МАТРИЦЫ ДАТЧИКОВ, ПРЕДУСМАТРИВАЮЩИЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ПО ВРЕМЕНИ (МРВ) И МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЕ С РАЗДЕЛЕНИЕМ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ (МРДВ) Российский патент 2018 года по МПК G01D5/353 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Варианты осуществления данного изобретения относятся в основном к опросу оптических компонентов, а конкретнее - к способам и устройствам, позволяющим избежать перекрытия друг с другом отражений из разных матриц оптических элементов вдоль одного и того же волновода при опросе с помощью света, подвергнутого развертке по длинам волн.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0002] Многие оптические компоненты имеют длину волны в среде, которую можно найти путем опроса оптического компонента источником света, способным генерировать свет на различных длинах волн в фиксированном спектре или фиксированной полосе пропускания. Например, волоконные брэгговские решетки (ВБР) (в типичном случае формируемые посредством фотоиндуцированной периодической модуляции показателя преломления сердцевины оптического волновода) являются сильно-отражающими для света, имеющего длины волн в пределах узкой полосы пропускания с центром на длине волны, обычно именуемой брегговской длиной волны. Поскольку свет, имеющий длины волн вне этой узкой полосы пропускания, пропускается без отражения, брегговские длины волн можно определять посредством опроса брегговской решетки источником света с разверткой по полосе пропускания, которая включает в себя брегговскую длину волны, и оперативного контроля спектра отраженной оптической мощности в блоке приемника. Поскольку брегговские длины волн зависят от физических параметров, таких, как температура и деформация, Брэгговские решетки можно использовать в системах оптических датчиков для измерения таких параметров.

[0003] В этих оптических системах, а также в широком круге оптических систем других типов, измерение длины волны в среде оптического компонента с высокой точностью (и/или с высокой воспроизводимостью) важно для эксплуатационных характеристик системы. Двумя существенными параметрами, определяющими погрешность любого такого измерения, являются отношение «сигнал-шум» (ОСШ) и эффективная продолжительность интегрирования в измерительной системе. ОСШ зависит от многих факторов, включая принимаемую оптическую мощность, шум источника света и шум приемника. Эффективная продолжительность интегрирования зависит от общего времени усреднения и доли этого времени, которая затрачивается на генерирование полезных сигналов в блоке приемника. Увеличение этих двух параметров может привести к повышению воспроизводимости и точности измерения длины волны в среде.

[0004] Обычные опрашивающие устройства на основе брегговской решетки, предусматривающей развертку по длинам волн, ограничены в количестве датчиков, которые можно опросить по одиночному волокну посредством оптической полосы пропускания источника, потому что для опроса датчиков используется только мультиплексирование с разделением по длине волны (МРДВ). Многие приложения, предусматривающие использование датчиков на основе брэгговской решетки, можно улучшить, увеличивая количество датчиков в системе.

[0005] В некоторых случаях эту проблему решали, увеличивая оптическую полосу пропускания источника света, чтобы обеспечить мультиплексирование большего количества датчиков по оптическому волокну с помощью МРДВ.

[0006] В других случаях использовали метод интерферометрии, предусматривающей развертку по длинам волн. Этот метод может обеспечить мультиплексирование с разделением по времени (МРВ) датчиков решетки; вместе с тем, метод интерферометрии, предусматривающей развертку по длинам волн, может страдать от ограниченного диапазона пространственного окна, а также ограниченного разрешения по длине волны. При еще одном подходе, для датчиков брегговской решетки, предусматривающей МРВ, использовали стробированные по времени лазеры.

Сущность изобретения

[0007] Варианты осуществления данного изобретения относятся в основном к опросу групп оптических элементов, имеющих длины волн в среде, охватывающие некоторый диапазон развертки, позволяя при этом избежать перекрытия друг с другом отражений, принимаемых из разных групп в приемнике при осуществлении развертки по длинам волн. Некоторые варианты осуществления могут предусматривать другие механизмы задержки между разными группами оптических элементов, что обеспечивает физическое размещение групп в непосредственной близости друг к другу.

[0008] В одном варианте осуществления данного изобретения предложен способ оптического опроса. Способ в основном заключается в том, что: вводят импульс света посредством источника света в оптический волновод для опроса, по меньшей мере, первой и второй групп оптических элементов путем развертки по длинам волн на протяжении периода импульса, причем оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде и при этом первая и вторая группы разделены по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов во второй группе и достигает приемника; и обрабатывают отраженный свет, определяя один или несколько параметров, соответствующих оптическим элементам.

[0009] В другом варианте осуществления данного изобретения, предложено устройство для оптического опроса. Это устройство в основном включает в себя: оптический волновод; источник света, конфигурация которого обеспечивает введение импульса света в оптический волновод для опроса, по меньшей мере, первой и второй групп оптических элементов путем осуществления развертки по длинам волн на протяжении периода импульса, причем оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде; приемник, причем первая и вторая группы разделены по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов во второй группе и достигает приемника; и обрабатывающую систему, конфигурация которой обеспечивает обработку отраженного света для определения одного или нескольких параметров, соответствующих оптическим элементам.

[0010] В еще одном варианте осуществления данного изобретения, предложена система для измерения одного или нескольких скважинных параметров. Система в основном включает в себя: ствол скважины; оптический волновод, по меньшей мере, частично расположенный в стволе скважины; источник света, конфигурация которого обеспечивает введение импульса света в оптический волновод путем осуществления развертки по длинам волн на протяжении периода импульса; по меньшей мере, первую и вторую группы оптических элементов, расположенные вдоль оптического волновода, причем оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде; приемник, причем первая и вторая группы разделены по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов во второй группе и достигает приемника; и обрабатывающую систему, конфигурация которой обеспечивает обработку отраженного света для определения одного или нескольких скважинных параметров, соответствующих оптическим элементам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0011] Таким образом, лучше понять вышеизложенные признаки данного изобретения и более конкретное описание изобретения, вкратце охарактеризованного выше, можно обратиться к вариантам осуществления, часть которых проиллюстрирована на прилагаемых чертежах. Вместе с тем, следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют лишь типичные варианты осуществления этого изобретения, и поэтому их не следует считать ограничивающими объем его притязаний, поскольку для изобретения можно принять и другие, столь же эффективные варианты осуществления.

