EA035577B1 - Рефлектометрическая система для измерения вибраций и соответствующий способ контроля многофазных потоков - Google Patents

Рефлектометрическая система для измерения вибраций и соответствующий способ контроля многофазных потоков Download PDF

Info

Publication number
EA035577B1
EA035577B1 EA201791162A EA201791162A EA035577B1 EA 035577 B1 EA035577 B1 EA 035577B1 EA 201791162 A EA201791162 A EA 201791162A EA 201791162 A EA201791162 A EA 201791162A EA 035577 B1 EA035577 B1 EA 035577B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
optical
multimode
fiber
mode
port
Prior art date
Application number
EA201791162A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201791162A1 (ru
Inventor
Андреа Гальтаросса
Лука Пальмьери
Массимо Цампато
Original Assignee
Эни С.П.А.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Эни С.П.А. filed Critical Эни С.П.А.
Publication of EA201791162A1 publication Critical patent/EA201791162A1/ru
Publication of EA035577B1 publication Critical patent/EA035577B1/ru

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/268Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/324Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres using Raman scattering
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/3109Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR
    • G01M11/3154Details of the opto-mechanical connection, e.g. connector or repeater
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/319Reflectometers using stimulated back-scatter, e.g. Raman or fibre amplifiers
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02295Microstructured optical fibre
    • G02B6/02314Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes
    • G02B6/02319Plurality of longitudinal structures extending along optical fibre axis, e.g. holes characterised by core or core-cladding interface features

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

В изобретении представлена рефлектометрическая система для измерения вибраций, предназначенная для контроля многофазных потоков в добывающих скважинах или трубопроводах с использованием многомодовых волокон, содержащая измерительное многомодовое оптоволокно; оптический источник по меньшей мере с одним выходным оптоволоконным портом, генерирующий оптические импульсы, посылаемые в указанное измерительное волокно; оптический приемник по меньшей мере с одним многомодовым оптоволоконным входным портом; оптическое устройство по меньшей мере с тремя многомодовыми оптоволоконными портами, в котором один порт связан с оптическим источником, один порт - с оптическим приемником и один порт - с измерительным многомодовым волокном; систему для обработки выходных сигналов оптического приемника, дополнительно содержащую более одного фильтра пространственной моды. Кроме того, описан способ реконфигурирования оптической рефлектометрической системы, которая уже установлена в структуре, подвергаемой контролю.

