Устройство для мониторинга виброакустической характеристики скважин
DEVICE FOR MONITORING THE VIBROACOUSTIC CHARACTERISTICS OF WELLS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для многофункционального технического мониторинга виброакустической характеристики, температуры и иных параметров воздействия на распределенный оптоволоконный датчик, в частности - для мониторинга виброакустической характеристики скважин.
Известна диагностическая система, предназначенная для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций. Система включает перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, светопроводящее волокно, отражательные датчики, например, типа решеток Брегга, расположенные по длине волокна, и контур обработки сигнала. Система может применяться также по схеме Фабри-Перо (патент РФ №2141102, опубл. 10.11.1999). Система обеспечивает высокую чувствительность к деформациям, но является очень сложной и обладает малой пространственной разрешающей способностью.
Известна система микросейсмического мониторинга, которая содержит оптическое волокно, расположенное в стволе скважины; источник света, который возбуждает оптическое волокно; по меньшей мере один датчик света, который анализирует свет рэлеевского обратного рассеяния, чтобы получать акустические сигналы для каждой из множества точек вдоль ствола скважины; и процессор, который определяет расстояние, направление или интенсивность микросейсмических событий на основании, по меньшей мере частично, фазовой информации упомянутых акустических сигналов (патент РФ №2561009, опубл. 20.05.2015).
Система обеспечивает высокую чувствительность к деформациям, но является очень сложной в части ее технической реализации и крайне ресурсоемкой в части обработки измеренных данных.
Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом -является многофункциональная система технологического мониторинга и охраны критически важных объектов - программно-аппаратный комплекс «Дунай», представляющий собой распределенный датчик для мониторинга виброакустической характеристики с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей (Т8 Сенсор (t8-sensor.ru), [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://t8.ru/wp-content/uploads/2022/08/T8-Sensor_web_2022_rus.pdf, вход свободный - (12.09.2022). Устройство для мониторинга виброакустической характеристики (так же упоминается, как распределенный акустический сенсор - Distributed Acoustic Sensor, DAS) позволяет осуществлять многофункциональный технический мониторинг, в частности -мониторинг как собственно виброакустической характеристики скважины, так и температуры (как текущей, так и дифференциальной). В качестве чувствительного элемента, как правило, используется стандартное телекоммуникационное одномодовое волокно (G.652, G.655, G.657). К волокну подключают программно-аппаратный комплекс (ПАК) - компьютер с программной системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, который осуществляет непрерывный мониторинг виброакустических событий вдоль оптоволоконного кабеля. Отметим, что некоторые аспекты прототипа более подробно раскрыты в размещенном в вышеуказанном источнике сопутствующем патенте РФ №2650620, а соответствующие программные решения, в том числе системы распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, представлены сопутствующими свидетельствами РФ о регистрации программ для электронно-вычислительных машин №2018664507 от 19.11.2018 «Программа предварительной обработки сигналов для оптических рефлектометров с нейронной системой распознавания», №2020618095 от 17.07.2020 «Модуль первичной обработки и конвертирования сигнала с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618096 от 17.07.2020 «Модуль получения, сохранения и перенаправления информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618097 от 17.07.2020 «Модуль распознавания информации с оптоволоконной системы мониторинга», №2020618098 от 17.07.2020 «Генератор отчетов», №2020618099 от 17.07.2020 «Модуль отображения информации с оптоволоконной системы мониторинга» и др. Таким образом, прототип характеризуется следующей совокупностью существенных признаков, общих с заявляемым техническим решением:
Устройство для мониторинга виброакустической характеристики скважин, содержащее функционально связанные приемо-передающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, оптоволоконный чувствительный элемент, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, фотоприемник, блок обработки сигнала, фильтр частот, включающий два фильтра, первый из которых пропускает сигнал в частотном диапазоне 25-1000 Гц, а второй - в частотном диапазоне 0-25 Гц, и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход узкополосного непрерывного лазера соединен с оптическим входом акустооптического модулятора, выход которого соединен с входом передающего оптического усилителя, вход фотоприемника через оптический фильтр соединен с выходом приемного оптического усилителя, выход фотоприемника через блок обработки сигнала соединен с блоком постобработки, управления и синхронизации, первый выход блока постобработки, управления и синхронизации соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, второй выход блока постобработки, управления и синхронизации соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом.
К недостаткам прототипа следует отнести его невысокую точность измерения применительно к условиям скважинного мониторинга, обусловленные следующим. По сути определяемая виброакустическая характеристика в прототипе представляет собой сумму распределенных измерений собственно виброакустических и температурных воздействий на чувствительный элемент. Частотная фильтрация сигнала, полученного на неопределенно размещенном в скважине чувствительном элементе не в полной мере позволяет исключить в измеряемом воздействии шум от иных воздействий, например, в низкочастотной полосе, характерной для температурных измерений, могут в значительной степени присутствовать низкочастотные механические воздействия, и т.п.
