CN116291384A - 分布式光纤声波测井方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式光纤声波测井方法及***的技术方案，包括：发射激光并输出光脉冲信号，所述光脉冲信号的周期为预先设定；响应测量信号的变化，将所述测量信号加载到所述光脉冲信号中，调制所述光脉冲信号；解调已调制的所述光脉冲信号，输出所述测量信号。本发明的有益效果为：采用全井段线式测量的分布式光纤声波接收方式，实现了全时间、全空间、宽频率的大数据量信号采集、信号质量也得到了较大的提升。

Description

分布式光纤声波测井方法及***

技术领域

本发明涉及地球物理勘探技术领域，具体涉及了一种分布式光纤声波测井方法及***。

背景技术

随着油气田钻井规模的不断扩大及科学技术的发展，特别是测井技术的飞速发展，迫切需要先进的科学技术在油气田开采中发挥其重要作用。

声波在不同介质中传播时，速度、幅度及频率的变化等声学特性也不相同。声波测井就是利用岩石的这些声学性质来研究钻井的地质剖面，判断固井质量的一种测井方法。

现有技术中采用点式测量的声波测井***，难以实现全时间、全空间、宽频率的大数据量信号采集。如何使得声波测量实现时间、空间的全面覆盖、提高声波测量中声波信号质量的灵敏度、保真度是待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供了一种分布式光纤声波测井方法及***，实现时间、空间的全面覆盖、提高声波测量中声波信号质量的灵敏度、保真度。

本发明的技术方案包括一种分布式光纤声波测井方法，包括：S100、发射激光并输出光脉冲信号，所述光脉冲信号的周期为预先设定；S200、响应测量信号的变化，将所述测量信号加载到所述光脉冲信号中，调制所述光脉冲信号S300、解调已调制的所述光脉冲信号，输出所述测量信号。

根据所述的分布式光纤声波测井方法，所述响应测量信号的变化包括：采用分布式光纤接收传感器对所述测量信号进行响应，其中，分布式光纤接收传感器基于所述光脉冲信号的光学性质随着所述测量信号变化而变化，通过测量所述光脉冲信号以来响应测量信号的变化。

根据所述的分布式光纤声波测井方法，所述解调已调制的所述光脉冲信号包括：分解所述光脉冲信号得到调制后的光脉冲信号与待调制的光脉冲信号，对所述调制后的光脉冲信号与所述待调制的光脉冲信号按照对应的处理方式进行解调。

本发明的技术方案还包括一种分布式光纤声波测井***，包括光电地面***100、光缆***200以及井下测量***300；所述光缆***200一端与所述井下测量***300连接，另一端与所述光电地面***100连接，用于传输光脉冲信号和/或用于调节所述井下测量***300进入井内的深度；所述光电地面***100用于输出、接收以及解调所述光脉冲信号；所述井下测量***300用于将测量信号加载到所述光脉冲信号中，以及用于对所述光脉冲信号进行调制。

根据所述的分布式光纤声波测井***，所述光电地面***100包括激光发射***110、信号处理***120以及分光器140；所述激光发射***110用于产生所述光脉冲信号，包括高功率宽带光源111及光脉冲发生器112；所述信号处理***120用于将所述光脉冲信号解调得到所述测量信号，所述信号处理***120包括光脉冲信号解调处理***121；所述光电地面***100还包括显示装置130，所述显示装置130用于显示所述测量信号；所述分光器140用于将所述光脉冲信号分解为待调制的光脉冲信号与调制后的光脉冲信号。

根据所述的分布式光纤声波测井***，所述解调包括：经所述井下测量***300调制的所述光脉冲信号通过所述光缆***200返回至光电地面***100，通过所述光脉冲信号解调处理***121将调制后的所述光脉冲信号解调得到所述测量信号。

根据所述的分布式光纤声波测井***，所述光缆***200包括光电复合缆210及起吊天滑轮设备220，所述光电复合缆210缠绕在所述起吊天滑轮设备220的滑轮上，所述光电复合缆210用于传输信号。

根据所述的分布式光纤声波测井***，所述调节所述井下测量***300进入井内的深度包括：通过所述起吊天滑轮设备220在重力方向上调节或固定所述井下测量***300的垂直高度；光电复合缆210另一端与光电地面***100连接，在水平方向上调节所述光电地面***100与井口的水平距离。

