[发明专利]用光纤分布式声感测(DAS)组合检测横向声信号

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年12月15日提交的美国申请序列号61/576,192的优先权，其内容在此引用作为参考。

技术领域

本发明涉及光纤器件，确切地说，涉及光纤分布式声感测(DAS)组合，它适于感测声信号，尤其是与所述器件成角度或基本上垂直行进的信号的幅度和方向。

背景技术

为了提供在石油勘探、生产和监视的语境中的感测能力，已经作出了很多尝试，成功程度各有不同。近来，这些尝试已经包括使用光纤线缆检测声能。因为线缆典型情况下包括沿着纤维的长度包含多处反向散射不均匀的光导纤维，这样的系统通过测量从激光脉冲输入到光纤中的反向散射光允许沿着光纤进行光路长度变化的分布式测量。因为这样的系统允许分布式感测，所以它们可以被称为“分布式声感测”即“DAS”系统。DAS系统的一种用途是在地震应用中，其中在已知位置的地震源把声信号传送到地层中以及/或者被动地震源发射声能。这些信号在穿过和/或反射通过地层后在地震传感器接收。可以处理接收的信号以给出它们穿过的地层的有关信息。这种技术能够用于记录多种地震信息。另一种应用是在井中应用和流体声监视的领域中。

DAS系统典型情况下检测来自光纤中杂质或不均匀的短(1-10米)激光脉冲的反向散射。如果入射地震波使光纤变形，那么1)杂质之间的距离改变以及2)激光脉冲的速度改变。这两种结果都影响反向散射过程。通过观察反向散射信号中的变化有可能重建地震波振幅。以上结果的第一种只有在光纤被轴向拉伸或压缩时才显现。第二种结果在轴向以及径向光纤变形的情况下出现。不过第二种结果比第一种结果弱几倍。不仅如此，光纤的径向变形被光纤周围的材料显著地抑制。结果，具有直光纤的常规DAS系统主要对沿着线缆轴极化的地震波敏感，比如沿着线缆传播的压缩(P)波或者垂直于线缆传播的剪切(S)波。信号强度近似随cos²θ而变，其中θ是光纤轴与波传播方向(P波)之间的夹角。因此，虽然现有的各种各样已面市的DAS系统具有变化的灵敏度、动态范围、空间分辨率、线性度等，但是所有这些系统主要对轴向应变敏感。垂直于光纤轴行进的声信号往往被称为“横向”信号，并且对于P波导致对光纤的径向应变。因此，当声信号的行进方向与光纤轴之间的夹角逼近90°时，DAS线缆对信号的灵敏度变得低得多，甚至可能无法检测到它。

因此，期望提供一种改进的线缆，对垂直于其轴向行进的信号更敏感，并且能够区分径向应变与轴向应变。对横向波的灵敏度对于线缆在地表或井下的地震或微地震应用尤其重要。除了横向灵敏度之外，也期望提供三分量(3C)感测，能够从中判断出感测信号的行进方向。

发明内容

本发明提供用于分布式声感测的改进的光纤线缆系统，该光纤线缆系统对垂直于其轴向行进的信号更敏感，从而能够更好地区分对系统的径向应变与轴向应变。垂直于线缆轴行进的声信号往往被称为“横向”信号，并且导致对光纤的径向应变。本发明还提供了三分量(3C)感测，从中能够确定感测信号的行进方向。

根据某些实施例，分布式光纤声感测系统包括具有外表面的延长体、在所述外表面上以第一预定缠绕角布置的光纤，以及光连接到所述光纤的光发射和接收装置，用于分别把光信号发射到所述光纤中和接收来自所述光纤的反向散射的信号分量。所述系统可以进一步包括在所述外表面上以第二预定缠绕角布置的第二光纤。可以关于垂直于所述体的轴的平面测量所述缠绕角，并且其中所述第一缠绕角可以为90°而所述第二缠绕角可以小于45°。

所述系统可以进一步包括在所述外表面上以90°与45°之间的缠绕角布置的第三光纤。所述光纤的至少一个可以包括布拉格光栅。

所述体可以具有圆形横截面或椭圆形横截面，并且可以包括围绕所述体的可膨胀弹性体层。

感测杆可以布置在延长体中，并且可以含有至少一个附加光纤。所述附加光纤可以基本上是直的、螺旋形的或正弦曲线形的。

所述系统可以进一步包括在所述感测杆与所述延长体之间的可膨胀弹性体层。作为补充或作为替代，所述系统可以包括在所述体外部并覆盖所述光纤的第一铠装层。所述第一铠装层可以具有椭圆形外部横截面。所述延长体可以具有非圆形横截面，所述非圆形横截面具有长半轴，并且所述第一铠装层可以被配置为使得其长半轴垂直于所述延长体的长半轴。

所述系统可以包括缠绕在所述第一铠装层外部的第二光纤。所述第一光纤和所述第二光纤可以界定不同的缠绕角。所述系统可以包括在所述第一铠装层外部并覆盖所述第二光纤的第二铠装层。所述铠装层的至少一个优选情况下包括聚酰胺或具有类似弹性阻抗的材料。