DE60036768T2

DE60036768T2 - Akustische Sensoranordnung für bohrlochseismische Anwendungen unter Verwendung einer fiberoptischen Fühleranordnung

Info

Publication number: DE60036768T2
Application number: DE2000636768
Authority: DE
Inventors: John A. Stevenson Ranch Roscigno; Donald Simi Valley Frederick; William C. West Hills Knaack; Craig W. Thousand Oaks Hodgson
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: CA2320453A1; NO20005444D0; EP1096272B1; DE60036768D1; EP1096272A3; NO20005444L; EP1096272A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf akustische Mess-Systeme und insbesondere bezieht sie sich auf ein System zur Messung von akustischen oder Schallwellen, das eine akustische Sensor-Anordnung umfasst.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Typischerweise wird zur Ölgewinnung ein Quelle oder eine Bohrung durch Bohren und Entfernen von Erde aus dem Boden zur Bildung eines Schachtes gegraben, der als „Bohrloch" bekannt ist, das sich zum Boden des Schachtes erstreckt. Allgemein wird ein großes Metallrohr oder eine Auskleidung in das Bohrloch eingesetzt. Kleinere Rohre, die als Produktions-Rohre bekannt sind, werden in die Auskleidung eingesetzt. Diese Produktions-Rohre ermöglichen einen Zugang an den Boden des Schachtes. Beispielsweise kann Öl aus dem Schacht durch das Produktions-Rohr abgezogen werden.
Schließlich erscheint der Schacht trocken zu sein. Trotz des scheinbaren Fehlens von Öl in dem Schacht sind große Vorräte an Öl in vielen Fällen in Taschen in der Erde in der Nähe des Schachtes eingefangen. Diese Taschen sind jedoch in Allgemeinen für den gebohrten Schacht unzugänglich. Um derartige Taschen zu lokalisieren, die in der Technik als Reserven „an Ort und Stelle" bekannt sind, führen Biologen Erkundungen von Erdmassen aus, die die Schächte umgeben. Biologen verwenden Techniken wie zum Beispiel eine Kreuz-Schacht-Tomographie, bei der akustische Wellen durch ein Volumen der Erde übertragen werden, um Eigenschaften, wie zum Beispiel die Dichte, in diesem Volumen zu Charakterisieren. Die Kenntnis der Dichte der Erde trägt dazu bei, dass Vorhandensein oder Fehlen von Öl in dem Gebiet der Erde festzustellen, das charakterisiert wird.
Um die Übertragungseigenschaften eines Gebietes der Erde zu erkunden, kann eine Quelle für akustische Wellen zur Erzeugung von akustischen Wellen, das heißt Schall, verwendet werden, während eine Anordnung von akustischen Sensoren diese akustischen Wellen erfasst. Allgemein wird sich jeder der Sensoren in der Anordnung an einer unterschiedlichen Stelle befinden. Die von der akustischen Quelle emitierten akustischen Wellen werden somit an einer Vielzahl von Punkten abgetastet, die typischerweise eine Linie bilden. Durch Ändern der Position der akustischen Quelle, der Position der Sensor-Anordnung oder von beiden können die Übertragungs-Eigenschaften eines Volumens der Erde gemessen werden. Auf diese Weise kann eine dreidimensionale Karte der Dichte über einen Bereich der Erde hinweg erzeugt werden.
Obwohl einige bekannte Techniken auf akustischen Quellen und/oder Sensor-Anordnungen beruhen, die auf der Oberfläche der Erde liegen, ist die Anordnung von akustischen Quellen und Sensor-Anordnungen tief im Inneren der Erde effektiver, um tiefere Regionen der Erde zu erkunden. Um Messungen tief in der Erde durchzuführen, kann eine Sonde in den Schacht abgesenkt werden.
Die Empfindlichkeit konventioneller bekannter Sensoren verhindert jedoch, dass bekannte Sensor-Anordnungen tief im inneren eines Schachtes verwendet werden. Konventionelle Sensor-Anordnungen verwenden piezoelektrische Wandler (oder Piezos), um Schwingungen, die aus den akustischen Wellen herrühren, in elektrische Signale umzuwandeln. Weil ein piezoelektrischer Wandler lediglich ein kleines Signal abgibt, muss ein elektronischer Vorverstärker in der Nähe des piezoelektrischen Wandlers befestigt werden, um zu verhindern, dass Störungen und Rauschen das kleine Wandlersignal überdecken. Elektronische Bauteile sind jedoch mit den rauhen Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel einer hohen Temperatur und einem hohen Druck, inkompatibel, die Tief im inneren der Erde vorherrschen. Selbst Vorverstärker, die hohe Temperaturen überstehen können, haben eine kurze Lebensdauer, und sie können beispielsweise lediglich eine Stunde unter rauhen Bedingungen aushalten. Somit verhindert die Notwendigkeit eines elektronischen Vorverstärkers die Verwendung von piezoelektrischen Wandlern tief innerhalb eines Schachtes.
Faseroptische Sensoren sind andererseits elektrisch passive Einrichtungen. Das heißt, sie erfordern keine elektrischen Komponenten oder elektrische Verbindungen. Daher sind sie weniger empfindlich gegenüber den rauen Bedingungen, die sich aus Umgebungen mit hoher Temperatur und hohem Druck ergeben. Weiterhin vermeiden faseroptische Sensoren die Umgebungsprobleme, die mit elektrischen Komponenten verbunden sind, beispielsweise die elektromagnetische Störung, die entsteht, wenn elektrische Bauteile in der Nähe von Übertragungsleitungen angeordnet werden. Aus diesen Gründen werden faseroptische Sensoren manchmal in Hydrophonen verwendet, die unter rauen Umgebungsbedingungen arbeiten.