[0012] На фиг.1A изображен пример системы пропускающих оптических датчиков с управлением разверткой по длинам волн в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0013] на фиг.1B изображен пример системы отражающих оптических датчиков с управлением разверткой по длинам волн в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0014] на фиг.2 изображен пример источника света c разверткой по длинам волн, в котором используется перестраиваемый фильтр, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0015] фиг.3 иллюстрирует пример опроса датчиков, мультиплексированных с разделением по времени (МРВ-) и эффективно мультиплексированных с разделением по длинам волн (эМРДВ-), по одиночному волокну с помощью источника света, предусматривающего быструю развертку, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0016] фиг.4 иллюстрирует пример времени возврата сигналов из трех смежных матриц оптических эМРДВ-датчиков, расположенных в порядке возрастания длин волн в пределах каждой матрицы и опрашиваемых с разверткой согласно увеличивающейся длине волны из источника света, предусматривающего быструю развертку, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0017] фиг.5 иллюстрирует пример времени возврата сигналов из двух смежных матриц оптических эМРДВ-датчиков, расположенных в порядке возрастания длины волны в пределах каждой матрицы и разделенных незаполненной секцией волокна и опрашиваемых с разверткой согласно увеличивающейся длине волны из источника света, предусматривающего быструю развертку, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0018] на фиг.6A изображен пример компоновки групп МРВ- и эМРДВ-датчиков, близость которых вдоль оптического волновода ограничена временем возврата сигналов из групп датчиков, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0019] на фиг.6B изображен пример компоновки групп МРВ- и эМРДВ-датчиков, имеющих катушку задержки, находящуюся между датчиками каждой группы, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0020] на фиг.6C изображен пример компоновки групп МРВ- и эМРДВ-датчиков, имеющих множество контуров обратной связи с задержкой, находящихся между датчиками каждой группы, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения;

[0021] на фиг.7 представлена блок-схема возможных операций опроса многочисленных групп оптических элементов в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения; и

[0022] на фиг.8 представлено схематическое сечение примера ствола скважины с матрицами многочисленных датчиков в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0023] В вариантах осуществления данного изобретения предложены способы и устройства для опроса матриц оптических датчиков, мультиплексированных с разделением по времени (МРВ-) и эффективно мультиплексированных с разделением по длинам волн (эМРДВ-), имеющих длины волн в среде, охватывающие некоторый диапазон развертки, позволяя при этом избежать перекрытия друг с другом отражений, принимаемых из разных матриц в приемнике при осуществлении развертки по длинам волн. Предотвращение перекрытия друг с другом отражений, принимаемых из разных матриц оптических датчиков, может иметь своим результатом обеспечение эффективного разделения по времени (например, за счет соответствующего участка оптического волокна) между матрицами таким образом, что отражения из одной матрицы не перекрываются с отражениями из другой матрицы. Некоторые варианты осуществления могут предусматривать механизмы задержки между разными матрицами оптических датчиков, тем самым обеспечивая возможность физического размещения матриц в непосредственной близости друг к другу. В том смысле, в каком выражение «физическое размещение в непосредственной близости» употребляется здесь, оно относится к расстоянию между двумя матрицами, являющемуся меньшим, чем измеряемая по прямой длина оптического волокна (или другого волновода), имеющая задержку при распространении в прямом и обратном направлениях, эквивалентную разделению по времени.

Пример системы оптических датчиков

[0024] На фиг.1A изображен пример системы 100 оптических датчиков, предусматривающая использование управления сканированием по длинам волн, в соответствии с одним вариантом осуществления данного изобретения. Как изображено, система 100 может включать в себя источник 110 света, предусматривающий развертку по длинам волн, один или несколько пропускающих оптических элементов 120, обладающих одной или несколькими особенностями спектра, представляющими интерес (например, длиной волны в среде), и блок 140 управления разверткой.

[0025] Источник 110 света, предусматривающий развертку по длинам волн, генерирует оптическое излучение на длинах волн и в диапазонах длин волн (полосах пропускания) под управлением или влиянием блока 140 управления разверткой. Элементы 120 можно опрашивать посредством оптического излучения из источника 110 света, который предусматривает развертку на протяжении области спектра, включающей в себя особенности спектра, представляющие интерес. Элементы 120 могут быть чувствительными к параметрам (например, температурам, давлениям и деформации), которые известным образом влияют на затухание конкретных длин волн света, пропускаемого через элементы 120.

[0026] Как изображено на фиг.2, один вариант осуществления источника 110 света может включать в себя широкополосный источник 112 и перестраиваемый фильтр 114, которым может управлять блок 140 управления разверткой. Например, блок 140 управления разверткой может управлять перестраиваемым фильтром 114 для регулирования диапазона (или полосы) длин волн таким образом, что затухание длин волн в этом диапазоне окажется незначительным или вообще отсутствующим, а вне его будет происходить их блокировка. Для других вариантов осуществления, источник 110 света можно включать в себя источник света, управление которым возможно с целью генерирования оптических сигналов с разными длинами волн, такой, как перестраиваемый лазер.

[0027] Возвращаясь к фиг.1A, отмечаем, что приемник 130 может включать в себя любую подходящую совокупность оптических, оптоэлектронных и электронных компонентов для обработки световых сигналов, пропускаемых через элементы 120. Так, приемник 130 может быть способен генерировать информацию о соответствующих параметрах на основе синхронизации принимаемых световых сигналов и любого их сдвига. Приемник 130 может включать в себя любую подходящую совокупность компонентов, которая преобразует оптические сигналы в электрические сигналы, фильтров и эталонов. Например, для одного варианта осуществления, приемник может включать в себя оптический PIN-диод (т.е., имеющий слабо легированную полупроводниковую область квазисобственной проводимости между полупроводниковой областью p-типа и полупроводниковой областью n-типа), трансимпедансный усилитель, аналоговый фильтр, аналого-цифровой преобразователь, цифровой фильтр, и блок обработки (например, встроенный процессор, промышленный или персональный компьютер) для определения длин волн.

