Claims (21)

1.一种从部署在井眼中的光纤缆线中的多个传感器获取感兴趣的参数的方法，包括：

沿着所述光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光：

接收响应于所传播的光与所述多个传感器相互作用的信号；

使用截止频率随光源的可变频率变化的可编程滤波器滤波所接收的信号；以及

从所述滤波信号获取所述感兴趣的参数。

2.根据权利要求1的方法，进一步包括使用处理器选择所述可编程滤波器。

3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括测量从由以下组成的组选择的所述光的参数：(i)所传播的光的频率，以及(ii)传播所述光的光源的调谐速率，以及使用所测量的光参数选择所述可编程滤波器。

4.根据权利要求1所述的方法，其中滤波所接收的信号进一步包括减少所接收的信号的具有大于采样速率的1/2的频率的分量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述采样速率与所述可变频率相关。

6.根据权利要求2所述的方法，其中选择所述可编程滤波器进一步包括选择以下中的一个：(i)带通滤波器以及(ii)低通滤波器。

7.根据权利要求1所述的方法，其中从由以下组成的组选择所述感兴趣的参数：(i)井下部件处的应力；(ii)温度；以及(iii)所述井下部件的变形。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述频率范围扫过光源以传播所述光。

9.一种用于从部署在井眼中的光纤缆线中的多个传感器获取感兴趣的参数的装置，包括：

光源，被配置用于沿着所述光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；

检测器，被配置用于接收响应于所传播的光与所述多个传感器相互作用的信号；

可编程滤波器，被配置用于通过所述检测器利用随光源的可变频率变化的截止频率来滤波所接收的信号；以及

处理器，被配置用于从所述滤波信号获取所述感兴趣的参数。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述处理器进一步被配置用于使用从由以下组成的组选择的所述光的参数来选择所述可编程滤波器：(i)所传播的光的频率，以及(ii)所述光源的调谐速率。

11.根据权利要求9所述的装置，其中所述处理器进一步被配置用于选择所述可编程滤波器以减少所接收的信号的具有大于采样速率的1/2的频率的分量。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述采样速率与所述可变频率相关。

13.根据权利要求9所述的装置，其中所述处理器进一步被配置用于从由以下组成的组选择所述可编程滤波器：(i)带通滤波器以及(ii)低通滤波器。

14.根据权利要求9所述的装置，其中所述处理器进一步被配置用于获取从由以下组成的组选择的所述感兴趣的参数：(i)耦合至所述光纤缆线的部件处的应力；(ii)温度；以及(iii)耦合至所述光纤缆线的部件的变形。

15.根据权利要求9所述的装置，其中所述光源进一步被配置用于扫过所述频率范围。

16.一种用于获取部署在井眼中的部件的感兴趣的参数的***，包括：

光纤缆线，在其中具有耦合至所述部件的多个传感器；

光源，被配置用于沿着所述光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；

检测器，被配置用于接收响应于所传播的光与所述多个传感器相互作用的信号；

可编程滤波器，被配置用于利用随光源的可变频率变化的截止频率来滤波所接收的信号；以及

处理器，被配置用于从所述滤波信号获取所述部件的所述感兴趣的参数。

17.根据权利要求16所述的***，其中所述处理器进一步被配置用于使用从由以下组成的组选择的所述光的参数来选择所述可编程滤波器：(i)所传播的光的频率，以及(ii)所述光源的调谐速率。

18.根据权利要求16所述的***，其中所述处理器进一步被配置用于选择所述可编程滤波器以减少所接收的信号的具有大于采样速率的1/2的频率的分量。

19.根据权利要求18所述的***，其中所述采样速率与所述可变频率相关。

20.根据权利要求16所述的***，其中所述部件的所述感兴趣的参数是以下中的一个：(i)所述部件处的应力；(ii)温度；以及(iii)所述部件的变形。

21.一种获取与井眼中的部件相关的参数的方法，包括：

将所述部件放置在所述井眼中；

将具有多个传感器的光纤缆线放置在所述部件上；

沿着所述光纤缆线传播具有在一定频率范围内的可变频率的光；

接收响应于所传播的光与所述多个传感器相互作用的信号；

使用截止频率随光源的可变频率变化的可编程滤波器滤波所接收的信号；以及

处理所述滤波信号以确定所述参数。