本发明的有益效果为：本发明利用光波的光学性质及时响应声波等微小待测信号，以光为载体进行信号的测量，使得结果具有较高的精确性和灵敏度；采用全井段线式测量的分布式光纤声波接收方案，可实现全时间、全空间及宽频率的大数据量信号采集，信号质量也得到了较大的提升。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；

图1所示为根据本发明实施方式的一种分布式光纤声波测井流程图。

图2所示为本发明实施方式一种分布式光纤声波测井***结构图。

图3所示为本发明实施方式中光电地面***结构示意图。

图4所示为本发明实施方式一种分布式光纤声波收发器结构图。

图5所示为本发明实施方式井下声波传播示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一种分布式光纤声波测井方法，包括：

S100、发射激光并输出光脉冲信号，所述光脉冲信号的周期为预先设定。与声波不同的，光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度，具有较高的灵敏度；光的传播速度快且能传送二维信息，可用于高速测量；光的频率极高，所容纳的频带较宽，综合上述优点调制解调中以光为载体，可得到更为精确的声波等测量信号，其中光脉冲信号的周期可以预先设置为通过实验使得测量结果具有较高的精确率的数值。

S200、响应测量信号的变化，将所述测量信号加载到所述光脉冲信号中，调制所述光脉冲信号。测量信号包括温度、声波、流体流动等。所述光脉冲信号通过光缆传输。本发明采用分布式的、光纤接收传感器对所述测量信号进行响应，以来全段式、灵敏地测量信号，光纤接收传感器接收测量信号，随着测量信号的变化而改变相应的所述光脉冲信号的强度、波长、频率、相位、偏正态等光学性质。

S300、解调已调制的所述光脉冲信号，输出所述测量信号。分解光脉冲信号得到调制与待调制的光脉冲信号，可采用差式检波法、零差检波法等现有的解调方法。

与现有技术中直接测量的声波测井方法不同，本发明利用光波的光学性质及时响应声波等微小待测信号，以光为载体进行信号的测量，使得结果具有较高的精确性和灵敏度。

基于上述分布式光纤声波测井方法的原理，本发明还提出一种分布式光纤声波测井***。如图2所示，本实施例提出一种分布式光纤声波测井***包括：光电地面***100、光缆***200以及井下测量***300。所述光缆***200一端与井下测量***300连接，另一端与光电地面***100连接，主要用来传输光脉冲信号，还用于调节井下测量***300进入井内的深度。所述光电地面***100主要用来光信息的发射、接收以及解调，解调包括从接收的光脉冲信号中解调出井下温度、压力、流量、声波等测量信号。所述井下测量***300用于将测量信号加载到光脉冲信号中，实现对光脉冲信号的调制。

如图3所示，光电地面***100包括激光发射***110、信号处理***120。其中，激光发射***110用来产生光脉冲信号，主要包括高功率宽带光源111(图3中并未示出)、光脉冲发生器112(图3中并未示出)；信号处理***120用来将调制后的光脉冲信号解调得到测量信号；信号处理***120包括光脉冲信号解调处理***121(图3中并未示出)。所述光电地面***100还包括显示装置130，用来显示测量信号的结果，可以以文字或者图像等任一方式显示。所述光电地面***100还包括分光器140，用于将发射的光脉冲信号与接收的、调制后的光脉冲信号输入到不同的***中，例举的，激光发射***110产生的光脉冲信号输入到光缆***200中，待井下测量***300进行信号的调制；光缆***200输出调制后的光脉冲信号，调制后的光脉冲信号通过分光器140输入至信号处理***120进行解调，通过分光器140将光脉冲信号分解为代调制的光脉冲信号与调制后的光脉冲信号。

所述光缆***200包括一套光电复合缆210，一台起吊天滑轮设备220，光电复合缆210缠绕在起吊天滑轮设备220的滑轮上，光电复合缆210一端与井下测量***300连接(图2并未示出)，通过起吊天滑轮设备220在重力方向上调节井下测量***300的垂直高度，放置井下测量***300达到预设的井深时，将其固定；光电复合缆210另一端与光电地面***100连接，在垂直于重力方向的水平方向上调节光电地面***100与井口的水平距离，光电地面***100与井口的水平距离越近，井下测量***300到达的井深就越深。所述光电复合缆210用于传输信号，所述传输信号可以是光、电等类型的信号，例举的，本发明中的光电复合缆210用于传输光脉冲信号。