[0028] Как изображено, блок 140 управления разверткой может принимать в качестве входного один или несколько сигналов из одной или нескольких точек в приемнике 130, а в ответ может выдавать сигналы, которые влияют на развертку источника 110 света. Примеры типичных параметров, на которые может влиять блок управления разверткой, включают в себя - но не в ограничительном смысле - длину волны источника, диапазон развертки по длине волны источника, частоту развертки, и/или выходную оптическую мощность источника. Эти влияния могут предусматривать прерывные или непрерывные изменения таких параметров, например, многочисленных полос развертки. Блок управления разверткой сигналов может влиять на развертку в ее процессе и/или влиять на будущие развертки, как подробнее описывается ниже.

[0029] Блок 140 управления разверткой можно реализовать с помощью любых подходящих логических средств обработки информации, таких, как встроенный контроллер, программирующий логический контроллер (ПЛК) или персональный компьютер (ПК). Хотя он показан на чертежах как отдельный компонент, для некоторых вариантов осуществления, блок 140 управления разверткой может быть встроен в приемник 130, источник 110 и/или в оба эти компонента, любо может воплощать неотъемлемую функцию одного из них или их обоих.

[0030] Как изображено на фиг.1B, аналогичные методы применимы к системе, в которой используется отражающие сенсорные элементы 122, такие, как брэгговские решетки, со спектральной особенностью отражения света в зависимости от измеряемого параметра. Каждую брэгговскую решетку можно опрашивать посредством развертки по длинам волн в соответствующем диапазоне, выбранном так, что он содержит длину λ волны в среде, учета максимальных отклонений на средних длинах волн (в областях пикового отражения), ожидаемых по всему диапазону измеряемых параметров и по времени. В течение этого опроса, приемник 130 оперативно контролирует сигналы отклика для определения времени прохождения сигналов отклика, которое можно использовать, чтобы определить длину волны в среде для сенсорного элемента и таким образом - значение измеряемого параметра.

[0031] Опрашивающие оптические сигналы из источника 110 можно направить к отражающим сенсорным элементам 122 через двунаправленный ответвитель 124, который также направляет сигналы отклика в приемник 130. Делитель 123 также может направлять часть опрашивающих оптических сигналов в эталонный элемент 116, позволяя приемнику 130 отслеживать оптические сигналы, генерируемые источником 110 света (например, фактическую длину волны и мощность). Для некоторых вариантов осуществления, эталонный элемент 116 можно использовать для измерения длины волны в зависимости от времени развертки. Измерение длины волны в зависимости от времени развертки можно использовать для корреляции времен прохождения обратных сигналов, отраженных от сенсорных элементов 122, с длинами волн, чтобы определить значение измеряемого параметра. Например, эталонный элемент 116 может быть эталоном Фабри-Перо, газовой поглощающей ячейкой, и т.д.

Пример опроса с быстрой разверткой

[0032] Системы, предусматривающие мультиплексирование с разделением по длинам волн (МРДВ-системы), как правило, ограничены в количестве датчиков, которые можно опросить по одиночному волокну. Однако с помощью перестраиваемого источника света, предусматривающего быструю развертку, можно увеличить количество датчиков, которые можно объединить на волокне, тем самым обеспечивая различение сигналов из датчиков на основе синхронизации принимаемых сигналов и развертки, а значит - и эффективное обеспечение как мультиплексирования с разделением по длинам волн (МРДВ), так и мультиплексирования с разделением по времени (МРВ) по волокну.

[0033] Фиг.3 иллюстрирует возможный опрос МРВ- и эМРДВ-датчиков по одиночному волокну с помощью источника света, предусматривающего быструю развертку, в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Как изображено на фиг.3, перестраиваемый источник света, такой, как источник 110 (например, перестраиваемый лазер или источник усиленного спонтанного излучения (УСИ) с перестраиваемым фильтром), можно подключить к оптическому волноводу 302 (например, оптическому волокну), содержащему многочисленные оптические элементы 322a…i (например, датчики на основе волоконных брэгговских решеток (ВБР)), подлежащие опросу источником 110 света. Оптические элементы 322a…i могут иметь длины волн в средах, обуславливаемые функциональными возможностями по выходным длинам волн источника 110 света. Оптический ответвитель, такой, как оптический ответвитель 124, может направлять свет, отраженный оптическими элементами 322, в приемник, такой, как приемник 130.

[0034] Конфигурация приемника 130 или отдельного блока обработки может обеспечивать процесс (например, демодуляцию) принимаемых сигналов из оптических элементов 322a…i на основе моментов времени, в которые происходит прием сигналов, частоты развертки источника 110 и относительных расстояний, на которых оптические элементы 322a…i находятся от источника 110 света и приемника 130 (т.е. на основе времени прохождения). Приемник 130 может преобразовывать оптические сигналы в электрические сигналы для дальнейшей обработки. Перестраиваемый источник 110 света может иметь некоторую частоту быстрой развертки, вследствие чего развертка оптического спектра завершается лишь за некоторую долю того времени, которое нужно свету, чтобы пройти по оптическому волноводу 302 к наиболее отдаленному оптическому элементу в системе, например - к оптическому элементу 322i, показанному на фиг.3, и отразиться обратно в приемник 130 (т.е., времени прохождения в прямом и обратном направлениях). Для некоторых вариантов осуществления, эта развертка осуществляется за период, меньший, чем время прохождения в прямом - до ближайшего оптического элемента вдоль волновода - и обратном направлениях. После завершения развертки желаемого оптического спектра, источник 110 света можно выключить или эксплуатировать вхолостую, чтобы тот выдавал длину волны, на которой ни один из оптических элементов 322 отражать не будет. В некоторых вариантах осуществления, источник 110 света может испускать световой импульс с линейной частотной модуляцией.