Faseroptische Hydrophone können allgemein in zwei Kategorien klassifiziert werden. Hydrophone der luftgestützten Wickelkern- oder Dorn-Konstruktion haben einen hohlen abgedichteten Hohlraum, der sich in Abhängigkeit von dem Teildruck verformt, so dass Beanspruchungen auf die um den Dorn gewickelte Lichtleitfaser übertragen werden. Andere weniger empfindliche Lichtleitfaser-Hydrophon-Konstruktionen zeichnen die Auswirkungen des Druckes direkt auf die Lichtleitfaser selbst auf, das heißt die Lichtleitfaser kann um einen massiven Körper gewickelt werden. Faseroptische Hydrophone mit hoher Empfindlichkeit (das heißt Hydrophone mit luftgestützten Wickelkern) sind allgemein auf Betriebsdrücke von weniger ungefähr 35 MPa (5000 englische Pfund pro Quadratzahl (psi)) und Temperaturen von weniger als ungefähr 120°C beschränkt. Außerhalb dieses Bereiches verformen sich die in dem Wickelkern von Hydrophonen mit luftgestützten Dornen verwendeten Materialien übermäßig. Beispielsweise verformt sich Polycarbonat-Kunststoffmaterial bei diesen Temperaturen, während sich Metalle, wie zum Beispiel Aluminium, unelastisch verformen, wenn sie hohen Drücken ausgesetzt werden. Andererseits haben faseroptische Hydrophone, die massive Körper oder eine Lichtleitfaser zur akustischen oder Schall-Wandlung verwenden, typischerweise wesentlich geringere Empfindlichkeiten.
Zusätzlich zu den Betriebbeschränkungen hinsichtlich des Druckes und der Temperatur sind derzeitige faseroptische Hydrophone im Allgemeinen raumaufwendig, und sie können große Querschnitte haben, die sich als solche nicht zur Verwendung in Anwendungen eignen, bei denen die Kompaktheit ein wesentlicher Faktor ist, beispielsweise in kommerziellen petrochemischen Schächten und Bohrlöchern. Daher besteht ein Bedarf an einem faseroptischen Hydrophon, das einen relativ kleinen Querschnitt und die Fähigkeit hat, hohen Drücken und Temperaturen zu widerstehen.
Zusätzlich zu den Beschränkungen hinsichtlich der Anordnung bekannter akustischer Anordnungen gibt es Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl von Sensoren, die bei bekannten akustischen Anordnungen verwendet werden können. Bei einer größeren Anzahl von Sensoren muss mehr Information verarbeitet werden. Beschränkungen hinsichtlich der Menge an Information, die innerhalb einer annehmbaren Zeitdauer verarbeitet werden kann, begrenzen die Anzahl der Sensoren, die verwendet werden können. Eine höhere Auflösung aufweisende Karten können jedoch mit einer größeren Anzahl von Sensoren erzielt werden.
Somit besteht ein Bedarf an einem System zur Messung akustischer Wellen, das robust genug ist, um in den rauhen Umgebungsbedingungen eines Bohrloches zu arbeiten und das eine große Anzahl von Sensoren aufnimmt.
Systeme, die eine große Anzahl von Sensoren verwenden, können einen Nutzen aus der Verwendung der Multiplexierung ziehen, bei der mehrfache Signale in einer einzigen Leitung übertragen werden. Eine übliche Lösung, die als Frequenz-Multiplexierung (FDM) bekannt ist, arbeitet durch Modulieren einer Trägerwelle mit einer Anzahl von unterschiedlichen Frequenzen gleich der Anzahl von Signalen, die zu multiplexieren sind. Wenn FDM auf ein System angewandt wird, das interferometrische Sensoren verwendet, so schließt das multiplexierte Signal Komponenten nicht nur bei den Modulations-Frequenzen, sondern auch bei allen harmonischen Frequenzen der Modulations-Frequenzen ein. Für ein derartiges System kann das multiplexierte Signal durch die Detektion der Modulations-Komponenten bei der Modulations-Frequenz und der ersten harmonischen Frequenz demultiplexiert werden, vorausgesetzt, dass diese Komponenten sich nicht miteinander oder mit irgendwelchen Komponenten bei den höheren Harmonischen (hinsichtlich ihrer Frequenz) überlappen. Eine derartige Überlappung kann durch die Auswahl von Modulations-Frequenzen verhindert werden, die ausreichend groß und voneinander getrennt sind, damit die niedrigste harmonische Komponente zweiter Ordnung die höchste erste harmonische Komponente übersteigt. Dies führt zu großen Bändern von ungenutzten Frequenzen zwischen Gleichspannung der höchsten erfassten Frequenzsignal-Komponente. Um die Signalverarbeitungs-Elektronik einfach zu halten, ist es jedoch vorzuziehen, die maximale detektierte Frequenz so niedrig wie möglich zu halten. Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Auswahl eines Satzes von FDM-Modulations-Frequenzen, die eine maximale Frequenz haben, die so niedrig wie möglich ist, wobei jedoch gleichzeitig Funkfrequenz-Komponenten und erste harmonische Signal-Komponenten beibehalten werden, die nicht durch andere Signal-Komponenten überlappt sind.