Description

Настоящее изобретение относится к системе измерения вибраций и соответствующему способу контроля многофазных потоков, в частности , в добывающих скважинах или трубопроводах, с использованием многомодового оптоволокна.
Большинство неоптических методов не предусматривает прямого взаимодействия с потоком (кроме трубок Вентури и смесителей потока), а основаны на взаимодействии с излучением различного вида. Таким образом, существует томография с использованием гамма-излучения, рентгеновского излучения и ультразвуковая томография, томография с использованием электрического импеданса и анализ диэлектрических постоянных с использованием излучения микроволнового диапазона. По самой своей природе эти методы не подходят для использования в скважине.
В общем случае оптические датчики можно подразделить на два класса: те датчики, которые мы будем называть датчиками прямого действия, в которых световое излучение взаимодействует с потоком, и датчики непрямого действия, в которых световое излучение не взаимодействует с потоком.
В датчиках прямого действия в общем случае для оценки состава потока используют явление полного внутреннего отражения, ослабления переданной или исчезающей волны и флюоресценцию; часто используют спектральные методы. Примеры датчиков прямого действия также включают оптические томографические датчики.
В случае оптических датчиков непрямого действия излучение используется, как правило, для измерения температуры или деформации, воздействующих на датчик (который представляет собой волокно, резонатор и т.п.) со стороны трубопровода, структуры скважины или даже воздействующих непосредственно из самого потока. Следует отметить, что в случае датчиков непрямого действия измеренные физические параметры не являются только температурой или деформацией; на их основе могут быть получены и другие параметры. В частности, измерения деформации соответствуют измерениям давления или вибраций, а обе ситуации часто отличаются лишь полосой частот наблюдаемого явления. Поэтому вибрацию идентифицируют как акустическую энергию, и, таким образом, один из самых полезных - оптоволоконный датчик вибрации - существует на рынке как распределенный акустический датчик. Информацию о многофазной структуре потока получают на основе этих базовых физических измерений с использованием соответствующих физических моделей и обработки первичных данных.
В данном контексте следует подчеркнуть очень важную роль, играемую распределенными оптоволоконными датчиками. В контексте измерения многофазного потока представляют интерес измерения распределения температуры и вибраций, которые обеспечивают непрерывное отображение всей скважины с достаточным пространственным разрешением, поскольку позволяют с помощью соответствующих алгоритмов вычисления оценить характеристики потока. Следует отметить, что такие распределенные измерения могут быть выполнены вдоль скважины только с применением технологий на основе использования оптоволокна.
В пределах скважины и в непосредственной близости от нее часто устанавливают множество оптических волокон, в общем случае выполненных из кварца и расположенных параллельно скважине. Имеется два типичных применения таких волокон: двухнаправленная передача данных по шине между скважиной и поверхностью или работа в качестве распределенного датчика температуры с использованием рамановской техники.
В патенте США 7668411, зарегистрированном корпорацией Schlumberger Tech. Corp., предложено различное использование таких уже установленных волокон для создания распределенного датчика вибрации посредством пространственного анализа обратно рассеянного сигнала вследствие эффекта Рэлея.
Измерительное устройство представляет собой так называемый оптический рефлектометр временной области (OTDR), который содержит импульсный оптический источник с высокой когерентностью, как правило, лазер с распределенной обратной связью (DFB); вследствие пространственной когерентности лазерного источника обратно рассеянный сигнал благодаря точкам рассеяния в пределах оптического импульса индуцирует интерференционный сигнал в приемнике.
Вследствие самой своей природы измерение рэлеевского рассеяния упрощается, если используется одномодовое оптическое волокно. Решение, предложенное в патенте США 7668411, предусматривает введение между когерентным рефлектометром OTDR и многомодовым волокном (см. фиг. 3, 4, 5 и 6 указанного патента) системы с одномодовой пространственной фильтрацией. И вновь в указанном патенте в системе с одномодовой пространственной фильтрацией используется одномодовое волокно или воздушный микроканал.
У решения, описанного в указанном патенте, имеются три следующих критических недостатка:
I. Использование системы с одномодовой пространственной фильтрацией (такой как расщепитель луча в одномодовом волокне), расположенной между лазерным источником и многомодовым измерительным волокном, приводит к сильному ослаблению измеряемого сигнала; типичное ослабление в соединении между одномодовым волокном и многомодовым волокном может варьироваться от 6 до 15 дБ. Эти потери значительно ухудшают отношение сигнал/шум и поэтому ограничивают максимальную длину измерительного волокна, пространственное разрешение, диапазон вибраций или чувствительность устройства. Потери оптического сигнала еще больше, если, как предложено в патенте США 7668411, для изготовления одномодового пространственного фильтра используется воздушный микроканал.
- 1 035577
II. Может произойти так, что выбранная одиночная пространственная мода временно нечувствительна к вибрациям в скважине. Эта проблема описана в патенте США № 7668411, в этом же патенте предлагается решить эту проблему, выбирая другой спекл; однако нет никакого описания, как делать этот выбор.
