способ мониторинга состояния протяженных объектов, преимущественно продуктопроводов, и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ мониторинга состояния протяженных объектов, включающий оснащение чувствительным оптическим волокном протяженного объекта, производство последовательности когерентных оптических импульсов длительностью Т с шириной спектра порядка 1/Т и временным интервалом T₁ между импульсами, организацию рефлектометрического канала и подачу указанных импульсов в чувствительное оптическое волокно длиной L, регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния, сравнительный анализ указанных сигналов обратного рассеяния в последовательных рефлектограммах и выделение в них локальных изменений, указывающих на наличие факта воздействия на протяженный объект, а координату местоположения воздействия, обусловленного наличием выделенных локальных изменений, по длине чувствительного оптического волокна определяют положением этих изменений на рефлектограмме, при этом соблюдают условие, согласно которому длина L чувствительного оптического волокна такова, что временной интервал T₁ между импульсами превосходит величину 2L/V, где v - скорость света в чувствительном оптическом волокне, а регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния осуществляют фотоприемником с временным разрешением не хуже длительности импульса Т.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для организации рефлектометрического канала используют светоделительное средство.

3. Устройство для мониторинга состояния протяженных объектов, содержащее последовательно включенные источник когерентного излучения, средство для организации рефлектометрического канала, чувствительное оптическое волокно, а также соединенные со средством для организации рефлектометрического канала фотоприемник с усилителем и блок таймирования и регистрации, отличающееся тем, что в состав устройства для мониторинга состояния протяженных объектов введен электронный импульсный модулятор, соединенный с блоком таймирования и регистрации и источником когерентного излучения, при этом источник когерентного излучения представляет собой полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью работы в импульсном режиме с длительностью импульса Т и шириной спектра оптического излучения порядка 1/Т, а фотоприемник имеет временное разрешение не хуже длительности импульса Т, а блок таймирования и регистрации включен в схему устройства для мониторинга состояния протяженных объектов с возможностью регистрации последовательности рефлектограмм - амплитуд сигналов обратного рассеяния и отслеживания на основании локальных изменений сигнала указанной последовательности рефлектограмм координаты внешнего воздействия на оптическое волокно, которым оснащен диагностируемый протяженный объект.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве средства для организации рефлектометрического канала использовано светоделительное средство.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве средства для организации рефлектометрического канала использован оптический циркулятор.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве средства для организации рефлектометрического канала использован направленный волоконный ответвитель.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что между источником когерентного излучения и средством для организации рефлектометрического канала включен квантовый усилитель.

8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в разрыв чувствительного волокна включен квантовый усилитель.

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что между источником когерентного излучения и средством для организации рефлектометрического канала включен оптический изолятор.

10. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что квантовый усилитель выполнен полупроводниковым или волоконным, например, на основе легированных эрбием или иттербием оптических волокон.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано в эксплуатационных (добывающих и нагнетательных) скважинах, при транспортировке продукции скважин на пункты сбора и далее, при эксплуатации различного рода продуктопроводов для обнаружения утечек из них или несанкционированного отбора продукта, для обнаружения внешних воздействий на продуктопроводы и другие протяженные объекты, включая территорию, непосредственно к ним примыкающую.

Движение продукции скважины по лифтовой колонне, трубопроводу, равно как и нагнетание жидкости в скважину, которые можно рассматривать как протяженные объекты (продольный размер скважины, трубы, трубопровода многократно превышает поперечный размер), сопровождается виброакустическими колебаниями, которые распространяются, как в самом потоке, так и в лифтовой колонне, трубопроводе, окружающем пространстве. Внешнее воздействие на протяженный объект также сопровождается виброакустическими колебаниями.

Известен анализатор виброакустических сигналов, предназначенный для анализа спектра сигналов и содержащий оптически связанные источник когерентного излучения, светоделительное средство, фотоприемник, усилитель (SU 1589069, 1990).

Известное устройство не предназначено для мониторинга протяженных объектов.