Das Dokument EP 0936453 beschreibt eine Technik zum Abfragen von faseroptischen interferometrischen Sensoren. Das Dokument WO 9802898 beschreibt Anordnungen von faseroptischen interferometrischen Sensoren und Mechanismen vom Maximieren des Signal-/Störverhältnisses in verstärkten Sensor-Anordnungen, die zeitmultiplexiert sind. Das Dokument WO 9835208 beschreibt ein System für die vertikale seismische Profilbestimmung einer Erdbohrung.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung umfasst ein System zum Messen unterirdischer akustischer Wellen, die von einer akustischen Quelle emitiert werden, wie es im Anspruch 1 beansprucht ist. Das System umfasst zumindest eine optische Quelle, die Licht emittiert. Eine Vielzahl von optischen Sensoren empfängt das Licht und ändert das Licht in Abhängigkeit von akustischen Wellen. Zumindest ein optischer Detektor empfängt das geänderte Licht und gibt ein elektrisches Signal ab. Das System umfasst weiterhin elektronische Schaltungen, die das elektrische Signal empfangen und das Signal in ein seismisches akustisches Datenformat umwandelt.
Das System umfasst in vorteilhafter Weise zumindest eine Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitung, die das von der optischen Quelle emittierte Licht an die Sensoren verteilt, sowie zumindest eine Rücklauf-Lichtleitfaser-Leitung, die das geänderte Licht, das von den Sensoren emittiert wird, an zumindest einen optischen Detektor lenkt.
Vorzugsweise wird das von der zumindest einen optischen Quelle emittierte Licht mit zumindest einer Modulations-Frequenz moduliert. Die elektronischen Schaltungen demultiplexieren oder demodulieren in vorteilhafter Weise das elektrische Signal durch Mischen des Signals mit periodischen Schwingungsformen, die Frequenzen aufweisen, die den Modulations-Frequenzen und dem Doppelten der Modulations-Frequenzen entsprechen.
Dieses System kann eine Anzahl von unterschiedlichen Arten von faseroptischen Sensor-Eingängen umfassen, vorzugsweise Land-seismische, Bohrloch-Herunterführungs- und Meeresboden-Kabel, die entweder Hydrophone, Geophone oder eine Kombination von beiden verwenden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein in einem Bohrloch angeordnetes-System zur Messung von akustischen Wellen, die von einer akustischen Oberflächen-Quelle oder einer unterirdischen akustischen Welle emittiert werden. Das in dem Bohrloch angeordnete System umfasst zumindest eine optische Quelle, die Licht emittiert. Eine Anzahl von in dem Bohrloch angeordneten optischen Sensoren empfängt das Licht. Diese Anordnung ändert das Licht in Abhängigkeit von den akustischen Wellen. Eine Vielzahl von optischen Detektoren empfängt das geänderte Licht und gibt elektrische Signale ab. Elektronische Schaltungen verarbeiten diese elektrischen Signale und wandeln die Signale in ein seismisches Datenformat um.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein in einem Bohrloch angeordnetes System zur Durchführung einer Bohrloch-Quer-Tomographie eine Vielzahl von Laser-Quellen, die jeweils Licht emittieren, das mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert ist. Dieses in der Bohrung angeordnete System umfasst weiterhin eine Anordnung von in der Bohrung angeordneten optischen Sensoren. Diese in der Bohrung angeordneten optischen Sensoren empfangen das Licht und ändern es in Abhängigkeit von akustischen Wellen, die auf die akustischen Sensoren auftreffen. Eine Anzahl von optischen Detektoren empfängt das geänderte Licht und gibt elektrische Signale ab. Elektronische Schaltungen verarbeiten die elektrischen Signale und wandeln die Signale in ein seismisches Datenformat um.
Eine zusätzliche Ausführungsform beinhaltet ein weiteres System zur Messung unterirdischer akustischer Wellen die von einer akustischen Quelle emittiert werden. Das System umfasst Einrichtungen zur Erzeugung einer Anzahl von kohärenten Lichtstrahlen und Einrichtungen zur Modulation der Anzahl von kohärenten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen. Das System umfasst weiterhin Einrichtungen zum Ändern der Lichtstrahlen in Abhängigkeit von den akustischen Wellen. Auf diese Weise werden Änderungen der Lichtstrahlen erzeugt. Das System umfasst zusätzlich Einrichtungen zur Detektion der Änderungen des Lichtstrahles. Einrichtungen zur Umwandlung der detektierten Änderungen in ein seismisches Datenformat sind ebenfalls enthalten.
Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Messung unterirdischer akustischer Wellen, die von einer akustischen Quelle emittiert werden, wie dies im Anspruch 28 beansprucht ist. Das Verfahren umfasst die Erzeugung von zumindest einem optischen Lichtstrahl. Der Lichtstrahl wird in Abhängigkeit von den akustischen Wellen geändert. Änderungen des Lichtstrahles werden auf diese Weise erzeugt. Diese Änderungen in dem Lichtstrahl werden detektiert, und die detektierten Änderungen werden in ein seismisches Datenformat umgewandelt.