Соответственно, проблема, решаемая заявленным техническим решением, сводится к устранению отмеченных недостатков путем наиболее точного вычленения в виброакустической характеристике скважины распределенных измерений собственно виброакустических и температурных воздействий.
Технический результат - повышение точности измерений.
Выявленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для мониторинга виброакустической характеристики скважин, содержащем функционально связанные приемопередающий оптический модуль, усилительный оптический модуль, оптоволоконный чувствительный элемент, и компьютер с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей, причем приемо-передающий оптический модуль содержит узкополосный непрерывный лазер, акустооптический модулятор, фотоприемник, блок обработки сигнала, фильтр частот, включающий два фильтра, первый из которых пропускает сигнал в частотном диапазоне 25-1000 Гц, а второй - в частотном диапазоне 0-25 Гц, и блок постобработки, управления и синхронизации, а усилительный оптический модуль содержит передающий и приемный оптические усилители, оптический циркулятор и оптический фильтр, при этом выход узкополосного непрерывного лазера соединен с оптическим входом акустооптического модулятора, выход которого соединен с входом передающего оптического усилителя, вход фотоприемника через оптический фильтр соединен с выходом приемного оптического усилителя, выход фотоприемника через блок обработки сигнала соединен с блоком постобработки, управления и синхронизации, первый выход блока постобработки, управления и синхронизации соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора, второй выход блока постобработки, управления и синхронизации соединен с входом компьютера, а выход передающего оптического усилителя и вход приемного оптического усилителя через оптический циркулятор соединены с чувствительным элементом, оптоволоконный чувствительный элемент выполнен в виде пары оптических волокон, первое из которых - преднатянуто, а второе - свободно, и содержит оптический переключатель, соединенный с одной стороны с оптическим циркулятором, а с другой стороны - с упомянутыми оптическими волокнами чувствительного элемента с возможностью их попеременного включения, а блок обработки сигнала выполнен двухканальным, каналы которого соединены с входами упомянутых фильтров фильтра частот, при этом третий выход блока постобработки, управления и синхронизации соединен с управляющими входами упомянутых блока обработки сигнала и оптического переключателя для их согласованного включения.
Изобретение иллюстрируется изображениями, где: на Фиг. 1 условно представлено схематическое изображение заявленного устройства для мониторинга виброакустической характеристики скважин; на Фиг. 2 условно представлена циклограмма работы устройства для мониторинга виброакустической характеристики скважин.
Позиции на представленных изображениях означают следующее:
1 - узкополосный непрерывный лазер;
2 - акустооптический модулятор;
3 - передающий оптический усилитель;
4 - оптический циркулятор (узел ввода оптического излучения в чувствительный элемент и вывода рассеянного излучения);
5 - предварительно натянутое оптическое волокно чувствительного элемента;
6 - приемный оптический усилитель;
7 - оптический фильтр;
8 - фотоприемник;
9 - блок обработки сигнала;
10 - фильтр частот виброакустических воздействий;
11 - блок постобработки, управления и синхронизации;
12 - компьютер;
13 - фильтр частот температурных воздействий;
14 - оптический переключатель;
15 - свободное (свободно уложенное, непреднатянутое) оптическое волокно чувствительного элемента;
16 - приемо-передающий оптический модуль;
17 - усилительный оптический модуль;
18 - оптоволоконный чувствительный элемент.