Известна система для детектирования механических деформаций, включающая перестраиваемый узкополосный источник светового излучения, генерирующий световое излучение с переменной длиной волны, направляя его в светопроводящее волокно. По длине волокна расположены отражательные датчики, например, типа решеток Брэгга. Датчики пропускают световое излучение с длиной волны, соответствующей пропускным минимумам этих датчиков и изменяющейся под влиянием действующего на них возмущения. Контур перестройки длины волны управляет перестраиваемым источником света, обеспечивая сканирование генерируемого светового излучения в заранее определенной области длин волн с целью индивидуального освещения каждого датчика светом с длиной волны, соответствующей его пропускному минимуму. Мощность этого пропускаемого датчиками светового излучения преобразуется детектором в электрический сигнал, который обрабатывается контуром обработки сигналов. Контур обработки сигналов выявляет провалы профиля мощности светового излучения, воспринятого детектором, вырабатывает выходные сигналы, несущие информацию о параметрах возмущения, действующего на каждый датчик. Система имеет обратную связь для отслеживания изменения статических деформаций и измерения динамических деформаций и может переключаться на работу в режиме отражения или режиме пропускания светового излучения датчиками (RU 2141102, 1999).

Недостатком известной системы является ее сложность в практической реализации.

Известны способ и устройство мониторинга состояния протяженных объектов, оснащенных чувствительным оптическим волокном (RU 2264068, 20.05.2005).

Известный способ мониторинга состояния протяженных объектов включает оснащение чувствительным оптическим волокном протяженного объекта, производство последовательности оптических импульсов длительностью Т и временным интервалом T₁ между импульсами и подачу указанных импульсов в чувствительное оптическое волокно длиной L, регистрацию амплитуды сигналов, в т.ч. обратного, сравнительный анализ указанных сигналов и выделение в них локальных изменений, указывающих на наличие факта воздействия на протяженный объект, определение координаты местоположения воздействия по длине чувствительного оптического волокна.

Известное устройство для мониторинга состояния протяженных объектов содержит последовательно включенные источник излучения, чувствительное оптическое волокно, расположенное в винтовой канавке на поверхности протяженного объекта - трубы, а также блок регистрации, при этом источник излучения выполнен с возможностью работы в импульсном режиме.

Известные способ и устройство предназначены для обнаружения и ликвидации дефектов трубопроводов, возникающих в процессе эксплуатации, и характеризуются необходимостью использования сложной конструкции труб, составляющих трубопровод.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является выбранный в качестве прототипа способ, раскрытый в источнике информации US 5194847, 1993 и касающийся, по сути, мониторинга состояния протяженных объектов, оснащенных чувствительным оптическим волокном. Способ включает следующие операции:

- оснащение чувствительным оптическим волокном протяженного объекта;

- производство импульсов когерентного оптического излучения, имеющего спектральную ширину менее чем 0,1 Т, где Т - длительность каждого когерентного оптического импульса;

- подачу импульсов в чувствительное оптическое волокно, имеющее определенную длину, расположенное вдоль протяженного объекта;

- прием сигналов обратного рассеяния и выделение сигнала, показывающего факт внешнего вторжения (воздействия) по возмущениям в указанном сигнале.

В соответствии со способом-прототипом высококогерентное излучение в оптическом волокне при упругом рассеянии вследствие наличия хаотических микронеоднородностей, много меньших по размеру по сравнению с длиной волны, дает в схеме оптического рефлектометра хаотический во времени сигнал рассеяния (рефлектограмму), который остается при условии стабильности частоты и отсутствии воздействия на чувствительное оптическое волокно неизменным, а при наличии тепловых или механических воздействий изменяется. По временному положению в рефлектограмме можно судить о координате местоположения воздействия.

Недостатком известного способа являются завышенные требования к когерентности оптического излучения, что усложняет его реализацию.

Известно устройство, по сути, для мониторинга состояния протяженных объектов, выбранное в качестве прототипа и содержащее последовательно включенные источник когерентного излучения, средство для организации рефлектометрического канала, чувствительное оптическое волокно, а также соединенные со средством для организации рефлектометрического канала фотоприемник с усилителем и блок таймирования и регистрации (US 5194847).