III. Интерпретация измерений распределенных вибрации может привести к критическим ситуациям. Фактически не следует забывать, что цель патента состоит в том, чтобы повторно использовать многомодовые волокна, уже установленные в скважинах для вышеуказанных целей передачи данных или измерения температуры, поэтому не обязательно оптимизированные для измерения вибраций. Многомодовые волокна предпочтительнее одномодовых для установки вдоль скважин вследствие большей простоты установки и соединений. Этот аспект делает конфигурацию системы для измерения вибраций субоптимальной и усложняет определение точных математических моделей для увязывания измерений вибраций со свойствами многофазного потока.
Была разработана новая система, которая решает эти три проблемы, указанные выше, путем устранения системы с одномодовой пространственной фильтрацией, предложенной в патенте США № 7668411 и введением подходящего оптического устройства, имеющего по меньшей мере 3 порта, основанных на многомодовом волокне между источником, многомодовым измерительным волокном измерения и приемником. Это обеспечивает лучшее отношение сигнал-шум, что можно использовать для улучшения динамических характеристик, разрешения или чувствительности.
Что касается распределенного измерения вибраций в многомодовых волокнах, изобретение позволяет решить некоторые проблемы, присущие решению, известному в литературе, которое предусматривает использование одномодового волокна между приемником и многомодовым измерительным волокном. При этом новое решение позволяет минимизировать потери, вносимые благодаря соединению между одномодовым волокном и многомодовым волокном, что повышает качество измерений. Кроме того, новшество позволяет одновременно осуществлять контроль различных спеклов обратно рассеянного сигнала, а следовательно, является нечувствительным к проблеме постепенного изменения индивидуального спекла, которая в противном случае, нарушила бы работу системы, известной в литературе.
Рефлектометрическая система для измерения вибраций согласно настоящему изобретению, предназначенная для контроля многофазных потоков, в частности, в добывающих скважинах или трубопроводах с использованием многомодовых волокон, содержит измерительное многомодовое оптоволокно;
оптический источник по меньшей мере с одним выходным оптоволоконным портом, генерирующий оптические импульсы, посылаемые в указанное измерительное волокно;
оптический приемник по меньшей мере с одним многомодовым оптоволоконным входным портом;
оптическое устройство по меньшей мере с 3 многомодовыми оптоволоконными портами, в котором один порт связан с оптическим источником, один порт - с оптическим приемником и один порт - с измерительным многомодовым волокном;
систему для обработки выходных сигналов оптического приемника, дополнительно содержащую более одного фильтра пространственной моды.
Оптический приемник предпочтительно может содержать фотодиод или несколько фотодиодов.
Фотодиод или фотодиоды предпочтительно могут быть с сегментированной приемной площадкой, по меньшей мере с 2 отдельными измерительными сегментами, а более предпочтительно с 4.
Оптический приемник может также содержать волокна с несколькими пространственными модами, установленные между входом приемника и фотодиодом или фотодиодами с сегментированной приемной площадкой (так что указанные волокна не являются одномодовыми). Количество канализированных мод в волокне с несколькими пространственными модами должно быть меньше 17, даже считая вырожденные моды, более предпочтительно меньше 13, еще более предпочтительно меньше 7.
Когда имеются по меньшей мере два фотодиода, оптический приемник может дополнительно содержать либо многомодовый оптоволоконный расщепитель сигнала, при этом в указанном расщепителе имеется 1 входной порт и количество выходных портов, по существу равное количеству фотодиодов, при этом входной порт расщепителя связан со входным портом приемника, а каждый выходной порт расщепителя связан с каждым фотодиодом некоторым отрезком многомодового оптоволокна, при этом одномодовые волокна могут быть связаны с многомодовым волокном посредством адиабатического преобразователя моды;
либо фотонный фонарь с многомодовым входом и количеством одномодовых оптоволоконных выходов, по существу равным количеству фотодиодов, при этом входной порт фотонного фонаря связан с входом оптического приемника, а каждый одномодовый выход фотонного фонаря связан с каждым фотодиодом.
Оптическое устройство, имеющее по меньшей мере 3 многомодовых оптоволоконных порта, предпочтительно может быть выбрано из следующих:
направленный ответвитель;
ответвитель/расщепитель мощности;
- 2 035577 циркулятор;
оптический переключатель.
Оптический источник может предпочтительно содержать лазер с высокой степенью когерентности, который испускает модулированный сигнал из выходного порта оптического источника;
лазер с высокой степенью когерентности, который генерирует непрерывный свет, и оптический модулятор, связанный с упомянутым лазером, при этом указанный модулятор генерирует оптические сигналы, которые посылаются в выходной порт источника.
Если желательна гетеродинная версия рефлектометрической системы согласно изобретению, в более расширенном составе она обладает следующими конкретными признаками:
оптический источник имеет два выходных порта и испускает модулированный оптический сигнал на первой частоте из первого порта и модулированный оптический сигнал на второй частоте из второго порта;
оптический приемник имеет два входных порта, из которых один является одномодовым и один многомодовым, при этом указанный многомодовый порт связан с оптическим устройством по меньшей мере 3 многомодовыми оптоволоконными портами, а указанный одномодовый порт связан с указанным вторым портом оптического источника.
В случае гетеродинной версии оптический источник предпочтительно может содержать лазер, который излучает непрерывный свет, и 3-портовый акустически-оптический модулятор, при этом входной порт модулятора связан с лазером, а два выходных порта модулятора составляют выходные порты источника, при этом модулятор выполнен так, что посылает короткие импульсы в первый порт и, по существу, более длинные импульсы - во второй порт, при этом указанный второй порт связан с одномодовым оптоволоконным портом оптического приемника.