Ein weiteres Verfahren zur Messung unterirdischer akustischer Wellen, die von einer akustischen Quelle emittiert werden, umfasst die Erzeugung einer Anzahl von kohärenten Lichtstrahlen. Die Anzahl der kohärenten Lichtstrahlen wird mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert. Die Lichtstrahlen werden in Abhängigkeit von den akustischen Wellen geändert, wodurch eine Änderung der Lichtstrahlen erzeugt wird. Die geänderten Lichtstrahlen werden empfangen, und elektrische Signale werden abgegeben. Die elektrischen Signale werden verarbeitet und in Daten in einem seismischen Datenformat umgewandelt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird im Einzelnen nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Seitenansicht eines sich in einem Bohrloch nach unten erstreckenden akustischen Mess-Systems zeigt, das eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines Kabels zeigt, das ein Herabführungs-Kabel und ein Sensor-Anordnungs-Kabel umfasst;
3A eine schematische Ansicht der ersten Ausführungsform des akustischen Mess-Systems der vorliegenden Erfindung zeigt, das sechs Laser-Quellen, sechzehn optische Detektoren und 96 akustische Sensoren umfasst, wobei die Sensoren in einer einzigen akustischen Sensor-Anordnung enthalten sind;
3B eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des akustischen Mess-Systems der vorliegenden Erfindung zeigt, das sechs Laser-Quellen, 32 optische Detektoren und 192 akustische Sensoren umfasst, wobei die Sensoren in zwei getrennten akustischen Sensor-Anordnungen enthalten sind;
4, die die 4A bis 4H umfasst, eine schematische Ansicht einer Implementierung der Verteilung und Zurücklieferung des optischen Signals bei der ersten Ausführungsform erläutert. Diese Implementierung nimmt eine optische 6 × 16-Sensor-Anordnung mit sechzehn Sensor-Gruppen auf, wobei jede Sensor-Gruppe eine ausschließlich hierfür bestimmte Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitung hat;
5 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des akustischen Sensors in Form eines Lichtleitfaser-Sensors zeigt, der ein Mach-Zehnder-Interferometer ist;
6 ein Blockschaltbild der Detektor-/Elektronik-Baugruppe und eines Laser-Einschubes bei der ersten Ausführungsform des akustischen Mess-Systems zeigt, wobei 96 Sensoren in der 6 × 16-Sensor-Anordnung nach 4 vorgesehen sind;
7 ein Ablaufdiagramm der Wechselwirkung der akustischen Quelle und der akustischen Sensor-Systeme zeigt;
8 ein Ablaufdiagramm der Betriebsweise des akustischen Mess-Systems zeigt, nämlich den Prozess, mit dem akustische Wellen gemessen und Daten in einem konventionellen seismischen Industrienorm-Format ausgegeben werden;
9, die die 9A bis 9D umfasst, eine schematische Ansicht der Detektor-/Elektronik-Baugruppe und eines Laser-Einschubs in der zweiten Ausführungsform des akustischen Sensor-Systems zeigt, das 192 Sensoren in einer 2 × (6 × 16) Sensor-Anordnung aufweist;
10, die 10A und 10B umfasst, Frequenz-Komponenten für multiplexierte Signale zeigt, bei denen die Modulations-Frequenzen so ausgewählt sind, dass die Sätze von Grundwellen, ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen an einer Überlappung gehindert sind. Die 10A und 10B zeigen die Komponenten für Systeme mit fünf beziehungsweise sechs Modulations-Frequenzen;
11, die die 11A und 11B umfasst, Frequenz-Komponenten für multiplexierte Signale gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die Modulations-Frequenzen so ausgewählt sind, dass sie einen gleichen Abstand aufweisen, und wobei sich die Sätze von ersten Harmonischen und zweiten Harmonischen ohne Überlappung der Komponenten-Signale innerhalb der zwei Sätze überlappen, wobei die 11A und 11B die Komponenten für Systeme mit fünf beziehungsweise sechs Modulations-Frequenzen zeigen;
12 Frequenz-Komponenten für ein multiplexiertes Signals zeigt, das sich aus fünf Licht-Quellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt, wobei die Modulations-Frequenzen einen gleichförmigen Abstand beginnend bei 6Δf haben, mit der Ausnahme, dass eine Modulations-Frequenz bei 9Δf übersprungen wird;
13 Frequenz-Komponenten für ein multiplexiertes Signal zeigt, das sich aus sechs Licht-Quellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt, wobei die Modulations-Frequenzen einen gleichförmigen Abstand beginnend bei 7Δf haben, mit der Ausnahme, dass eine Modulations-Frequenz bei 12Δf übersprungen wird;
14, die die 14A und 14B umfasst, Frequenz-Komponenten für ein multiplexiertes Signal zeigt, das sich aus sechs Licht-Quellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt, wobei die Modulations-Frequenz-Komponenten bei Δf-Vielfachen von 5 2/3, 7, 8, 9, 10 und 121/2 ausgewählt sind, wobei aus Gründen der Klarheit 14A die Grundfrequenz-Komponenten isoliert;
15, die die 15A und 15B umfasst, Frequenz-Komponenten für ein multiplexiertes Signal zeigt, das sich aus sechs Licht-Quellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergibt, wobei die Modulations-Frequenz-Komponenten bei Δf-Vielfachen von 3, 4, 5, 7, 11 und 13 ausgewählt sind, wobei aus Gründen der Klarheit die 15A die Grundfrequenz-Komponenten isoliert;