为了提高井下探测的深度以及灵敏度，本发明提出一种分布式光纤声波收发器。参照图4，分布式光纤声波收发器包括外壳310，为中空的柱状结构；多个背衬322，设置在外壳310内，且沿外壳310轴向有多个间隔排布的背衬322，相邻背衬322通过光电连接头350连接；光纤321，设置在外壳310内，光纤321设置有若干个接收段320，每个接收段320的光纤321按照预设角度缠绕在背衬322上；至少一个声波信号源340

在一实施例中，声波信号源340用于间隔、各向地发射固定频率的声波信号。声波信号源340采用偶极子换能器进行声波信号的激发，其中声波信号源340包括发射电子线路、声源发射器，其中，声源发生器可以为阵列式单极、偶极或者多极压电陶瓷、电火花震源、机电震源等。声波信号源340在地面控制信号和驱动信号的作用下，向井眼周围连续发射大功率的声波信号，声波信号以不同的角度辐射到探井的井壁，产生反射、衍射、滑行等声波信号，其中滑行声波信号在传播过程中亦以90°入射角不断发生折射。

在一实施例中，参照图5，声波信号源340向井内周围的介质里发射声波，根据菲涅儿定律，当信号从一个折射率为x1的均匀介质向另一个折射率为x2的均匀介质传播时，在两者的交界处会同时放生反射和折射，且反射角等于入射角，可知，当发射声波在遇到波组抗界面后，会反射回井内，透过外壳被接收段320接收。接收段320中的各个位置会随着声波的振动而产生相同频率的拉伸或者压缩，此时，接收段320各个位置发生背向瑞利散射波的相位发生相应的变化，实现声波的加载。

在一实施例中，若干个接收段320按照预设距离排布、组成一个光纤接收组330；靠近声波信号源340的光纤接收组330为第一光纤接收组；远离声波信号源340的光纤接收组330为第二光纤接收组；第一光纤接收组用于接收中、高频声波信号；第二光纤接收组用于接收低频声波信号。

在一实施例中，光纤321按照一定角度缠绕在背衬322上形成接收段320，其中，光纤321的纤芯中写入布拉格型光纤光栅，并采用环氧树脂作为光纤321的封装材料，对光纤321增敏，以提高声波信号的响应敏感程度。背衬322为微型的圆柱实心体，背衬322的外壳为高强度耐腐蚀的钛合金、金属、密度大的合金钢、防锈处理的铸铁或其他未罗列的高密度材质；背衬322设置有可调节的螺距的螺旋槽和卡扣结构，刚性背衬322的螺旋槽与光纤321相互耦合以来承载增敏光纤，可通过调节螺旋槽的螺距和大小来调节接收段320的性能，如接收方向、频率范围等。高频声波信号频率资源丰富，***容量大，但是频率越高，传输损耗越大，覆盖距离越近，第一光纤接收组用于接收中、高频声波信号，可通过调节螺旋槽的螺距和大小来调节增敏光纤组成的接收段320的性能，如接收方向、频率范围；例举的，调节螺旋槽的螺距，进一步缩小螺旋槽的螺距，使得增敏光纤缠绕紧密，尽可能的接收到中、高频率范围的声波信号；空气对低频的声波吸收小，衰减小，低频的声波信号传输的更远，第二光纤接收组用于接收低频声波信号，例举的，调节螺旋槽的螺距，进一步增大螺旋槽的螺距，使得分布式微结构增敏光纤缠绕稀疏，尽可能的接收到低频率范围的声波信号，此外光纤321通过绕线槽走线，保护了光纤321，减少了光纤321断裂的风险。可通过调节螺旋槽的角度使得增敏光纤在背衬322缠绕角度可在20度到70度之间，以增强接收段320的性能。

在一实施例中，多个光纤接收组330依次排列在一条直线上，通过多个光电连接头350连接组成连续的结构件，即组成分布式光纤声波接收器。靠近声波信号源340的光纤接收组330为第一光纤接收组，第一光纤接收组用于接收中、高频声波信号，可通过调节光纤接收组330中接收段320之间的距离，增强光纤接收组330的性能，例举的，使得第一光纤接收组中的各个接收段320之间紧密排布，例如，10个接收段320等间隔形成第一组，其中间隔为10cm；远离声波信号源340的光纤接收组330为第二光纤接收组，第二光纤接收组用于接收低频声波信号，例如，10个接收段320等间隔形成第二组，或者10个接收段320以间隔逐渐增加的方式组成第二组，例如，间隔为20cm，30cm，40cm，50cm，...，1m。