Вновь, в случае гетеродинной версии оптический приемник предпочтительно может также содержать поляризационный ответвитель/расщепитель (поляризационный расщепитель луча) с 2 входами и 2 выходами и два фотодетектора, при этом указанный поляризационный ответвитель/расщепитель содержит первый вход, соединенный с многомодовым портом оптического приемника, и второй вход, связанный с одномодовым входом оптического приемника;
два выхода, соединенных с каждым из этих двух фотодетекторов;
при этом указанные два входа снабжены оптическими системами, способными коллимировать входные оптические пучки;
коллиматор на втором одномодовом входе имеет такие размеры, что генерируют коллимированный луч, который, по существу, перекрывает фундаментальную моду первого многомодового входа.
Фотодетекторы предпочтительно представляют собой фотодиоды с сегментированной приемной площадкой, имеющие по меньшей мере 2 сегмента.
Коллиматор одномодового входа ответвителя/расщепителя предпочтительно имеет такие размеры, что генерирует коллимированный луч, который, по существу, равномерно освещает фотодиоды с сегментированной приемной площадкой.
Оптоволокно с несколькими модами предпочтительно размещают между многомодовым входом приемника и соответствующим входом поляризационного ответвителя/расщепителя, при этом указанное оптоволокно с несколькими модами не является одномодовым.
Количество канализированных мод в оптоволокне с несколькими модами должно быть меньше 17, даже считая вырожденные моды, более предпочтительно меньше 13, еще более предпочтительно меньше 7.
Вновь, в случае гетеродинной версии оптический приемник может альтернативно содержать пространственный демультиплексор с одним многомодовым входом и по меньшей мере двумя одномодовыми выходами, при этом указанный многомодовый вход связан с многомодовым входом оптического приемника;
оптический расщепитель с одним входом и количеством выходов, равным количеству одномодовых выходов указанного пространственного демультиплексора, при этом указанный вход связан с одномодовым входом оптического приемника;
количество фотодетекторов, равное количеству одномодовых выходов указанного пространственного демультиплексора;
количество оптических ответвителей, равное количеству одномодовых выходов указанного пространственного демультиплексора, при этом каждый ответвитель объединяет каждый одномодовый выход пространственного демультиплексора с другим выходом указанного оптического делителя и направляет объединенный свет в один из фотодетекторов.
Пространственный демультиплексор может содержать многомодовый оптоволоконный расщепитель мощности, в котором каждый многомодовый выход связан с одномодовым оптоволокном.
Многомодовые волокна могут быть связаны с указанными многомодовыми выходами посредством адиабатических преобразователей моды.
- 3 035577
Пространственный демультиплексор может также представлять собой фотонный фонарь.
Еще одной целью настоящего изобретения является способ измерения вибраций вдоль некоторой структуры с использованием системы, определенной выше, и включает обнаружение многомодового измерительного оптоволокна, установленного вдоль структуры, подвергаемой контролю;
посылку светового импульса в указанное измерительное оптоволокно;
выбор одного или большего количества спеклов света, обратно рассеянного в измерительном оптоволокне благодаря рэлеевскому рассеянию посланного импульса;
генерацию сигнала, который показывает вибрации вдоль структуры, подвергнутой контролю, по множеству спеклов, собранных из указанного оптоволокна.
Указанный способ может также включать использование многомодового волокна для подачи обратно рассеянного света в оптический приемник.
Для сбора множества спеклов предпочтительно используют следующее:
либо фотодиод с сегментированной приемной площадкой;
либо многомодовый оптоволоконный расщепитель мощности с двумя или большим количеством выходных портов, при этом каждый выход связан с фотодиодом;
либо фотонный фонарь.
Еще одной целью настоящего изобретения является способ измерения вибраций вдоль некоторой структуры с использованием гетеродинной системы согласно изобретению, включающий разделение света, созданного источником, на два различных тракта;
модуляцию света в первом тракте с формированием оптического импульса, который испускается в измерительное оптоволокно, в то время как свет во втором оптическом тракте имеет оптическую частоту, которая отличается от частоты света в первом тракте;
объединение света во втором тракте с каждым из множества спеклов, собранных в измерительном оптоволокне;
обнаружение сигнала только на частоте, равной разности между частотой света в первом тракте и частотой света во втором тракте.
Еще одной целью настоящего изобретения является процесс реконфигурирования оптической рефлектометрической во временной области системы, которая уже установлена в структуре, в которой производится контроль.
Отображение колебаний вдоль скважины может быть выполнено бесконтактно в технике рефлектометрии, основанной на когерентном рэлеевском рассеянии с использованием уже установленного оптоволокна. В частности, анализируют обратно рассеянный сигнал, и с использованием двух (или большего количества) приемников параллельно можно обработать различные спеклы, связанные с интерференцией различных мод, при этом каждый несет информацию о пространстве и времени, которая меняется согласно внешнему возмущению - обычно механическому растяжению, температуре и вибрациям. В то время как механическое растяжение и температура испытывают медленные вариации, вибрации по самой своей природе быстро меняются вдоль скважины как во времени, так и в пространстве, что облегчает их распознавание и последующий анализ. Пространственное отображение температуры, деформации и вибраций (вдоль скважины) позволяет идентифицировать неисправности, вариации состава многофазного потока, образование узких мест вследствие осаждения гидратов и т.д. в режиме реального времени.