16 eine weggeschnittene Ansicht einer Hydrophon-Ausführungsform zeigt, die sich innerhalb eines Kabels befindet;
17 eine Querschnittsansicht des Kabels nach 16 an einem von dem Hydrophon entfernten Ort zeigt;
18 mechanische Halterungs-Merkmale zeigt, die um den Sensor des Hydrophon herum verwendet werden, um diesen gegen ein Brechen zu schützen, der anderenfalls bei einem Biegen des Kabels auftreten würde;
19 eine auseinandergezogene Ansicht des Sensors zeigt, wobei ein Telemetrie-Gehäuse, ein Bezugs-Dorn und zwei Abtast-Dorne sowie die Lichtleitfasern gezeigt sind, die diese miteinander verbinden;
20, die die 20A, 20B und 20C umfasst, schematische Darstellungen der Führung der Lichtleitfaser innerhalb des Sensors zeigt. In den 20A, 20B und 20C wirkt der Sensor als ein Mach-Zehnder-Interferometer, ein Michelson-Interferometer beziehungsweise ein Fabry-Perot-Interferometer;
21 eine perspektivische Ansicht des Bezugs-Dorns unter Einschluss seiner halbkugelförmigen Endkappen zeigt;
22 eine Querschnittsansicht einer halbkugelförmigen Endkappe zeigt; und
23 eine flexible Zwischenverbindung zeigt, die zur Verbindung von zwei halbkugelförmigen Endkappen verwendet wird.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Ein System 100 zur Messung akustischer Wellen 102 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 gezeigt. Das System 100 umfasst ein akustischen Anordnungs-Kabel 104, das an einem Herabführungs-Kabel 106 angebracht ist, das auf einer ersten Trommel 108 auf einem ersten Lastwagen 110 gehalten ist. Das Herabführungs-Kabel 106 läuft von der ersten Trommel 108 zu einer Haspel 112, die ebenfalls auf dem ersten Lastwagen 110 befestigt ist, und einer Seilscheibe 114, die auf einer Oberfläche 116 benachbart zu einem Bohrloch 118 angeordnet ist. Von der Seilscheibe 114 aus läuft das Herabführungs-Kabel 106 zu einer Seilscheibe 120, die an einem Kran 122 befestigt ist. Das Herabführungs-Kabel 106 und das akustische Anordnungs-Kabel 104 erstrecken sich von dieser Seilscheibe 120 in das Bohrloch 118. Das Bohrloch 118 umfasst ein erstes Bohrloch 124, das in einer Erdschicht 126 ausgebildet ist.
Ein großes Metallrohr, das als (nicht gezeigte) Auskleidung bekannt ist, ist in das Bohrloch 124 eingesetzt. Das Herabführungs-Kabel 106 auf der Trommel 108 ist mit einer Empfänger-Verarbeitungs-Elektronik 128 verbunden, die in dem ersten Lastwagen 110 untergebracht ist.
Eine akustische Quelle 130 befindet sich in einem zweiten Bohrloch 132. Diese akustische Quelle 130 ist an einem akustischen Quellen-Kabel 134 angebracht, das auf einer zweiten Trommel 136 auf einem zweiten Lastwagen 138 gehalten wird. Das akustische Quellen-Kabel 134 läuft von der zweiten Trommel 136 zu einer zweiten Haspel 140, die ebenfalls auf dem zweiten Lastwagen 138 befestigt ist, und zu einer zweiten Seilscheibe 142, die sich auf der Oberfläche 116 benachbart zu den zweiten Bohrloch 132 befindet. Von der zweiten Seilscheibe 142 läuft das akustische Quellen-Kabel 134 um eine zweite Seilscheibe 144 herum, die an einem zweiten Kran 136 befestigt ist. Das akustische Quellen-Kabel 134 erstreckt sich von dieser Seilscheibe 144 in das zweite Bohrloch 132. Weiterhin befindet sich in dem zweiten Lastwagen 138 eine Quellen-Elektronik 148, die der akustischen Quelle 130 zugeordnet ist. Die akustischen Wellen 102 gehen von der akustischen Quelle 130 in dem zweiten Bohrloch 132 aus und kommen an dem akustischen Anordnungs-Kabel 104 in dem ersten Bohrloch 124 an.
Eine perspektivische Ansicht eines Kabels 202, das das Herabführungs-Kabel 106 und das akustische Anordnungs-Kabel 104 umfasst, ist in 2 gezeigt. Eine Schnittstelle 204 verbindet das Herabführungs-Kabel 106 mit dem akustischen Anordnungs-Kabel 104. Das akustische Anordnungs-Kabel 104 wird durch einen Gamma-Detektor 206 abgeschlossen, der in konventioneller Weise arbeitet, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von dem Hindurchlaufen des Gamma-Detektors 206 durch jeden Abschnitt eines Rohres zu erzeugen, das die Auskleidung in dem Bohrloch 124 bildet. Der Gamma-Detektor 206 liefert ein Signal, das verarbeitet wird, um die Tiefe des Abschlusses des akustischen Anordnungs-Kabel 104 zu bestimmen.
Wie dies in 3A gezeigt ist, ist eine Anzahl von Laser-Quellen LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6 so angeordnet, dass sie optische Zuführungs-Leitungen F1-F6 speisen, die an einem optischen Abschluss-Element 302 angeschlossen sind. Das optische Abschluss-Element ergibt eine Verbindung mit dem Herabführungs-Kabel 106, das mit einem akustischen Anordnungs-Kabel 104 verbunden ist. Das akustische Anordnungs-Kabel 104 nimmt eine Anzahl von Sensoren auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel insgesamt 96 Sensoren sind, die mit S1-S96 bezeichnet sind. Das optische Abschluss-Element 302 ergibt weiterhin eine Verbindung zwischen dem Herabführungs-Kabel 106 und einer Anzahl (beispielsweise 16) von Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R16, die mit optischen Detektoren D1-D16 gekoppelt sind. Die Ausgänge der optischen Detektoren D1-D16 sind elektrisch mit der Verarbeitungs-Elektronik 304 verbunden.