[0035] Время развертки источника 110 света используют для ограничения окна развертки, в пределах которого многочисленные оптические элементы 322 можно мультиплексировать, скажем, посредством МРДВ. Оптические элементы в пределах каждой группы подвергнуты эффективному мультиплексированию с разделением по длинам волн (являются эМРДВ-элементами) за счет того, что имеют разные длины волн в среде, способствующие отражению света в разные моменты времени в соответствии с индивидуальным расстоянием до этих элементов вдоль волокна и параметрами функции развертки по длинам волн (например, частоты развертки). Время развертки источника 110 света, наряду с направлением развертки по длинам волн (например, от малых длин волн к большим длинам волн или от больших длин волн к малым длинам волн), расстоянием до группы, подвергнутой эффективному мультиплексированию с разделением по длинам волн (эМРДВ-группы), и промежутками между оптическими элементами в ней, а также упорядочением длин волн в среде для оптических элементов в группе, характеризуют определяемое временем/расстоянием окно света, принимаемого из оптических элементов (например, отражаемого ими) в группе. Например, момент времени, в который свет может быть принят из оптического элемента в пределах группы, может соответствовать расстоянию до оптического элемента от источника света, а также длине волны в среде для этого оптического элемента и тому моменту, когда такая длина волны возникает во время развертки (что может зависеть от направления развертки). Следовательно, для каждой группы можно охарактеризовать окно, которое предусматривает разброс - по времени или расстоянию - световых сигналов, принимаемых из оптических элементов в пределах группы.

[0036] Поэтому, для того, чтобы мультиплексировать оптические элементы 322 по оптическому волноводу 302 с использованием МРДВ, оптические элементы могут иметь разные длины волн в среде. Например, как изображено на фиг.3, оптические элементы 322a, 322b, и 322c могут находиться в пределах окна развертки и имеют длины волн в среде, составляющие λ_1, λ_2 и λ_3, где каждое из значений λ_1, λ_2 и λ_3 - разные длины волн. В этом случае, оптические элементы 322a, 322b, и 322c могут быть элементами, подвергнутыми эМРДВ по оптическому волноводу 302. Приемник 130 может определять различия между сигналами, принимаемыми из оптических элементов 322a, 322b, и 322c, на основе момента времени, в который происходит их прием и который является функцией параметров развертки.

[0037] Дополнительные оптические элементы можно мультиплексировать посредством МРВ, при условии, что они находятся вне окон развертки других датчиков с теми же длинами волн в среде. Например, как изображено на фиг.3, оптические элементы 322d, 322e и 322f могут находиться вне окна развертки оптических элементов 322a, 322b, и 322c. Следовательно, оптические элементы 322d, 322e и 322f могут иметь длины волн в среде, составляющие λ_1, λ_2 и λ_3, и оптические датчики можно подвергнуть МРВ, чтобы установить различия между ними. Аналогичным образом, оптические элементы 322g, 322h, и 322i могут находится вне окон развертки оптических элементов 322a, 322b, 322c, 322d, 322e и 322f. Поэтому оптические элементы 322g, 322h и 322i тоже могут иметь длины волн в среде, составляющие λ_1, λ_2 и λ_3, а оптические датчики можно подвергнуть МРВ, чтобы установить различия между ними. В определенных вариантах осуществления, оптические элементы 322d-322i могут иметь длины волн в среде, отличающиеся от этих параметров для первой группы оптических элементов (например, λ_4-λ_9).

[0038] В определенных вариантах осуществления, оптические элементы можно скомпоновать в порядке возрастания или убывания длины волны в среде. В некоторых вариантах осуществления, оптические элементы могут быть скомпонованы в любом порядке длин волны в среде (например, в случайном порядке). В определенных вариантах осуществления, оптические элементы второй группы можно скомпоновать в таком же порядке, как оптические элементы в первой группе, или в обратном порядке. В определенных вариантах осуществления, оптические элементы второй группы можно скомпоновать в любом другом порядке длин волн в среде (например, в случайном порядке).

[0039] В некоторых вариантах осуществления, частота развертки может составлять примерно 400 кГц, что соответствует времени развертки 2,5 мкс и расстоянию развертки 500 м в оптическом волокне. В некоторых вариантах осуществления, частота развертки может составлять примерно 1 МГц или выше. Разрешение развертки или время развертки может зависеть от частоты дискретизации приемника 130. Например, для частоты развертки 1 МГц, приемник можно дискретизировать с помощью 13-разрядной платы сбора данных.

[0040] Посредством вышеописанных подходов, можно мультиплексировать многочисленные группы оптических элементов по волокну, значительно увеличивая количество датчиков в измерительной системе, между которыми можно установить различия. Если диапазон развертки по длинам волн сокращают, чтобы охватить рабочий диапазон длин волн лишь одного оптического элемента, то система может стать допускающей только МРВ.

Примеры компоновок матриц оптических датчиков

[0041] Как описано выше, термин «окно развертки» обычно относится к времени (или соответствующему расстоянию), на протяжении которого все отражения сигналов датчиков из некоторой одиночной группы датчиков (предусматривающих эффективное мультиплексирование по длинам волн) оказываются разнесенными при прохождении обратно к приемнику. Так, оптические датчики в каждой группе можно эффективно мультиплексировать по волокну с помощью МРДВ (на основе развертки по длинам волн и разных длин волн в среде в пределах группы), а группы оптических датчиков можно мультиплексировать с помощью МРВ (на основе синхронизации принимаемых сигналов, отраженных от оптических элементов).