Известно, что измерение вибраций может быть намного более точным, если выполнено с использованием одномодового оптоволокна; как следствие, если желательно использовать многомодовые волокна, уже установленные в скважинах, приходится принять более низкие уровни рабочих характеристик, чем оптимальные. Новаторская идея включает использование того же самого многомодового волокна для опроса локальных датчиков, установленных вдоль скважины, для объединения результатов измерений распределенных вибраций с другими физическими параметрами. Такие локальные датчики могут быть установлены во время обслуживания скважины, возможно как объекты, уже интегрированные непосредственно в специфические компоненты скважины (например, вентили и т.д.). Измеренный параметр также может быть вибрациями, но локализованными в точке нахождения датчика, полным внутренним отражением для прямого анализа трехфазного потока, как уже описано в документах, относящихся к современному уровню данной области техники. Индивидуальные датчики можно опрашивать посредством методов мультиплексирования по длине волны так, чтобы одно и то же многомодовое волокно можно было использовать для одновременного измерения распределенных вибраций и опроса локальных датчиков.
Процесс согласно настоящему изобретению для реконфигурирования оптической рефлектометрической системы, содержащей многомодовое измерительное оптоволокно, установленное вдоль указанной структуры, источник для посылки оптических сигналов в указанное многомодовое измерительное волокно, оптический приемник для приема света, обратно рассеянного указанным измерительным волокном вследствие рэлеевского рассеяния посланного импульса, по существу, включает введение между измерительным волокном и оптическим приемником устройства для пространственного разделения множества спеклов света, обратно рассеянного вследствие рэлеевского рассеяния.
- 4 035577
Устройство для пространственного разделения множества спеклов предпочтительно может содержать многомодовый оптоволоконный расщепитель мощности, каждый выход которого связан с фотодиодом;
многомодовое оптоволокно, связанное с фотодиодом с сегментированной приемной площадкой;
фотонный фонарь, каждый выход которого связан с фотодиодом.
Указанный процесс может также включать генерацию сигнала, показывающего вибрации вдоль структуры, на которой проводят контроль, посредством аналитической системы на основе множества зарегистрированных спеклов.
Для лучшего понимания изобретения приведены примеры, демонстрирующие эффективность предложенной системы.
Пример 1.
Упрощенная схема показана на фиг. 1.
Лазер 101 с высокой когерентностью и длиной волны излучения, как правило, между 800 и 1650 нм (предпочтительно между 1300 и 1650 нм), управляемый генератором 102 электрических сигналов (импульсным генератором), испускает оптические импульсы обычно длительностью 3-200 нс (предпочтительно 20-100 нс) с частотой повторения по меньшей мере 1 кГц, которые попадают во входной порт 3 дБ-направленного ответвителя (многомодовый направленный ответвитель) 103, связанного с многомодовым измерительным волокном (многомодовое волокно) 104 через оптический соединитель 105. Сигнал, обратно рассеянный от установленного многомодового волокна, попадает в ответвитель 103 через оптический соединитель 105, и часть сигнала попадает во второй ответвитель 106, все выполненные с использованием многомодовых оптоволокон предпочтительно того же самого типа, что и многомодовое измерительное волокно, для уменьшения потерь в соединениях и паразитных отражений. Два приемника 108 с одномодовым шлейфом (одномодовым оптоволокном) 107, которые измеряют две различных части многомодового спекла, связаны с выходом ответвителя 106. После этих двух фотодиодов (ФД) 108, связанных с генератором 102, имеется плата 109 для обработки обратно рассеянных оптических сигналов и управляющего сигнала из генератора электрических сигналов (обработка электрического сигнала).
Пример 2.
Схема, показанная на фиг. 2, аналогична показанной на фиг. 1, но ответвитель 103 заменен 3портовым оптическим циркулятором (многомодовым оптическим циркулятором) 201 с вносимыми потерями, как правило, 1 дБ и направленностью больше чем 40 дБ,
Пример 3.
Схема, показанная на фиг. 3, аналогична показанной на фиг. 1, но многомодовые выходы ответвителя 106 соединены в одномодовый шнур 107 посредством плавных переходов 301 (см. фиг. 6). Эти переходы могут быть осуществлены следующими двумя способами:
i) ограниченные отборы интенсивности выполнены после сплавления одномодового волокна с многомодовым волокном, чтобы облегчить диффузию легирующего агента от сердцевины к оболочке;
ii) между этими оптоволокнами размещают очень короткий отрезок волокна с несколькими модами, геометрические характеристики которого и показатель преломления между ядром и оболочкой отличаются и являются промежуточными между аналогичными параметрами одномодового волокна и многомодового волокна.
Оба решения i) и ii) позволяют уменьшить потери в соединении.
Пример 4.
Схема, показанная на фиг. 4, аналогична показанной на фиг. 2, но введены два плавных перехода 301.
Пример 5.
Схема, показанная на фиг. 5, аналогична показанной на фиг. 2, но перед фотодиодами размещены короткие отрезки оптоволокна с несколькими модами, предпочтительно с двумя.
Пример 6.
Схема, показанная на фиг. 6, аналогична показанной на фиг. 1, но введен акустически-оптический модулятор (модулятор) для создания когерентной приемной системы, которая, возможно, также чувствительна к поляризации.
Пример 7.
Схема, показанная на фиг. 7, аналогична показанной на фиг. 1, но в приемной части введен фотодиод с сегментированной приемной площадкой (с двумя или большим количеством независимых чувствительных областей) с формированием массива из двух или большего количества приемников, каждый из которых чувствителен к одному спеклу. Фотодиод с сегментированной приемной площадкой чувствителен к длинам волн между 800 и 1700 нм.