Jede Laser-Quelle LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6 umfasst einen jeweiligen Laser LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6 und einen Modulator M1, M2, M3, M4, M5, M6. Jeder der Laser L1-L6 erzeugt einen Lichtstrahl mit einer unterschiedlichen optischen Wellenlänge. Die sechs Lichtstrahlen, die von diesen Lasern L1-L6 erzeugt werden, werden an jeweilige Modulatoren M1-M6 gelenkt. Vorzugsweise umfassen diese Modulatoren M1-M6 Phasen-Modulatoren, die jeweils durch eine unterschiedliche Modulations-Frequenz gekennzeichnet sind. Entsprechend geben die Laser-Quellen LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6 sechs optische oder Lichtsignale ab, die jeweils unterschiedliche optische Wellenlängen haben, und die jeweils mit einer getrennten Modulations-Frequenz moduliert sind.
3B zeigt eine Ausführungsform, die 192 Sensoren S1-S192 umfasst, die in zwei getrennten akustischen Anordnungs-Kabeln 104a, 104b enthalten sind, die an zwei getrennten Herabführungs-Kabeln 106a, 106b angebracht sind. Die zwei getrennten akustischen Anordnungs-Kabel 104a, 104b und die Herabführungs-Kabel 106a, 106b könnten in zwei getrennte Bohrlöcher 124 eingesetzt sein. Die Anordnung mit 192 Sensoren wird weiter unten ausführlicher erläutert.
Die Anzahl von Zuführungs-Leitungen F1-F6 ist mit einer Anzahl von Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 (die in 4A-4H gezeigt sind) an dem optischen Abschluss-Element 302 verbunden, um die von den Laser-Quellen LS1-LS6 abgegebenen optischen Signale an die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen zu übertragen. Diese Verteilungs-Zuführungs-Leitungen DF1-DF6 laufen durch das Herabführungs-Kabel 106 und in das akustische Anordnungs-Kabel 104.
4, die die 4A-4H umfasst, zeigt die 96 Sensoren S1-S96 in einem einzigen akustischen Anordnungs-Kabel 104 ähnlich dem, wie es in 3A gezeigt ist. Diese 96 Sensoren S1-S96 sind in acht Sensor-Gruppen von jeweils zwölf Sensoren unterteilt. Eine erste Sensor-Gruppe, die Gruppe 401, ist in 4A. gezeigt. Der optische Pfad von der ersten Sensor-Gruppe 401 zu den Laser-Quellen LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6 und an die Verarbeitungs-Elektronik 304 ist kürzer als der für irgendeine der anderen Sensor-Gruppen 402-408. Sieben zusätzliche Sensor-Gruppen 402-408 sind in den 4A-4H gezeigt. Jede Sensor-Gruppe 401-408 hat zumindest einen Sensor, der mit jeder der sechs Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 gekoppelt ist. Beispielsweise sind in er ersten Sensor-Gruppe 401 die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 mit jeweiligen Standard-1 × 2-Eingangskopplern 420 verbunden, die ihrerseits mit jeweiligen Sensoren S1-S12 verbunden sind. In ähnlicher Weise sind in der zweiten Sensor-Gruppe 402 die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 mit jeweiligen Sensoren S12-S24 über zusätzliche Standard-1 × 2-Eingangskoppler 420 verbunden.
Alle die Sensoren S1-S12 in der Gruppe 401 sind mit zwei Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1, RF2 gekoppelt. In ähnlicher Weise weist jede der Sensor-Gruppen 402-408 zwei der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF2-RF16 auf, die ausschließlich für ihre Verwendung bestimmt sind. Beispielsweise sind die Sensoren S7-S24 alle mit zwei der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 gekoppelt, nämlich den dritten und vierten Lichtleitfaser-Leitungen RF3, RF4. Als ein weiteres Beispiel sind die Sensoren S85-S96 mit den letzten zwei Lichtleitfaser-Leitungen RF15, RF16 gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform nutzen keine benachbarten Sensoren S1-S96 eine gemeinsame Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitung RF1-RF16.
Die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 sind mit Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R16 verbunden. Die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 und die Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R16 lenken die optischen Ausgangssignale der akustischen Sensoren S1-S96 an die optischen Detektoren D1-D16.
In 5 umfassen die akustischen Sensoren S1-S96 ein Interferometer 502, das gegenüber akustischen Drücken, Druck-Änderungen und Druck-Schwingungen empfindlich ist. Das Interferometer 502 ist in 5 als ein Mach-Zehnder-Interferometer gezeigt. Dieses Interferometer 502 schließt eine Sensor-Eingangs-Leitung 504. ein, die mit einem ersten Koppler 506 verbunden ist. Ein Bezugs-Arm 508 und ein Test- oder Mess-Arm 510 sind an diesem ersten Koppler 506 angeschlossen. Der Bezugs-Arm 508 und der Test-Arm 510 sind Lichtleitfasern. Die Lichtleitfasern 508, 510 sind mit einem zweiten Koppler 512 verbunden, der mit einer Sensor-Ausgangs-Leitung 514 verbunden ist. Der Eingangs-Koppler 420 und der Ausgangs-Koppler 430 sind mit der Sensor-Eingangs-Leitung 504 beziehungsweise mit der Sensor-Ausgangs-Leitung 514 verbunden.
Das optische Signal, das von den Laser-Quellen LS1-LS6 ausgeht, wird in die Sensor-Eingangs-Leitung 504 des Interferometers 502 über den Eingangs-Koppler 420 eingekoppelt. Das Signal wird von dem ersten Koppler 506 auf zwei Strahlen aufgeteilt. Ein Bezugs-Strahl breitet sich durch den Bezugs-Arm 508 aus, und ein Test-Strahl breitet sich durch den Test-Arm 510 aus. Die zwei Strahlen werden in eine einzige Lichtleitfaser 514, die Sensor-Ausgangs-Leitung, an dem zweiten Koppler 506 des Interferometers 504 gekoppelt. Der Bezugs-Strahl und der Test-Strahl ergeben eine Interferenz in dem zweiten Koppler 512, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das an einem der optischen Detektoren D1-D16 detektiert wird.