[0042] Способность мультиплексировать во временной области оптические датчики в матрице таких датчиков может ограничиваться разбросом по времени обратных сигналов из каждой матрицы эМРДВ-датчиков. Например, если перестраиваемый источник, предусматривающий быструю развертку по длинам волн, опрашивает две смежные группы датчиков, расположенные чересчур близко друг к другу, то обратные сигналы из датчиков могут перекрываться. На фиг.4 представлен график 400 возможных времен возврата сигналов из трех смежных матриц оптических эМРДВ-датчиков (обозначенных как МРДВ-группа 1, МРДВ-группа 2 и МРДВ-группа 3), где матрицы не имеют существенного промежутка между собой. Как показано на фиг.4, чтобы генерировать данные, каждая матрица имеет 20 оптических датчиков, каждый из которых имеет отличающуюся длину волны в среде, разнесенных на 10 метров. Оптические датчики в пределах каждой матрицы скомпонованы в порядке возрастания длины волны (т.е., от наименьшей длины волны к наибольшей длине волны) и опрашиваются с использованием линейной развертки за 1,9 мс по возрастающей длине волны из перестраиваемого источника, предусматривающего быструю развертку по длинам волн. Как изображено, обратные сигналы из смежных матриц датчиков перекрываются во времени. Это перекрытие может затруднить определение того, обратный сигнал из какой матрицы, а значит - и из какого датчика, был отражен.

[0043] Предотвращая такое перекрытие обратных сигналов, можно ограничить близость разнесения датчиков в однородной матрице или мощность кластеризации датчиков в группах МРДВ-датчиков с увеличенными зазорами между соседними группами датчиков, мультиплексируемых посредством МРВ. Любой из этих двух случаев может привести к организации нежелательных промежутков между датчиками для определенных измерительных приложений. Например, в скважинных приложениях, связанных с нефтью и газом, где датчики, как правило, развертывают гирляндами вдоль насосно-компрессорных труб, расположенных в стволе скважины, для охвата нескольких километров длины скважины можно использовать большое количество датчиков, расположенных близко друг к другу (например, на расстоянии 1-20 м).

[0044] Хотя эту проблему разнесения датчиков можно решить с помощью многочисленных оптических волокон, охватывающих зазоры между датчиками, применение многочисленных волокон может оказаться нежизнеспособным для некоторых приложений, возможно - из-за стоимости или ограниченной доступности волокон (например, вследствие ограниченного количества проходников высокого давления). Соответственно, что необходимо, так это способы и устройства, позволяющие избежать перекрытия друг с другом отражений из разных групп оптических элементов, расположенных вдоль одного и того же волновода, при опросе с помощью света, подвергнутого развертке по длинам волн, и обеспечить группы, физически размещаемые в непосредственной близости друг к другу.

[0045] Варианты осуществления данного изобретения предусматривают использование незаполненного участка оптического волокна или другого волновода между группами эМРДВ-датчиков, чтобы избежать перекрытия отражений из разных групп. В том смысле, в каком он употребляется здесь, термин «незаполненный участок оптического волокна» относится в основном к участку оптического волокна без каких-либо оптических датчиков.

[0046] В отличие от фиг.4, на фиг.5 представлен график 500 возможных времен возврата сигналов из двух смежных матриц оптических эМРДВ-датчиков (обозначенных как МРДВ-группа 1 и МРДВ-группа 2), разделенных незаполненным участком оптического волокна. Подобно фиг.4, каждая матрица имеет 20 оптических датчиков, каждый из которых имеет отличающуюся длину волны в среде, разнесенных на 10 метров согласно фиг.5, для генерирования данных. Однако матрицы разнесены на 200 метров вдоль оптического волокна. Оптические датчики в пределах каждой матрицы скомпонованы в порядке возрастания длины волны и опрашиваются с использованием линейной развертки за 1,9 мс по возрастающей длине волны из перестраиваемого источника, предусматривающего быструю развертку по длинам волн. Как изображено, обратные сигналы из смежных матриц датчиков не перекрываются во времени.

[0047] На фиг.6A изображен пример компоновки 600a для решения проблемы перекрытия во времени обратных сигналов из смежных групп МРДВ-датчиков при опросе перестраиваемым источником, предусматривающим развертку по длинам волн, аналогично компоновке МРДВ-групп 1 и 2 на фиг.5. Компоновка 600a имеет некоторое количество эМРДВ- и МРВ-датчики 322, развернутых вдоль оптического волокна, для осуществления измерения одного или нескольких параметров (например, температуры или давления). Многочисленные МРДВ-датчики 322 могут быть сгруппированы в некоторое количество групп, причем каждая группа отделена некоторым незаполненным участком оптического волокна 602 во избежание перекрытия во времени при заданной скорости света в этом оптическом волокне и соответствующей задержке при распространении в прямом и обратном направлениях, обеспечиваемой этим участком. Как изображено на фиг.6A, незаполненный участок оптического волокна 602 заключен между первой группой датчиков 322 (МРДВ-группой 1) и второй группой датчиков 322 (МРДВ-группой 2) для разделения отраженных сигналов из первой и второй групп датчиков по времени (например, как показано на графике 500 согласно фиг.5), так что приемник может точно определить, из какого датчика 322 вернулся отраженный сигнал.

[0048] Как изображено в компоновке 600a на фиг.6A, незаполненный участок оптического волокна 602 может представлять собой прямой участок оптического волокна без сколько-нибудь существенных изгибов, витков, и т.д. Однако такой прямой участок оптического волокна препятствует физическому размещению смежных групп оптических датчиков ближе друг к другу, чем на участок незаполненной, прямой секции, и может также помешать размещению датчиков в желаемом положении. На фиг.6B и 6C изображены возможные компоновки 600b и 600c, соответственно, для решения этой проблемы путем применения конкретных механизмов задержки между соседними матрицами оптических датчиков.