В соответствии с заявленным техническим решением, устройство для мониторинга виброакустической характеристики скважин содержит функционально связанные приемо-передающий оптический модуль 16, усилительный оптический модуль 17, оптоволоконный чувствительный элемент 18 и компьютер 12 (Фиг. 1). Приемо-передающий оптический модуль 16 содержит узкополосный непрерывный лазер 1, акустооптический модулятор 2, фотоприемник 8, блок обработки сигналов 9, фильтр частот и блок постобработки, управления и синхронизации 11. Усилительный оптический модуль 17 содержит передающий 3 и приемный 6 оптические усилители, оптический циркулятор 4 и оптический фильтр 7. Выход узкополосного непрерывного лазера 1 соединен с оптическим входом акустооптического модулятора 2, оптический выход которого соединен с входом передающего оптического усилителя 3. Выход фотоприемника 8, вход которого через оптический фильтр 7 соединен с выходом приемного оптического усилителя 6, соединен с входом блока обработки сигналов 9, выход которого через фильтр(ы) частот соединен с входом(ами) блока постобработки, управления и синхронизации 11, первый выход которого соединен с модулирующим входом акустооптического модулятора 2, а второй выход соединен с входом компьютера 12, а выход передающего оптического усилителя 3 и вход приемного оптического усилителя 6 через оптический циркулятор 4 соединены с чувствительным элементом 18. Оптоволоконный чувствительный элемент 18 выполнен в виде пары оптических волокон, первое волокно 5 из которых - преднатянуто, а второе волокно 15 - свободно (волокно избыточной длины, свободно уложенное в, например, гидрогелевой оболочке кабеля). Здесь поясним, что такие волокна в кабельном исполнении представлены ООО «ИНКАБ» (преднатянутое - см. https://incabspecialty.ru/techhub/diagnostika-lep-po-opticheskomu-voloknu-v-grozozashhitnom-trose-ili-faznom-provode/, свободное в гидрофобной гелевой оболочке - https://incabspecialty.ru/techhub/kabeli-datchiki-dlya-raspredelennogo-monitoringa/). Применительно к скважинному мониторингу проведенные исследования показали, что преднатянутое волокно преимущественно чувствительно к собственно виброакустическим воздействиям, а свободное волокно преимущественно чувствительно к температурным воздействиям. Фильтр частот состоит из двух фильтров, первый из которых фильтр 10 пропускает сигнал в частотном диапазоне 25-1000 Гц и работает одновременно с волокном 5, а второй фильтр 13 пропускает сигнал в частотном диапазоне 0-25 Гц и работает одновременно с волокном 15, для этого устройство для мониторинга виброакустической характеристики скважин содержит оптический переключатель 14, соединенный с одной стороны с оптическим циркулятором 4, а с другой стороны - с упомянутыми оптическими волокнами 5 и 15 чувствительного элемента 18 с возможностью их попеременного включения, а блок обработки сигнала 9 выполнен двухканальным, каналы которого соединены с входами упомянутых фильтров 10 и 13, при этом третий выход блока постобработки, управления и синхронизации 11 соединен с управляющими входами упомянутых блока обработки сигнала 9 и оптического переключателя 14 для согласованного включения оптическими волокнами 5 и 15 и каналов блока обработки сигнала 9 с соответствующими фильтрами 10 или 13.
Заявленное устройство для мониторинга виброакустической характеристики скважин работает следующим образом. В основе работы устройства лежит принцип когерентной рефлектометрии. В когерентном рефлектометре, в отличии от обычного рефлектометра, используется более узкополосный и стабильный источник излучения. В волокно периодически вводятся оптические импульсы. Часть света рассеивается на неоднородностях волокна и распространяется в обратном направлении. Соответственно, чувствительный элемент 18 размещается в исследуемой скважине. Узкополосный лазер 1 генерирует непрерывный сигнал, который, поступая на оптический вход акустооптического модулятора 2, на выходе преобразуется в импульсные оптические сигналы. Соответственно полученные импульсные оптические сигналы усиливаются передающим оптическим усилителем 3 и через циркулятор 4 и оптический переключатель 14 поочередно поступают в оптические волокна 5 и 15 чувствительного элемента 18. Так же поочередно обратно рассеянное оптическое излучение из волокон 5 и 15 чувствительного элемента 18 поступает через оптический переключатель 14 и циркулятор 4 на вход приемного оптического усилителя 6 и далее через оптический фильтр 7 на фотоприемник 8. В фотоприемнике 8 оптический сигнал преобразуется в электрический и через двухканальный блок обработки сигнала 9 и один из фильтров 10 или 13 поступает на вход блока постобработки, управления и синхронизации 11 и далее на компьютер 12 с системой распознавания на основе машинного обучения и нейронных сетей для событийного анализа и, при необходимости, корректировки управляющих параметров блока постобработки, управления и синхронизации 11. При этом блок постобработки, управления и синхронизации 11 согласует по управляющему каналу порядок взаимодействия акустооптического модулятора 2 с оптическим переключателем 14 и блоком обработки 9 так, что формируемые акустооптическим модулятором 2 импульсы поочередно поступают в волокна 5 и 15, а соответствующие отклики после преобразования на фотодетекторе 8 поступают в соответствующий канал блока обработки 9 (в первом приближении каналы блока обработки 9 можно представить, как параллельно введенные в цепь блоки обработки для предварительной обработки и вычисления распределения дифференциального фазового набега вдоль волокна, очередность включения и синхронизация которых обеспечивается блоком постобработки, управления и синхронизации 11) и далее на входы соответственно фильтра 10 и фильтра 13.