Claims (28)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Рефлектометрическая система для измерения вибраций, предназначенная для контроля многофазных потоков с использованием многомодовых волокон, содержащая измерительное многомодовое оптоволокно;
    оптический источник по меньшей мере с одним выходным оптоволоконным портом, генерирующий оптические импульсы, посылаемые в указанное измерительное волокно;
    оптический приемник по меньшей мере с одним многомодовым оптоволоконным входным портом;
    оптическое устройство по меньшей мере с тремя многомодовыми оптоволоконными портами, в котором один порт связан с оптическим источником, один порт - с оптическим приемником и один порт - с измерительным многомодовым волокном; и систему для обработки выходных сигналов оптического приемника, дополнительно содержащую более одного фильтра пространственной моды.
  2. 2. Система по п.1, в которой оптический приемник содержит по меньшей мере один фотодиод, предпочтительно фотодиод с сегментированной приемной площадкой по меньшей мере с двумя отдельными измерительными сегментами, более предпочтительно с четырьмя.
  3. 3. Система по п.2, в которой оптический приемник дополнительно содержит волокна с несколькими пространственными модами, установленные между входом приемника и указанным по меньшей мере одним фотодиодом.
  4. 4. Система по п.3, в которой количество направляемых мод в волокне с несколькими пространственными модами, считая вырожденные моды, меньше 17, предпочтительно меньше 13, более предпочтительно меньше семи.
  5. 5. Система по п.1, в которой оптический приемник содержит по меньшей мере два фотодиода.
  6. 6. Система по п.5, в которой оптический приемник дополнительно содержит многомодовый оптоволоконный расщепитель сигнала, при этом указанный расщепитель имеет один входной порт и количество выходных портов, по существу, равное количеству фотодиодов, при этом входной порт расщепителя связан со входным портом приемника, а каждый выходной порт расщепителя связан с каждым фотодиодом отрезком одномодового оптоволокна.
  7. 7. Система по п.6, в которой одномодовые волокна связаны с многомодовыми волокнами посредством адиабатического преобразователя моды.
  8. 8. Система по п.5, в которой оптический приемник дополнительно содержит фотонный фонарь с многомодовым входом и количеством одномодовых оптоволоконных выходов, по существу, равным количеству фотодиодов, при этом входной порт фотонного фонаря связан с входом оптического приемника, а каждый одномодовый выход фотонного фонаря связан с каждым фотодиодом.
  9. 9. Система по п.1, в которой оптическое устройство, имеющее по меньшей мере три многомодовых оптоволоконных порта, предпочтительно выбрано из следующих:
    направленный ответвитель;
    ответвитель/расщепитель мощности;
    циркулятор;
    оптический переключатель.
  10. 10. Система по п.1, в которой оптический источник содержит лазер с высокой степенью когерентности, который испускает модулированный сигнал из выходного порта оптического источника;
    лазер с высокой степенью когерентности, который генерирует непрерывный свет, и оптический модулятор, связанный с упомянутым лазером, при этом указанный модулятор генерирует оптические сигналы, которые посылаются в выходной порт источника.
  11. 11. Система по п.1 в гетеродинном исполнении, в которой оптический источник имеет два выходных порта и испускает модулированный оптический сигнал на первой частоте из первого порта и модулированный оптический сигнал на второй частоте из второго порта;
    оптический приемник имеет два входных порта, из которых один является одномодовым и один многомодовым, при этом указанный многомодовый порт связан многомодовым волокном с оптическим устройством по меньшей мере с тремя многомодовыми оптоволоконными портами, а указанный одномодовый порт связан с указанным вторым портом оптического источника.
  12. 12. Система по п.11, в которой оптический приемник дополнительно содержит поляризационный расщепитель луча/ответвитель с двумя входами и двумя выходами и два фотодетектора, при этом указанный поляризационный расщепитель содержит первый вход, соединенный с многомодовым портом оптического приемника, и второй вход, связанный с одномодовым входом оптического приемника;
    два выхода, соединенных с каждым из этих двух фотодетекторов;
    при этом указанные два входа снабжены оптическими системами, способными коллимировать
    - 6 035577 входные оптические пучки;
    коллиматор на втором одномодовом входе имеет такие размеры, что генерирует коллимированный луч, который, по существу, перекрывает фундаментальную моду первого многомодового входа.
  13. 13. Система по п.12, в которой фотодетекторы представляют собой фотодиоды сегментированной приемной площадки, при этом одномодовый вход ответвителя/расщепителя предпочтительно имеет такие размеры, что генерирует коллимированный луч, который, по существу, равномерно освещает фотодиоды сегментированной приемной площадки.
  14. 14. Система по п.13, в которой фотодиоды имеют по меньшей мере два отдельных измерительных сегмента, предпочтительно четыре.
  15. 15. Система по п.13, в которой между многомодовым входом приемника и соответствующим входом поляризационного расщепителя луча размещено оптоволокно с несколькими модами, при этом указанное оптоволокно с несколькими модами не является одномодовым.
  16. 16. Система по п.15, в которой количество направляемых мод в оптоволокне с несколькими модами, считая вырожденные моды, меньше 17, более предпочтительно меньше 13, еще более предпочтительно меньше семи.
  17. 17. Система по п.11, в которой оптический приемник содержит пространственный демультиплексор с одним многомодовым входом и по меньшей мере двумя одномодовыми выходами, при этом указанный многомодовый вход связан с многомодовым входом оптического приемника;
    оптический расщепитель с одним входом и количеством выходов, равным количеству одномодовых выходов указанного пространственного демультиплексора, при этом указанный вход связан с одномодовым входом оптического приемника;
    количество фотодетекторов, равное количеству одномодовых выходов указанного пространственного демультиплексора;
    количество оптических ответвителей, равное количеству одномодовых выходов указанного пространственного демультиплексора, при этом каждый ответвитель объединяет каждый одномодовый выход пространственного демультиплексора с другим выходом указанного оптического делителя и направляет объединенный свет в один из фотодетекторов.
  18. 18. Система по п.17, в которой указанный пространственный демультиплексор содержит многомодовый оптоволоконный расщепитель мощности, в котором каждый многомодовый выход связан с одномодовым оптоволокном.
  19. 19. Система по п.18, в которой многомодовые волокна связаны с указанными многомодовыми выходами посредством адиабатических преобразователей моды.
  20. 20. Система по п.24, в которой указанный пространственный демультиплексор представляет собой фотонный фонарь.
  21. 21. Система по п.11, в которой оптический источник содержит лазер, который излучает непрерывный свет, и акустически-оптический модулятор с тремя портами, при этом входной порт модулятора связан с лазером, а два выходных порта модулятора представляют собой выходные порты источника, и при этом модулятор посылает короткие импульсы в первый порт и, по существу, более длинные импульсы во второй порт, при этом второй порт связан с одномодовым портом оптического приемника.
  22. 22. Способ измерения вибраций вдоль структуры посредством системы по меньшей мере по одному из пп.1-10, включающий обнаружение многомодового измерительного оптоволокна, установленного вдоль структуры, подвергаемой контролю;
    посылка светового импульса в указанное измерительное оптоволокно;
    выбор одного или большего количества спеклов обратно рассеянного света в измерительном оптоволокне, обусловленных рэлеевским рассеянием посланного импульса;
    генерацию сигнала, который показывает вибрации вдоль структуры, подвергнутой контролю, из множества спеклов, собранных из указанного оптоволокна.
  23. 23. Способ по п.22, дополнительно включающий использование многомодового волокна для подачи обратно рассеянного света в оптический приемник.
  24. 24. Способ по п.22, в котором для сбора множества спеклов предпочтительно используют следующее:
    либо фотодиод с сегментированной приемной площадкой;
    либо многомодовый оптоволоконный расщепитель мощности с двумя или большим количеством выходных портов, при этом каждый выходной порт связан с фотодиодом;
    либо фотонный фонарь.
  25. 25. Способ по п.22, дополнительно включающий разделение света, созданного источником, на два различных тракта;
    модуляцию света в первом тракте с формированием оптического импульса, который испускается в измерительное оптоволокно, в то время как свет во втором оптическом тракте имеет оптическую частоту, которая отличается от частоты света в первом тракте;
    - 7 035577 объединение света во втором тракте с каждым из множества спеклов, собранных в измерительном оптоволокне;
    обнаружение сигнала только на частоте, равной разности между частотой света в первом тракте и частотой света во втором тракте.
  26. 26. Способ формирования рефлектометрической системы для измерения вибраций по п. 1 путем реконфигурирования оптической рефлектометрической системы, которая уже установлена в контролируемой структуре, содержащей измерительное многомодовое оптоволокно, установленное вдоль указанной структуры, оптический источник для посылки импульсов в указанное многомодовое измерительное волокно, оптический приемник для приема обратно рассеянного света из указанного измерительного оптоволокна, обусловленного рэлеевским рассеянием посланного импульса, при этом способ включает установку устройства для пространственного разделения множества спеклов света, обратно рассеянного вследствие рэлеевского рассеяния, между измерительным оптоволокном и оптическим приемником;
    при этом упомянутое оптическое устройство имеет по меньшей мере три многомодовых оптоволоконных порта, при этом один порт связан с оптическим источником, один порт - с оптическим приемником и один порт - с измерительным многомодовым волокном.
  27. 27. Способ по п.26, в котором устройство для пространственного разделения множества спеклов содержит либо многомодовый оптоволоконный расщепитель мощности, в котором каждый выход связан с фотодиодом, либо многомодовое оптоволокно, связанное с фотодиодом с сегментированной приемной площадкой, либо фотонный фонарь, в котором каждый выход связан с фотодиодом.
  28. 28. Способ по п.26, дополнительно включающий генерирование сигнала, показывающего вибрации вдоль структуры, подвергаемой контролю, посредством системы анализа на основе множества зарегистрированных спеклов.
EA201791162A 2014-12-23 2015-12-23 Рефлектометрическая система для измерения вибраций и соответствующий способ контроля многофазных потоков EA035577B1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ITMI20142244 2014-12-23
PCT/IB2015/059913 WO2016103201A1 (en) 2014-12-23 2015-12-23 Reflectometric vibration measurement system and relative method for monitoring multiphase flows