[0049] На фиг.6B изображен пример компоновки 600b матриц датчиков, предусматривающая использование катушки 604 задержки в качестве механизма задержки, которую можно расположить между любыми двумя смежными матрицами датчиков. Конфигурация катушки 604 задержки может быть такой, что отраженный свет из первой группы датчиков (например, МРДВ-группы 1), когда его принимает приемник 130, не будет перекрываться с отраженным светом из второй группы датчиков (например, МРДВ-группы 2) в приемнике. Например, катушка 604 задержки может содержать участок оптического волокна, свернутый кольцами с оптическим расстоянием, которое больше соответствующего эффективному разделению по времени, или равно ему, во избежание перекрытия отраженных сигналов из разных групп при заданной скорости света в катушке задержки и соответствующей задержке при распространении в прямом и обратном направлениях, обеспечиваемой этим участком оптического волокна. Катушка 604 задержки позволяет размещать первую и вторую группы датчиков физически ближе друг к другу, чем на прямой участок оптического волокна, имеющий задержку при распространении в прямом и обратном направлениях, эквивалентную эффективному разделению по времени (например, ближе, чем на незаполненную, прямую секцию оптического волокна 602 на фиг.6A).

[0050] В варианте осуществления, катушку 604 задержки можно установить или иным образом расположить в корпусе 608a, который может обеспечить защиту для катушки 604 задержки. Корпус 608a может быть подсоединен к участку площади, в пределах которой развернута компоновка 600b. Например, при развертывании в скважине, корпус 608a может быть подсоединен (например, приварен) к чувствительному кабелю таким образом, что корпус обеспечивает барьер постоянного давления для среды, окружающей его снаружи.

[0051] На фиг.6C изображен пример компоновки 600c матриц оптических датчиков, предусматривающая использование оптического волокна, многократно извитого взад и вперед с образование контура 605 обратной связи с задержкой в качестве механизма задержки. Контур 605 обратной связи с задержкой может находиться между любыми двумя смежными матрицами датчиков, когда это желательно. Контур 605 обратной связи с задержкой может состоять из участка оптического волокна с оптическим расстоянием, которое больше соответствующего эффективному разделению по времени, или равно ему, во избежание перекрытия отраженных сигналов из разных групп при заданной скорости света в контуре обратной связи и соответствующей задержке при распространении в прямом и обратном направлениях, обеспечиваемой этим участком оптического волокна. Аналогично катушке 604 задержки, контур 605 обратной связи с задержкой тоже позволяет размещать первую и вторую группы датчиков физически ближе друг к другу, чем на прямой участок оптического волокна, имеющий задержку при распространении в прямом и обратном направлениях, эквивалентную эффективному разделению по времени (например, ближе, чем на незаполненную, прямую секцию оптического волокна 602 на фиг.6A), но избегать перекрытия отражений сигналов из этих групп, как описано выше.

[0052] Контур 605 обратной связи с задержкой может быть заключен, по меньшей мере - частично, в корпусе 608, который может обеспечить защиту для контура обратной связи. Например, весь контур 605 обратной связи с задержкой можно расположить в корпусе 608b, или витки 606, по меньшей мере, одного конца контура 605 обратной связи с задержкой можно расположить в корпусе 608c. Для некоторых вариантов осуществления, контур 605 обратной связи с задержкой можно воплотить с некоторым количеством витков 606 низкого профиля, чтобы обеспечить кабель неизменного диаметра компоновки 600c.

[0053] Между соседними матрицами датчиков вдоль участка оптического волокна можно применить любую совокупность незаполненных участков оптического волокна 602, катушек 604 задержки и контуров 606 обратной связи с задержкой. Например, катушку 604 задержки можно использовать между МРДВ-группой 1 и МРДВ-группой 2, а незаполненный участок оптического волокна 602 использовать между МРДВ-группой 2 и МРДВ-группой 3. Таким образом, МРДВ-группы 1 и 2 можно физически разместить, например, в непосредственной близости друг к другу, получая более плотную зону измерения, а МРДВ-группы 2 и 3 разнести дальше друг от друга, получая более разреженную зону измерения.

[0054] На фиг.7 представлена блок-схема возможных операций 700 оптического опроса групп оптических элементов. Операции 700 можно начать на этапе 702 введением импульса света в оптический волновод для опроса, по меньшей мере, первой и второй групп оптических элементов (например, МРДВ-групп 1 и 2 оптических датчиков 322) путем осуществления развертки по длинам волн на протяжении периода импульса. В некоторых вариантах осуществления, свет можно вводить посредством источника света (например, источника 110 света), который может быть, например, перестраиваемым источником света или широкополосным источником света (например, широкополосным источником 112), совместно с перестраиваемым фильтром (например, перестраиваемым фильтром 114). Оптический волновод может представлять собой, например, оптическое волокно. Оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде, а первую и вторую группу эффективно разделяют по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника (например, приемника 130), не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в второй группе и достигает приемника.

[0055] Для некоторых вариантов осуществления, оптические элементы могут представлять собой Брэгговские решетки, такие, как волоконные брэгговские решетки (ВБР), которые отражают свет, имеющий соответствующие длины волн в среде. В качестве дополнения к брэгговским решеткам или альтернативы им, оптические элементы могут включать в себя любые подходящие оптические датчики или другие оптические компоненты, имеющие идентифицируемые особенности спектра, такие, как структуры Фабри-Перо, решетки с большим периодом (РБП), стержневые световодные датчики с боковыми отверстиями (например, такие, как описанные в патенте США № 8494322 (Kersey и др.) и поставляемые фирмой Weatherford/Lamb, Inc., г. Хьюстон, штат Техас, США), и т.п.

[0056] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, первая и вторая группы оптических элементов физически размещены друг к другу ближе, чем на прямой участок оптического волокна, имеющий задержку при распространении в прямом и обратном направлениях, эквивалентную эффективному разделению по времени.