Известное устройство имеет недостаток, состоящий в том, что контраст современных амплитудных модуляторов (основанных на электрооптическом эффекте) составляет типично 20 дБ (100 раз). Невозможность же получения достаточно контрастных импульсов ограничивает число независимых каналов измерения и достижимую длину чувствительного волокна. Кроме того, в устройстве предъявлены завышенные требования к ширине спектра оптического импульса.

Задачей настоящего изобретения является получение технического результата, который может быть выражен в предъявлении существенно отличающихся от прототипа требований к когерентности импульсного источника оптического излучения (ширина спектра оптических импульсов составляет порядка 1/Т), а также увеличении числа измерительных каналов и рабочей длины чувствительного оптического волокна за счет повышения контраста когерентных импульсов лазерного излучения, что упрощает конструкцию устройства и расширяет возможности по контролю и выявлению внешних воздействий на протяженные объекты или территорию, непосредственно к ним примыкающую.

Технический результат достигается тем, что в способе мониторинга состояния протяженных объектов, оснащенных чувствительным оптическим волокном, осуществляют производство последовательности когерентных оптических импульсов длительностью Т с шириной спектра порядка 1/T и временным интервалом T ₁ между импульсами, организовывают рефлектометрический канал и подают указанные импульсы в чувствительное оптическое волокно длиной L, проводят регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния, осуществляют сравнительный анализ указанных сигналов обратного рассеяния в последовательных рефлектограммах и выделяют в них локальные изменения, указывающие на наличие факта воздействия на протяженный объект, а координату местоположения воздействия, обусловленного наличием выделенных локальных изменений по длине чувствительного оптического волокна, определяют положением этих изменений на рефлектограмме, при этом соблюдают условие, согласно которому длина L чувствительного оптического волокна такова, что временной интервал T₁ между импульсами превосходит величину 2L/v, где v - скорость света в чувствительном оптическом волокне.

Способствует достижению технического результата то, что для организации рефлектометрического канала используют светоделительное средство, а регистрацию амплитуды сигналов обратного рассеяния осуществляют фотоприемником с временным разрешением не хуже длительности импульса Т.

Технический результат в отношении устройства, содержащего последовательно включенные источник когерентного излучения, средство для организации рефлектометрического канала, чувствительное оптическое волокно, а также соединенные со средством для организации рефлектометрического канала фотоприемник с усилителем и блок таймирования и регистрации, достигается тем, что согласно изобретения в него введен электронный импульсный модулятор, соединенный с блоком таймирования и регистрации и источником когерентного излучения, при этом источник когерентного излучения представляет собой полупроводниковый лазер, выполненный с возможностью работы в импульсном режиме с длительностью импульса Т и шириной спектра оптического излучения порядка 1/Т, а фотоприемник имеет временное разрешение не хуже длительности импульса Т.

В частных случаях:

- в качестве средства для организации рефлектометрического канала использовано светоделительное средство;

- в качестве средства для организации рефлектометрического канала использован оптический циркулятор;

- в качестве средства для организации рефлектометрического канала использован направленный волоконный ответвитель;

- между источником когерентного излучения и средством для организации рефлектометрического канала включен квантовый усилитель;

- в разрыв чувствительного волокна включен квантовый усилитель;

- между источником когерентного излучения и средством для организации рефлектометрического канала включен оптический изолятор;

- квантовый усилитель выполнен полупроводниковым или волоконным, например, на основе легированных эрбием или иттербием оптических волокон.

На фиг.1 показана схема устройства, реализующего способ мониторинга состояния протяженных объектов, оснащенных чувствительным оптическим волокном; на фиг.2 показана реально полученная рефлектограмма инвертированного сигнала фотоприемника; на фиг.3 показаны две последовательные рефлектограммы.