设置不同频段的光纤接收组330，其中紧靠声波信号源340的光纤接收组330为常规接收组；距离声波信号源340最末端的光纤接收组330为低频接收组。常规频率的声波信号传输距离相对较近，因此常规接收组中各个接收段320彼此排布较为紧密，且靠近发射单元；低频的声波信号传输距离相对较远，因此低频接收组中各个接收段320彼此排布较为稀疏，且远离发射单元。设置分布式的、多个的光纤接收组330，可以大范围、全方位的对探井中的分布声学特征进行提取，对测井资料的评价解释上有很大的提高作用。

在一实施例中，外壳310为刚性结构，且设有用于上下连接的接口，并在外壳310上设有多个透声窗311。外壳310上设置多个隔声槽结构，隔声槽结构包括多个平行、错位的刻槽。外壳310包括用于上下衔接的接口和多个透声窗311，其中每个透声窗311包括一个或多个窗口用于滑行声波信号的直接传输，减少的滑行声波信号传输过程中的损耗，其中窗口可以对称或不对称分布，也可以是一个环形大窗口。外壳310还可以设置多个平行、错位的隔声槽结构，隔声槽结构可以增大直达声波信号的传输距离进一步减弱直达声波信号；或使得直达声波信号沿着不同的传播路径得到不同相位的直达声波信号，不同相位的直达声波信号进一步叠加可减弱直达声波信号的幅度；或缓冲声波信号与外壳310的振动耦合进一步降低振动耦合带来的干扰。当声波信号源340发射声波信号时，沿着外壳310传播的声波信号为直达声波信号，这种直达声波信号并未记录有关探井的声学特征为干扰波，直达声波信号经过外壳310隔声槽结构大部分被消减；沿着井壁折射的声波信号为滑行声波信号，记录探井的声学性质为待测声波信号，滑行声波信号通过透声窗311的窗口进入接收段320。

本发明设置分布式的、多个的光纤接收组330，可以大范围、全方位的对探井中的分布声学特征进行提取，其中外壳310采用长距离、平行的错位刻槽以及隔声槽结构能够很大程度的避免直达波的干扰影响，光纤321的光学特性能够导致光纤声波收发器对轻微的振动产生较大的相位变化，使得本发明的分布式、多个的光纤接收组330能够灵敏的采集滑动声波信号，使得分布式光纤声波收发器在测量的深度和灵敏度上得到了很大程度的提升。

与传统压电陶瓷声波收发器利用压电陶瓷的压电效应和逆压电效应实现电能和声能的相互转化不同的是，本发明的分布式光纤声波收发器利用光学特性实现光能与声能的转化，对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量所钻地层的地质和岩石物理参数。

井下测量***300可采用分布式光纤声波收发器进行声波的加载。光受到外界因素的影响，相应的光学性质，例如，强度、波长、频率、相位、偏正态等发生改变。分布式光纤声波接收声系310用于响应测量信号的微小变化，例如，温度的变化、声波、流体流动等产生的微小振动，具有较高的灵敏度，将所述测量信号加载到光脉冲信号中，例举的，声源产生的声波信号，通过井下测量***300将声波信号加载到光脉冲信号，所述声源可以是地面激发的地震波、井中流体流动产生的微小振动，若没有可用的声源，井下测量***300还包括声源发射器320，声源发射器320可放置在任意位置，示例性的，声源发射器320与分布式光纤声波接收声系310连接并在一条直线上。分布式光纤声波接收声系310包括多组光纤接收器311和多组光电复合快速接头312，其中，多组光纤接收器311的分布式测量，进一步扩大了接收的测量信号的方向、空间范围，能够实现大范围测量场分布信息的提取，相比于点式测量分布式测量的信号质量具有更大的提升。基于光在光脉冲信号调制***中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型频率调制型、波长调制型等，本发明采用任意一种调制方式。多组光纤接收器311间距或不等间距分布在一条直线上，光电复合快速接头312两端分别连接光纤接收器311，多组光纤接收器311和多组光电复合快速接头312组成光纤接收阵列。