[0057] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, первая и вторая группы оптических элементов разделены по времени посредством механизма задержки. Для некоторых вариантов осуществления, механизм задержки включает в себя катушку оптического волокна, которая может быть распложена в корпусе (например, корпусе 608a). Для других вариантов осуществления, механизм задержки включает в себя контур обратной связи, выполненный из оптического волокна, имеющего два или более витков. Контур обратной связи может быть расположен в корпусе (например, корпусе 608b), или витки, по меньшей мере, для одного конца контура обратной связи могут быть расположены в корпусе (например, корпусе 608c).

[0058] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, период импульса, на протяжении которого осуществляют развертку по длинам волн, длины волн в среде для первой группы оптических элементов и промежутки между оптическими элементами в первой группе определяют первое временное окно. Период импульса, на протяжении которого осуществляют развертку по длинам волн, длины волн в среде для второй группы оптических элементов и промежутки между оптическими элементами во второй группе тоже могут определять второе временное окно.

[0059] В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, оптические элементы в первой группе имеют такие же длины волн в среде, как оптические элементы во второй группе.

[0060] На этапе 704 возможна обработка отраженного света для определения одного или нескольких параметров, соответствующих оптическим элементам. Этими параметрами могут быть, например, измеряемый параметр скважинной среды (например, давление или температура), к которому чувствительны оптические элементы. Обработка отраженного света на этапе 704 может влечь за собой установление различий среди сигналов отклика, принимаемых из первой и второй групп оптических элементов, на основе моментов времени приема сигналов отклика. Например, в случае ВБР, длины волн в среде (т.е., длины волн, на которых свет отражается обратно из датчиков на основе ВБР) могут сдвигаться с изменением при некоторой температуре или некотором давлении. А если так, то измеряемый параметр можно оперативно контролировать посредством оперативного контроля изменений длин волн в среде согласно оптическим элементам, а определять эти изменения можно в моменты обнаружения отраженных сигналов из оптических элементов.

[0061] Варианты осуществления данного изобретения применимы в ряде разных сенсорных приложений, включая - но не в ограничительном смысле - скважинные приложения (например, в сенсорных приложениях, воплощаемых в стволах скважин) и подводные приложения (например, приложения, связанные с сейсмоприемниками на дне океана).

[0062] На фиг.8 изображено схематическое сечение возможного ствола 802 скважины в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Ствол 802 скважины может иметь расположенную внутри него обсадную колонну 804, через которую - как часть работ по заканчиванию ствола скважины - может быть развернута колонна 806 насосно-компрессорных труб. Посредством колонны 806 насосно-компрессорных труб можно добывать углеводороды, находящиеся в пласте 808, с помощью средств бескомпрессорной или механизированной эксплуатации. Для осуществления измерения параметров в стволе скважины можно использовать блок 810 измерения. Блок 810 измерения может представлять собой, например, оптическую систему, состоящую из генератора оптических сигналов и приемника для приема данных из матриц 812 датчиков, расположенных в стволе скважины.

[0063] Блок 810 измерения может быть оптически связан с матрицами 812 датчиков (например, расположенными в колонне 806 насосно-компрессорных труб или рядом с ней) посредством оптического волновода, такого, как оптическое волокно 814 или кабель, включающий в себя многочисленные оптические волокна. Каждая матрица 812 датчиков может включать в себя многочисленные оптические сенсорные элементы, такие, как ВБР или другие оптические компоненты, имеющие идентифицируемые особенности спектра. Каждый оптический элемент в пределах отдельной матрицы 812 датчиков может иметь отличающуюся длину волны в среде. Первое количество матриц 812 датчиков можно расположить в непосредственной близости друг к другу рядом с первой продуктивной зоной, второе количество матриц 812 датчиков можно расположить в непосредственной близости друг к другу рядом со второй продуктивной зоной, и т.п. Для некоторых вариантов осуществления, блок 810 измерения может предусматривать использование одиночного волокна внутри подвешенного кабеля, развернутого в колонне 806 насосно-компрессорных труб, в кабеле, подключенном к оборудованию снаружи колонны 806 насосно-компрессорных труб (т.е. находящемуся в кольцевом пространстве между обсадной колонной 804 и колонной 806 насосно-компрессорных труб), или в кабеле снаружи обсадной колонны 804.

[0064] Конфигурация матриц 812 датчиков может быть такой, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов 322 в первой матрице датчиков и достигает приемника блока 810 измерения, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов 322 во второй матрице датчиков и достигает приемника блока 810 измерения. Конфигурация блока 810 измерения может обеспечивать обработку отраженного света для определения одного или нескольких скважинных параметров, соответствующих оптическим элементам в каждой матрице 812 датчика. Между первой и второй матицами датчиков может быть расположен механизм задержки. Механизм задержки может допускать физическое размещение первой и второй матриц датчиков а непосредственной близости друг к другу, несмотря на оптическое расстояние (соответствующее разделению по времени) между этими матрицами.

[0065] Любая из вышеописанных операций, таких, как операции 700, может быть записана в качестве команд на машиночитаемом носителе информации для исполнения приемником 130 или любой другой обрабатывающей системой. Машиночитаемый носитель информации может включать в себя любое запоминающее устройство, такое, как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), флэш-память, электрически стираемое программируемое ПЗУ (ЭСППЗУ), ПЗУ на компакт диске (КД-ПЗУ), или дискету.

[0066] Хотя выше описаны варианты осуществления данного изобретения, в рамках основного объема притязаний изобретения возможна разработка других и дополнительных вариантов его осуществления, а объем их притязаний определяется нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к области измерений, осуществляемых посредством волоконных брэгговских решеток. Способ включает следующие этапы: вводят импульс света посредством источника света в оптический волновод для опроса первой и второй групп оптических элементов путем осуществления развертки по длинам волн на протяжении периода импульса. Причем оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде. Первая и вторая группы разделены по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов во второй группе и достигает приемника. Развертка по длинам волн завершается за период, меньший, чем время прохождения в прямом и обратном направлениях для света, отраженного от оптического элемента в первой группе, наиболее удаленного от источника света, для достижения приемника. Обрабатывают отраженный свет для определения одного или более параметров, соответствующих оптическим элементам. Технический результат заключается в предотвращении перекрытия отражений, принимаемых из разных матриц оптических датчиков. 3 н. и 23 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ оптического опроса, содержащий этапы, при которых:

вводят импульс света посредством источника света в оптический волновод для опроса, по меньшей мере, первой и второй групп оптических элементов путем осуществления развертки по длинам волн на протяжении периода импульса, причем оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде, при этом первая и вторая группы разделены по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов во второй группе и достигает приемника; и

при этом развертка по длинам волн завершается за период, меньший, чем время прохождения в прямом и обратном направлениях для света, отраженного от оптического элемента в первой группе, наиболее удаленного от источника света, для достижения приемника; и

обрабатывают отраженный свет для определения одного или более параметров, соответствующих оптическим элементам.