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201791162A1 EA201791162A1 (ru) 2017-12-29
EA035577B1 true EA035577B1 (ru) 2020-07-09

Family

ID=52633383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201791162A EA035577B1 (ru) 2014-12-23 2015-12-23 Рефлектометрическая система для измерения вибраций и соответствующий способ контроля многофазных потоков

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10634551B2 (ru)
EP (1) EP3237874B1 (ru)
EA (1) EA035577B1 (ru)
WO (1) WO2016103201A1 (ru)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7040391B2 (ja) * 2018-10-02 2022-03-23 日本電信電話株式会社 後方散乱光増幅装置、光パルス試験装置、後方散乱光増幅方法、及び光パルス試験方法
JP7040390B2 (ja) * 2018-10-02 2022-03-23 日本電信電話株式会社 後方散乱光増幅装置、光パルス試験装置、後方散乱光増幅方法、及び光パルス試験方法
US12019200B2 (en) * 2019-03-12 2024-06-25 Saudi Arabian Oil Company Downhole monitoring using few-mode optical fiber based distributed acoustic sensing
CN110514287A (zh) * 2019-08-19 2019-11-29 南京邮电大学 基于单模-少模光纤耦合器的振动传感器
US11624681B2 (en) * 2020-01-16 2023-04-11 Saudi Arabian Oil Company Overcoming OTDR dead zones using a few-mode fiber
CN111289089B (zh) * 2020-03-20 2021-07-02 吉林大学 一种基于外差检测技术的分布式光纤传感***
EP4179649A1 (en) 2020-07-10 2023-05-17 Raytheon Company Receiver and system for transporting and demodulating complex optical signals
CN114448502B (zh) * 2020-11-04 2024-06-11 ***通信有限公司研究院 简并模式内差分模式时延的测量方法及装置
JP7320022B2 (ja) * 2021-04-22 2023-08-02 横河電機株式会社 光パルス試験器
US11942986B2 (en) * 2021-09-24 2024-03-26 Viavi Solutions Inc. Optical time-domain reflectometer (OTDR) including channel checker
US20230125375A1 (en) * 2021-10-21 2023-04-27 Nec Laboratories America, Inc Few-mode rayleigh-based distributed fiber sensor for simultaneous temperature and strain sensing
US11909444B2 (en) * 2022-02-11 2024-02-20 Raytheon Company Method for an all fiber optic, polarization insensitive, etalon based optical receiver for coherent signals
CN114577326A (zh) * 2022-03-04 2022-06-03 广东电网有限责任公司 基于少模光纤的分布式振动传感***及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4545253A (en) * 1983-08-29 1985-10-08 Exxon Production Research Co. Fiber optical modulator and data multiplexer
US5592282A (en) * 1993-07-22 1997-01-07 York Limited Suppression of stimulated scattering in optical time domain reflectometry
US5848204A (en) * 1995-09-08 1998-12-08 California State University-Fullerton Fiber devices and sensors based on multimode fiber Bragg gratings
US20090214154A1 (en) * 2008-02-25 2009-08-27 Fujikura Ltd. Fiber optic distributed sensor apparatus
US7668411B2 (en) * 2008-06-06 2010-02-23 Schlumberger Technology Corporation Distributed vibration sensing system using multimode fiber
CN203519149U (zh) * 2013-09-02 2014-04-02 中国石油天然气集团公司 基于相干光时域反射的振动检测装置