在一实施例中，光电地面***100在水平方向上远离或者靠近井口做匀速运动，通过光缆***200传递作用，井下测量***300在重力方向上从井下到井口或者井口到井下做匀速运动，通过重力方向上的匀速运动，井下测量***300可以到达不同井深的各个位置，结合分布式部署的光纤接收器311，本发明实施例可以测量不同方向上声波的反射、折射、直射等多种类型的信号，在对信号解调的过程中，根据不同方向、速度的信号，可以获得声波信号在井中的分布特征，相比于点式测量，本发明的运动、分布式测量在信号更利于实现大范围测量场分布信息的提取。

与现有技术中采用点式测量的声波测井***不同，本发明采用全井段线式测量的分布式光纤声波接收声系，可实现全时间、全空间、宽频率的大数据量信号采集、信号质量也得到了较大的提升。此外，分布式光纤声波接收声系310基于光波的光学性质及时响应声波等微小待测信号，具有较高的灵敏度。

经井下测量***300调制的光脉冲信号通过所述光缆***200返回至光电地面***100，光脉冲信号解调处理***121将调制后的光脉冲信号解调得到测量信号，保存得到的测量信号供后续分析，并可通过显示装置130进行显示。

应当认识到，本发明实施例中的方法步骤可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机***通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机***的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.一种分布式光纤声波测井方法，其特征在于，包括：

S100、发射激光并输出光脉冲信号，所述光脉冲信号的周期为预先设定；

S200、响应测量信号的变化，将所述测量信号加载到所述光脉冲信号中，调制所述光脉冲信号；

S300、解调已调制的所述光脉冲信号，输出所述测量信号。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤声波测井方法，所述响应测量信号的变化包括：

采用分布式光纤接收传感器对所述测量信号进行响应，其中，分布式光纤接收传感器基于所述光脉冲信号的光学性质随着所述测量信号变化而变化，通过测量所述光脉冲信号以来响应测量信号的变化。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤声波测井方法，所述解调已调制的所述光脉冲信号包括：

分解所述光脉冲信号得到调制后的光脉冲信号与待调制的光脉冲信号，对所述调制后的光脉冲信号与所述待调制的光脉冲信号按照对应的处理方式进行解调。

4.一种分布式光纤声波测井***，其特征在于，包括光电地面***(100)、光缆***(200)以及井下测量***(300)；

所述光缆***(200)一端与所述井下测量***(300)连接，另一端与所述光电地面***(100)连接，用于传输光脉冲信号和/或用于调节所述井下测量***(300)进入井内的深度；

所述光电地面***(100)用于输出、接收以及解调所述光脉冲信号；

所述井下测量***(300)用于将测量信号加载到所述光脉冲信号中，以及用于对所述光脉冲信号进行调制。

5.根据权利要求4所述的分布式光纤声波测井***，所述光电地面***(100)包括激光发射***(110)、信号处理***(120)以及分光器(140)；

所述激光发射***(110)用于产生所述光脉冲信号，包括高功率宽带光源(111)及光脉冲发生器(112)；

所述信号处理***(120)用于将所述光脉冲信号解调得到所述测量信号，所述信号处理***(120)包括光脉冲信号解调处理***(121)；

所述光电地面***(100)还包括显示装置(130)，所述显示装置(130)用于显示所述测量信号；

所述分光器(140)用于将所述光脉冲信号分解为待调制的光脉冲信号与调制后的光脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的分布式光纤声波测井***，所述解调包括：

经所述井下测量***(300)调制的所述光脉冲信号通过所述光缆***(200)返回至光电地面***(100)，通过所述光脉冲信号解调处理***(121)将调制后的所述光脉冲信号解调得到所述测量信号。

7.根据权利要求4所述的分布式光纤声波测井***，所述光缆***(200)包括光电复合缆(210)及起吊天滑轮设备(220)，所述光电复合缆(210)缠绕在所述起吊天滑轮设备(220)的滑轮上，所述光电复合缆(210)用于传输信号。

8.根据权利要求7所述的分布式光纤声波测井***，所述调节所述井下测量***(300)进入井内的深度包括：

通过所述起吊天滑轮设备(220)在重力方向上调节或固定所述井下测量***(300)的垂直高度；光电复合缆(210)另一端与光电地面***(100)连接，在水平方向上调节所述光电地面***(100)与井口的水平距离。

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