Akustische Schwingungen, die auf eine der akustischen Sensoren S1-S96 auftreffen, bewirken eine Verformung der Lichtleitfaser, die den jeweiligen Test-Arm 510 bildet, das heißt eine Dehnung oder Zusammenziehung, wodurch andererseits die optische Pfadlänge des Test-Armes 510 geändert wird. Im Gegensatz hierzu ist der Bezugs-Arm 508 gegenüber den akustischen Schwingungen abgeschirmt. Somit ändert sich die optische Pfadlänge des Bezugs-Armes nicht. Weil sich die optische Pfadlänge des Test-Arms 510 ändert, während sich die optische Pfadlänge des Bezugs-Arms 508 nicht ändert, ändert sich die Phasen-Differenz zwischen den Strahlen, die sich in dem Test- und Bezugs-Armen ausbreiten, in Abhängigkeit von den akustischen Schwingungen. Die Änderungen der relativen Phase zwischen dem Test- und Bezugs-Armen 510, 508 führen zu einer sich zeitlich ändernden Interferenz an dem zweiten Koppler 512. Die sich zeitlich ändernde Interferenz wird zu einer sich zeitlich ändernden Lichtintensität des Signals, das von dem zweiten Koppler 512 abgegeben wird. Die sich zeitlich ändernde Lichtintensität wird durch einen der Detektoren detektiert (beispielsweise dem ersten Detektor D1).
6 zeigt eine Detektor-/Elektronik-Baugruppe 601 für die erste Ausführungsform des akustischen Mess-Systems 100, das sechzehn Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R16 aufweist, die mit den sechzehn optischen Detektoren D1-D16 gekoppelt sind. Die Detektor-/Elektronik-Baugruppe 601 schließt die optischen Detektoren D1-D16 und die Verarbeitungs-Elektronik 304 ein.
6 zeigt weiterhin schematisch eine optische Sensor-Anordnung 602, und zeigt, wie die Detektor-/Elektronik-Baugruppe 601 mit der optischen Sensor-Anordnung und mit den Laser-Quellen LS1-LS6 verbunden ist. Wie sie hier definiert ist, umfasst die optische Sensor-Anordnung 602 eine Anzahl von optischen Sensoren, die miteinander unter Verwendung von Lichtleitfasern gekoppelt sind. Die optische Sensor-Anordnung 602, die in 6 gezeigt ist, schließt die Bezeichnung 6 × 16 ein, was sechs Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 und sechzehn Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF6 entspricht, die in den 4A-4H gezeigt sind.
Jeder der optischen Detektoren D1-D16 ist als Teil der vier digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 enthalten. Die optischen Detektoren sind in vier Gruppen D1-D4, D5-D8, D9-D12 und D13-D16 aufgeteilt, wobei sich jede Gruppe in einem der vier digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 befindet.
Wie dies in 6 gezeigt ist, sind die vier digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 elektrisch mit vier digitalen 24-Kanal-Signal-Prozessoren (DSPs) 606 verbunden. Jeder der 24-Kanal-DSPs 606 umfasst zwölf digitale Signal-Verarbeitungs-Chips. Entsprechend kann der Ausdruck „12-DSP-Verarbeitungs-Element" 606 austauschbar mit digitalen 24-Kanal-Signal-Prozessoren verwendet werden.
Jeder der digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 ist mit einem der zwölf DSP-Verarbeitungs-Elemente 606 gepaart. Die vier 12-DSP-Verarbeitungs- Elemente sind mit einem PCI-Bus 608 (oder einem anderen geeigneten Bus) gekoppelt, der mit einer zentralen Prozessor-Einheit (CPU) 610 gekoppelt ist, wie zum Beispiel einem Intel Pentium II- oder Pentium III-Prozessor.
Die CPU 610 ist mit einer Festplatte 612 über einen SCSI-Bus 614 gekoppelt. Die zentrale Prozessor-Einheit 610 ist weiterhin mit einer Bediener-Konsole 616 und einem Aufzeichnungs- und Verarbeitungs-System 618 über zwei Ethernet-Leitungen 620, 622 verbunden.
Jeder der digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 empfängt 24 Signale, weil jeder der vier Detektoren D1-D16 innerhalb eines der digitalen Empfänger/Demodulatoren sechs Signale von einer Gruppe von sechs Sensoren empfängt. Die sechs Signale, die an jedem der optischen Detektoren D1-D16 ankommen, stammen von den sechs Laser-Quellen LS1-LS6, und sie haben eine unterschiedliche optische Wellenlänge und sie haben unterschiedliche Modulations-Frequenzen. Bei der Bestrahlung durch die sechs Signale gibt jeder der optischen Detektoren D1-D16 ein elektrisches Signal ab, das Komponenten proportional zur Intensität des darauf einfallenden Lichtes bei jeder der Modulations-Frequenzen und bei Harmonischen der Modulations-Frequenzen hat. Das elektrische Signal von einem der optischen Detektoren, beispielsweise dem ersten Detektor D1, wird in die sechs Signale aufgeteilt, die von den sechs akustischen Sensoren erzeugt werden, beispielsweise den ersten sechs ungeraden Sensoren S1, S3, S5, S7, S9, S11 deren Ausgänge im optischen Detektor weitergeleitet werden. Die sechs Signale werden durch Trennen der Komponenten entsprechend den Modulations-Frequenzen unterschieden. Obwohl das auf dem Detektor D1 einfallende Licht sechs unterschiedliche optische Wellenlängen umfasst, ist es nicht erforderlich, die Signale optisch zu trennen. Die Differenz der optischen Wellenlängen wird dazu verwendet, die sechs Signale daran zu hindern, eine optische Interferenz miteinander zu bewirken.