Поясним, что при импульсном возбуждении (как для прототипа, так и для заявленного технического решения) временная зависимость средней мощности вдоль волокна сигнала обратного рассеяния и соответственно фототока фотоприемника 8 (рефлектограмма) имеет вид, близкий к экспоненте. Однако благодаря высокой когерентности исходного излучения эта рефлектограмма в пределах одного периода зондирования оказывается изрезанной случайным образом благодаря случайному характеру интерференции рассеянного излучения. В отсутствии изменений, например, температуры (виброакустического воздействия) волокна, отличия между рефлектограммами от разных групп зондирующих импульсов (как показано в прототипе), вызванные оптической интерференцией, зависят от набега оптической фазы в волокне. Поскольку фазовые и частотные характеристики каждой из групп известны, а набег оптической фазы одинаков для всех зондирующих групп, то этот фазовый набег вычисляется в результате анализа набора рефлектограмм (иными словами - интерференционных картин сигнала обратного рассеяния). В частности, обработку рефлектограмм с целью восстановления оптической фазы, можно осуществлять аналогично восстановлению фазы в широко используемом на практике методе оптического гетеродинирования. При наличии изменения температуры волокна 5 (виброаккустического воздействия волокна 15) фазовый набег в области воздействия изменяется во времени пропорционально воздействию. Величина изменения набега фазы пропорциональна величине изменения температуры (виброаккустического воздействия), а временная задержка сигнала относительно момента запуска тестирующих импульсов в волокно однозначно определяет координату воздействия. Соответственно, фильтр частот с частотой пропускания от 0 до 25 Гц в соответствующем канале блока обработки сигнала 9 обеспечивает подавление вариаций фазы, вызванных виброакустическими и иными воздействиями, а фильтр частот с частотой пропускания от 25 до 1000 Гц в соответствующем канале блока обработки сигнала 9 обеспечивает подавление вариаций фазы, вызванных температурными и иными воздействиями. С учетом сказанного выше можно подытожить, что сформированная двухканальная система с одной стороны волокон чувствительного элемента (преднатянутое волокно 5 преимущественно чувствительно к собственно виброакустическим воздействиям, а свободное волокно 15 преимущественно чувствительно к температурным воздействиям) и, с другой стороны, блока обработки сигнала 9 с фильтрами 10 (пропускает сигнал в частотном диапазоне 25-1000 Гц и работает одновременно с волокном 5) и 13 (пропускает сигнал в частотном диапазоне 0-25 Гц и работает одновременно с волокном 15) на схемном уровне обеспечивает максимальную точность распределенного измерения виброакустических и температурных изменений при скважинном мониторинге. При этом за счет двухканальности блока обработки сигнала 9 достигается сверхсуммарный эффект в части повышения точности измерений. Для пояснения этого утверждения рассмотрим циклограмму работы устройства для мониторинга виброакустической характеристики скважин с помощью графика, приведенного на Фиг. 2. На графике горизонтальная ось графика t - время, а по вертикальной оси графика U - уровень сигнала (фактически - работа/бездействие) для значимых во временном измерении элементов:
a) импульс синхронизации с периодом повторения Т;
b) зондирующий импульс (показан условно и может содержать, разные группы зондирующих импульсов (как показано в прототипе));
c) диаграмма работы оптического переключателя (для определенности - высокий уровень обеспечивает передачу оптического импульса и обратнорассеянного оптического сигнала через оптический переключатель в(из) преднатянутое волокно, низкий уровень обеспечивает передачу оптического импульса и обратнорассеянного оптического сигнала через оптический переключатель в(из) свободное волокно);
d) временной интервал обработки сигнала, получаемого с преднатянутого волокна длительностью 2Т и состоящий из двух подинтервалов первого и второго длительностью Т каждый. Для определенности первый подинтервал длительностью Т (заштрихован вертикальными линиями) предназначен для приема сигнала с выхода фотодетектора и преобразования его в цифровой код, второй интервал (заштрихован крестообразно) предназначен для вычисления сигнала (вычисления набега фазы, характерного для температурных воздействий анализируемого участка волокна), предназначенного для передачи в фильтр.
e) временной интервал обработки сигнала, получаемого со свободно уложенного волокна длительностью 2Т и состоящий из двух подинтервалов первого и второго длительностью Т каждый. Для определенности первый подинтервал длительностью Т (заштрихован вертикальными линиями) предназначен для приема сигнала с выхода фотодетектора и преобразования его в цифровой код, второй интервал (заштрихован крестообразно) предназначен для вычисления сигнала (вычисления набега фазы, характерного для виброакустических воздействий анализируемого участка волокна), предназначенного для передачи в фильтр.
На Фиг. 2 показаны соответственно по одному временному интервалу обработки для графиков d) и е). Из представленного графика следует, что построение блока предобработки в двухканальном исполнении позволяет увеличить временной интервал обработки для анализируемого участка волокна минимум в два раза по сравнению с одноканальным построением блока предобработки, или, при прочих равных, удвоить количество тестовых сигналов, что и в том и другом случае повышает точность измерений по сравнению с прототипом, не повышая общего времени вычислений.
Проведенные эксперименты подтвердили повышение точности измерений заявленным устройством до 15-20% по сравнению с прототипом.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема решена, а заявленный технический результат - повышение точности измерений - достигнут.