2. Способ по п.1, в котором первая и вторая группы оптических элементов физически размещены друг к другу ближе, чем на прямой участок оптического волокна, имеющий задержку при распространении в прямом и обратном направлениях, эквивалентную разделению по времени.

3. Способ по п.1, в котором первая и вторая группы оптических элементов разделены по времени посредством механизма задержки.

4. Способ по п.3, в котором механизм задержки включает в себя катушку из оптического волокна.

5. Способ по п.3, в котором механизм задержки распложен в корпусе.

6. Способ по п.3, в котором механизм задержки содержит контур обратной связи оптического волокна, содержащего два или более витков.

7. Способ по п.6, в котором витки, по меньшей мере, для одного конца контура обратной связи расположены в корпусе.

8. Способ по п.1, в котором период импульса, на протяжении которого осуществляют развертку по длинам волн, длины волн в среде для первой группы оптических элементов и промежутки между оптическими элементами в первой группе определяют первое временное окно.

9. Способ по п.1, в котором обработка отраженного света предусматривает установление различий среди сигналов отклика, принимаемых из первой и второй групп оптических элементов, на основе моментов времени приема сигналов отклика.

10. Способ по п.1, в котором период импульса, на протяжении которого осуществляют развертку по длинам волн, длины волн в среде для второй группы оптических элементов и промежутки между оптическими элементами во второй группе определяют второе временное окно.

11. Способ по п.1, в котором длины волн в среде для первой группы оптических элементов совпадают с длинами волн в среде для второй группы оптических элементов.

12. Устройство для оптического опроса, содержащее:

оптический волновод;

источник света, выполненный с возможностью введения импульса света в оптический волновод для опроса, по меньшей мере, первой и второй групп оптических элементов путем осуществления развертки по длинам волн на протяжении периода импульса, причем оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде;

приемник, причем первая и вторая группы разделены по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов во второй группе и достигает приемника; и

при этом развертка по длинам волн завершается за период, меньший, чем время прохождения в прямом и обратном направлениях для света, отраженного от оптического элемента в первой группе, наиболее удаленного от источника света, для достижения приемника; и

обрабатывающую систему, выполненную с возможностью обработки отраженного света для определения одного или нескольких параметров, соответствующих оптическим элементам.

13. Устройство по п.12, в котором первая и вторая группы оптических элементов физически размещены друг к другу ближе, чем на прямой участок оптического волокна, имеющий задержку при распространении в прямом и обратном направлениях, эквивалентную разделению по времени.

14. Устройство по п.12, в котором первая и вторая группы оптических элементов разделены по времени посредством механизма задержки.

15. Устройство по п.14, в котором механизм задержки включает в себя катушку оптического волокна.

16. Устройство по п.14, в котором механизм задержки расположен в корпусе.

17. Устройство по п.14, в котором механизм задержки содержит контур обратной связи оптического волокна, содержащего два или более витков.

18. Устройство по п.17, в котором витки, по меньшей мере, для одного конца контура обратной связи расположены в корпусе.

19. Устройство по п.12, в котором период импульса, на протяжении которого осуществляют развертку по длинам волн, длины волн в среде для первой группы оптических элементов и промежутки между оптическими элементами в первой группе определяют первое временное окно.

20. Устройство по п.12, в котором обрабатывающая система выполнена с возможностью обработки отраженного света путем установления различий среди сигналов отклика, принимаемых из первой и второй групп оптических элементов, на основе моментов времени приема сигналов отклика.

21. Устройство по п.12, в котором период импульса, на протяжении которого осуществляют развертку по длинам волн, длины волн в среде для первой группы оптических элементов и промежутки между оптическими элементами в первой группе определяют второе временное окно.

22. Устройство по п.12, в котором длины волн в среде для первой группы оптических элементов совпадают с длинами волн в среде для второй группы оптических элементов.

23. Система для измерения одного или более скважинных параметров, содержащая:

ствол скважины;

оптический волновод, по меньшей мере, частично расположенный в стволе скважины;

источник света, выполненный с возможностью введения импульса света в оптический волновод путем осуществления развертки по длинам волн на протяжении периода импульса;

по меньшей мере, первую и вторую группы оптических элементов, расположенные вдоль оптического волновода, причем оптические элементы в пределах каждой группы имеют разные длины волн в среде;

приемник, причем первая и вторая группы разнесены по времени таким образом, что первое временное окно, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов в первой группе и достигает приемника, не перекрывается со вторым временным окном, на протяжении которого свет отражается от оптических элементов во второй группе и достигает приемника; и

при этом развертка по длинам волн завершается за период, меньший, чем время прохождения в прямом и обратном направлениях для света, отраженного от оптического элемента в первой группе, наиболее удаленного от источника света, для достижения приемника; и

обрабатывающую систему, выполненную с возможностью обработки отраженного света для определения одного или более скважинных параметров, соответствующих оптическим элементам.

24. Система по п.23, в которой первая группа оптических элементов находится ближе к источнику света, чем вторая группа.

25. Система по п.1, в которой первая группа оптических элементов находится ближе к источнику света, чем вторая группа.

26. Система по п.13, в которой первая группа оптических элементов находится ближе к источнику света, чем вторая группа.