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02120706A (ja) * 1988-10-31 1990-05-08 Sumitomo Electric Ind Ltd 光通信路
US5708500A (en) * 1997-02-04 1998-01-13 Tektronix, Inc. Multimode optical time domain reflectometer having improved resolution
GB2424311B (en) * 2005-03-18 2008-02-13 Sensor Highway Ltd Optical pulse generator for distributed temperature sensing operating at a characteristic wavelength in a range between 1050 nm and 1090 nm
US7448447B2 (en) * 2006-02-27 2008-11-11 Schlumberger Technology Corporation Real-time production-side monitoring and control for heat assisted fluid recovery applications
GB2443661B (en) * 2006-11-08 2011-08-31 Polarmetrix Ltd Detecting a disturbance in the phase of light propogating in an optical waveguide
KR100827666B1 (ko) 2007-05-08 2008-05-07 삼성전자주식회사 반도체 장치들 및 그의 형성방법들
US8077314B2 (en) * 2007-10-15 2011-12-13 Schlumberger Technology Corporation Measuring a characteristic of a multimode optical fiber
CA2711223C (en) * 2008-01-18 2016-12-06 Sensortran, Inc. Methods and systems for extending the range of fiber optic distributed temperature sensing (dts) systems
MX340184B (es) * 2009-12-04 2016-06-28 Afl Telecommunications Llc Reflectometro optico en el dominio del tiempo cuadruple.
GB201019117D0 (en) * 2010-11-11 2010-12-29 Fotech Solutions Ltd Distributed optical fibre sensor
WO2014201057A2 (en) * 2013-06-10 2014-12-18 General Photonics Corporation Devices and methods for characterization of distributed fiber bend and stress

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4545253A (en) * 1983-08-29 1985-10-08 Exxon Production Research Co. Fiber optical modulator and data multiplexer
US5592282A (en) * 1993-07-22 1997-01-07 York Limited Suppression of stimulated scattering in optical time domain reflectometry
US5848204A (en) * 1995-09-08 1998-12-08 California State University-Fullerton Fiber devices and sensors based on multimode fiber Bragg gratings
US20090214154A1 (en) * 2008-02-25 2009-08-27 Fujikura Ltd. Fiber optic distributed sensor apparatus
US7668411B2 (en) * 2008-06-06 2010-02-23 Schlumberger Technology Corporation Distributed vibration sensing system using multimode fiber
CN203519149U (zh) * 2013-09-02 2014-04-02 中国石油天然气集团公司 基于相干光时域反射的振动检测装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S.J. Mullens ET AL.: "OTC 20429 Fiber-Optic Distributed Vibration Sensing Provides Technique for Detecting Sand Production", Offshore Technology Conference held in Houston, 6 May 2010 (2010-05-06), pages 3-6, XP055251095, DOI: dx.doi.org/10.4043/20429-MS Retrieved from the Internet: URL:https://www.onepetro.org/download/conference-paper/OTC-20429-MS?id=conference-paper/OTC-20429-MS [retrieved on 2016-02-17] the whole document *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3237874A1 (en) 2017-11-01
EP3237874B1 (en) 2023-01-25
US10634551B2 (en) 2020-04-28
US20180136036A1 (en) 2018-05-17
EA201791162A1 (ru) 2017-12-29
WO2016103201A1 (en) 2016-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EA035577B1 (ru) Рефлектометрическая система для измерения вибраций и соответствующий способ контроля многофазных потоков
US10330525B2 (en) Optical fiber vibration measurement system in multiphase flows with related method to monitor multiphase flows
US9599460B2 (en) Hybrid Raman and Brillouin scattering in few-mode fibers
EP2435796B1 (en) Optical sensor and method of use
US8077314B2 (en) Measuring a characteristic of a multimode optical fiber
JP6862712B2 (ja) 光ファイバ評価方法及び光ファイバ評価装置
EP3066423B1 (en) Single-end brillouin optical distributed sensing device and method
CN101556193A (zh) 用于校准纤维光学温度测量***的装置和方法
CN110582694B (zh) 非线性测量方法和非线性测量装置
Handerek et al. Improved optical power budget in distributed acoustic sensing using enhanced scattering optical fibre
JP5852693B2 (ja) 光ファイバ試験装置及び光ファイバ試験方法
RU140707U1 (ru) Волоконно-оптический бриллюэновский анализатор
US9244002B1 (en) Optical method and system for measuring an environmental parameter
US20220123835A1 (en) Fibre-optic measurement system, method of adaptation of the communication optical fibre into a measurement system, and fibre-optic measurement and communication system
JP7363824B2 (ja) 光パルス試験装置、及び光パルス試験方法
JP6393563B2 (ja) 光ファイバの評価方法及び評価装置
Zhou et al. Low coherent optical frequency domain reflectometry interrogates fiber Bragg grating sensors
Turolla et al. Distributed Acoustic Sensing (DAS) System with Multimode Fibers: Method and O&G Applications
KR102288155B1 (ko) 온도 센서 및 그를 포함하는 온도 센싱 시스템
Tang et al. Distributed optical fiber fusion sensing system based on dual light source and pulse precision delay technology
KR20160122319A (ko) 다중 광원을 이용한 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서 및 그 센싱방법
Munster et al. Optical Fiber Sensor Systems for Data Infrastructure Protection
JPH02176535A (ja) 光線路監視装置
CA2858332C (en) Optical method and system for measuring an environmental parameter
Zi et al. Pseudo Distributed Optic-fiber Ultra-acoustic Sensing System

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s)

Designated state(s): AM AZ BY KG TJ RU