Устройство содержит электронный импульсный модулятор 1, источник когерентного излучения - импульсный полупроводниковый лазер 2 с шириной спектра порядка 1/Т, где Т - длительность импульса излучения, светоделительное средство 3, чувствительное оптическое волокно 4, фотоприемник 5 с усилителем и блок 6 таймирования и электронной обработки сигнала. Последний связан с импульсным модулятором 1. Далее импульсный полупроводниковый лазер 2, светоделительное средство 3 и чувствительное оптическое волокно 4 соединены последовательно. Выходной порт светоделительного средства 3 связан с фотоприемником 5, а последний - с блоком 6 таймирования и электронной обработки. Указанная выше ширина спектра полупроводникового лазера 2 при работе в импульсном режиме обеспечивается либо применением распределенной обратной связи на полупроводниковом кристалле (РОС-лазер), либо путем организации распределенной обратной связи с помощью брэгговской внутриволоконной решетки. Для обеспечения стабильности частоты источника когерентного излучения на его оптический выход целесообразно установить оптический изолятор (вентиль). Требуемое пространственное разрешение устройства обеспечивается длительностью импульса оптического излучения Т и временным разрешением фотоприемника 5, которое должно быть не хуже длительности импульса Т.

Светоделительное средство 3 служит для организации рефлектометрического канала и может представлять собой циркулятор, направленный волоконный ответвитель или светоделитель на объемных оптических элементах.

Чувствительное оптическое волокно 4, предпочтительно одномодовое, имеет обычно значительную протяженность (до 20-70 км) и может быть расположено внутри, снаружи или вблизи протяженного объекта.

Устройство работает следующим образом. По сигналу блока 6 таймирования и электронной обработки модулятор 1 дает импульс заданной длительности на импульсный полупроводниковый лазер 2. В момент протекания по лазеру 2 тока инжекции он формирует когерентный импульс соизмеримой длительности Т. Оптическое излучение через светоделительное средство 3 поступает в чувствительное оптическое волокно 4. Для организации значительного числа независимых каналов измерения длина волокна 4 должна быть много больше, чем vT/2, где v - скорость света в волокне 4. При рэлеевском (упругом) рассеянии высококогерентного излучения в волокне 4 интенсивность рассеяния на каждом коротком участке (длиной порядка vT/2) определяется случайными фазовыми набегами, поэтому рефлектограмма (электрический сигнал после фотоприемника) имеет вид хаотических пиков, как показано на фиг.2, 3 (сигнал получен на реальном устройстве и инвертирован; чувствительное волокно имело длину 3000 метров, длительность импульса Т составляла 50 нс). При условии стабильности частоты от импульса к импульсу указанная рефлектограмма остается неизменной, в то время как регистрируемые воздействия вызывают фазовые набеги, приводящие к локальным изменениям в последовательных рефлектограммах, что регистрируется блоком 6 таймирования и электронной обработки, куда сигнал поступает после прохождения светоделительного средства 3 и фотоприемника 5. Положение этих изменений на рефлектограмме однозначно связано с координатой по длине чувствительного оптического волокна 4 (это иллюстрируется фиг.3). Две последовательные рефлектограммы, показанные на фиг.3, почти сливаются везде, кроме указанного места воздействия. Блок 6 выдает выходной сигнал, указывающий на наличие факта воздействия и координаты места воздействия. При одновременном воздействии на несколько виртуальных измерительных каналов определяется координата каждого.

Для увеличения отношения сигнал/шум или увеличения дальности действия устройства после импульсного полупроводникового лазера 2 может быть включен квантовый усилитель (лазерный) 7. Этот усилитель может быть полупроводниковым или волоконным, в частности, на основе легированных эрбием или иттербием оптических волокон. Увеличение длины чувствительного оптического волокна 4 может быть достигнуто также применением квантового (лазерного) усилителя 8, расположенного в разрыве чувствительного оптического волокна 4, в том числе на значительном удалении от светоделительного средства 3 (десятки км).

Использование изобретения позволяет получить увеличение числа измерительных каналов и рабочей длины чувствительного оптического волокна за счет повышения контраста когерентных импульсов лазерного излучения, что упрощает конструкцию устройства и расширяет возможности по контролю и выявлению внешних воздействий на протяженные объекты.