Волоконно-оптический многоканальный комплекс регистрации

Пермская научно-производственная приборостроительная компания
Институт физики микроструктур РАН (Н.Новгород)
Волоконно-оптические
многоканальные
сейсмоприемники
Актуальность работы
Чтобы сохранить статус великой нефтяной державы,
Россия в течение ближайших 10 лет должна:
• активизировать разведку новых месторождений, в
частности, на морском шельфе  потребность в
оборудовании для геологоразведки (в частности,
морской) будет возрастать
• повысить эффективность извлечения
углеводородного сырья из существующих
месторождений  необходимость разработки и
внедрения систем непрерывного внутрискважинного
мониторинга нефтегазодобычи
Наземная сейсморазведка
источник
сейсмических
волн
блок сбора данных
(многоканальный сейсмограф)
сейсмоприемники
отраженная
сейсмическая волна
сейсмическая
волна
m
нефтеносный пласт
Инерциальный
сейсмоприемник
Морская сейсморазведка
источник
акустических
импульсов
шлейф гидрофонов (1.5 - 7 км)
мембрана
нефтеносный пласт
Гидрофон
Требования к сейсмоприемникам
Наземная сейсморазведка нефти и газа:
•
•
•
•
•
•
количество сейсмоприемников в сейсмической косе: ~ 50
длина сейсмической косы: 1  1.5 км
полоса сейсмических частот: 1  100 Гц
максимальное регистрируемое сейсмическое ускорение:0,5g
динамический диапазон: не менее 110 дБ
время непрерывной записи сейсмических данных: 30  40 с
Морская сейсморазведка:
• длина шлейфа гидрофонов: до 7 км
• динамический диапазон: не менее 115 дБ
Внутрискважинный мониторинг
кабели
датчики температуры
и давления
Т  200  350 С
Непрерывный мониторинг
позволяет существенно повысить
коэффициент извлечения
углеводородного сырья из
скважины
Волоконные датчики не содержат
электронных компонентов, поэтому
могут работать при температурах
порядка 300 градусов
сейсмоприемники
(гидрофоны)
расходомеры
Требования к системам
внутрискважинного мониторинга
Система должна включать в себя:
• датчики температуры: ~100 штук и более
• сейсмоприемники: ~100 штук и более
• а также: расходомеры жидких фракций
(нефти, воды) и газа; датчики давления и т.д.
Датчики должны работать при температуре
до 200  300С в течение времени жизни скважины
(~ 10 лет)
Преимущества волоконно-оптических
сейсмоприемников и гидрофонов
1. нечувствительность к электромагнитным наводкам
2. полная взрыво- и пожаробезопасность благодаря
отсутствию токоведущих частей
3. стойкость к высоким температурам
4. приемники могут быть удалены от блока сбора
данных на расстояние 5  10 км без заметного
ухудшения параметров системы – важно для морской
сейсморазведки
5. по одному оптическому волокну можно передавать
сигналы от многих датчиков
6. на основе единого метода измерения могут быть
созданы и объединены в одну измерительную систему
датчики различных физических величин: температуры,
сейсмических колебаний и т.д.
Оптические интерференционные
вибродатчики
измерительный блок
зеркала
корпус
подвес
лазер
ответвитель
выходная мощность
фотоприемник
оптическое
волокно

расстояние между зеркалами
лазерный
пучок
Волоконно-оптический гидрофон на
основе интерферометра Маха-Цендера
сенсорное плечо
полый цилиндр
вход
оптическое
волокно
выход
ответвитель
опорное плечо
Изменения внешнего давления регистрируются по изменениям
диаметра полого цилиндра, на который намотано волокно в
сенсорном плече
Низкокогерентная интерферометрия
низкокогерентный
источник света
50% зеркало
интерферометр
Фабри-Перо
оптическое волокно
фотоприемник
фототок
измерительный
интерферометр
(перестраиваемый интерферометр Майкельсона)
расстояние между зеркалами
Фабри-Перо
разность плеч измерительного интерферометра
• В мире: волоконно -оптические сейсмоприемники для
морской сейсморазведки и системы непрерывного
внутрискважинного мониторинга ( Litton Systems,
Northrop-Grumman, etc.) – на стадии коммерциализации
• В России: разработки в настоящее время не ведутся
Ожидаемые технические характеристики
образца, предлагаемого к созданию
•
тип подключаемых датчиков: сейсмоприемники, гидрофоны,
термодатчики, датчики давления и т.д.
•
общее число датчиков в системе: до 49 (до 7 волоконных
линий, по 7 датчиков в линии)
•
частота опроса датчиков: не ниже 600 Гц
•
полоса регистрации сейсмических колебаний: 1.5  70 Гц
•
минимальное измеряемое смещение инерциальной массы
сейсмоприемника: 1 Å
•
динамический диапазон: не менее 110 дБ
•
максимальная длительность непрерывной регистрации
сейсмических сигналов: не менее 20 с
В дальнейшем работа может развиваться
по нескольким направлениям:
•
адаптация системы для морской сейсморазведки
•
адаптация системы для мониторинга нефтедобычи
•
адаптация системы для многоканального промышленного
мониторинга температуры, давления и т.д.
ВЫВОДЫ
•
•
•
•
волоконно-оптические сейсмоприемники имеют важные
преимущества по сравнению с сейсмоприемниками других
типов
в мире активно ведется разработка волоконно-оптических
сейсмоприемников, в первую очередь, для разведки морского
дна и внутрискважинного мониторинга нефте- газодобычи
разрабатываемые методы низкокогерентной
интерферометрии позволяют создать относительно недорогие
многоканальные датчики на основе коммерчески доступных
оптоэлектронных и волоконно-оптических компонентов
предлагаемая система может быть использована также для
многоканального измерения температуры, давления и других
физических величин