Die Gesamtzahl der akustischen Sensor-Signale, die von der Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 verarbeitet wird, die in der in 6 gezeigten Ausführungsform verwendet wird, ist 96. Jeder der digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 empfängt vier optische Signale von vier der Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R16. Der digitale 24-Kanal-Empfänger/Demodulator 604 wandelt jeden der vier Lichtstrahlen in sechs getrennte elektrische Kanäle um, was zu 24 elektrischen Kanälen führt. Weil die Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 für die in 6 gezeigte Ausführungsform vier digitale 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 aufweist, werden insgesamt 96 (4 × 24) elektrische Kanäle verwendet. Jeder der 96 elektrischen Kanäle enthält Information, die sich auf die akustischen Schwingungen an einem jeweiligen der 96 akustischen Sensoren S1-S96 bezieht.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, umfasst jeder der akustischen Sensoren S1-S96 ein Interferometer 502, das die kohärente Licht-Quelle in zwei Wellen aufteilt, die auf getrennten Pfaden verlaufen, die schließlich konvergieren. Beim Konvergieren ergeben die zwei Wellen eine Interferenz miteinander derart, dass die Intensität I der Kombination durch I = A + B cos θ gegeben ist, worin A und B Konstanten sind und θ die Phasen-Differenz zwischen den zwei Wellen bei der Konvergenz ist.
Um die sechs Sensor-Signale, die den sechs Lasern L1-L6 zugeordnet sind, und die über jede Rückführungs-Lichtleitfaser (beispielsweise RF1) übertragen werden, zu multiplexieren, wird der Interferometer-Phasenwinkel jedes der sechs Sensoren mit einer unterschiedlichen Frequenz ω_n moduliert. Die Interferometer-Phasenwinkel-Modulation kann als θ(t) = C_n cosω_nt, dargestellt werden, worin n = 1, ..., 6 ist, und C_n die Amplitude der Phasenmodulation in Radian ist. Der Phasenwinkel des Interferometers wird durch sinusförmiges Ändern der Phase jedes Lasers L1-L6 moduliert. Dies wird durch den Modulator M1-M6 mit einer sinusförmigen Änderung der Spannung längs einer (nicht gezeigten) Lithium-Niobat-Segmentes des optischen Pfades erreicht. Eine Laser-Quellen-Phasenmodulation Φ = Φ_ocos(ωt), worin Φ_o die Phasen-Amplitude in Radian ist, führt zu einer Laser-Frequenz-Modulation f = f_c + Δf sin(ωt), worin f_c die optische Träger-Frequenz und Δf = Φ_oω/2π ist. Die Frequenzmodulation führt ihrerseits zu einer Modulation des Interferometer-Phasen-Winkels φ = 2πΔLΔf/c sin(ωt), worin ΔL die Pfadlängen-Besetzung zwischen den zwei Interferometer-Pfaden und c die Lichtgeschwindigkeit in der Lichtleitfaser ist.
Diese Modulation führt zu einer sich zeitlich ändernden Intensität für den Ausgang des n-ten Interferometerers, die durch: I_n(t) = An + B_n cos[Cn cos(ω_nt) + φ_n(t)] gegeben ist, worin φ_n(t) die sich zeitlich ändernde Phase ist, die durch das akustische Signal in dem n-ten optischen Sensor (und durch Signal-Rauschen) hervorgerufen wird. Diese Gleichung kann in Ausdrücken einer Sessel-Funktion erweitert werden, um folgendes zu ergeben: In(t) = A + Bn{[[Jo(Cn) + 2Σk=1,∞(–1)kJ2k(Cn)cos(2kωnt)]]cos(φn(t)) – [[2Σk=0,∞(–1)kJ2k+1(Cn)cos((2k+1)ωnt)]]sin(φn(t))}.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, sind die N Laser L1-L6 so gewählt, dass sie ausreichend unterschiedliche optische Träger-Frequenzen haben, um eine optische Interferenz zu vermeiden. Somit ist die Gesamt-Intensität an dem Detektor, I_tot, der mit dieser speziellen Rückführungs-Lichtleitfaser (beispielsweise RF1) verbunden ist, durch I_tot (t) = Σ_n=1,6I_n(t) gegeben. Die Licht-Intensitäten, die von jedem der sechzehn Detektoren D1-D16 erfasst werden, werden durch eine analoge Gleichung beschrieben.
Die vorstehenden Gleichungen zeigen, dass der Interferometer-Intensitäts-Ausgang Signale nicht nur bei den sechs Modulations-Frequenzen ω_n sondern auch bei 2ω_n, 3ω_n usw. enthält. Das multiplexierte Intensitäts-Signal, das an einem vorgegebenen Detektor D1-D16 empfangen wird, kann vollständig durch eine Detektion der Signal-Komponenten bei ω_n und 2ω_n unter Verwendung der folgenden Anwendung demultiplexiert werden.
Das Gesamt-Ausgangs-Signal I_tot kann mit einem Signal bei ω_n und einem Signal bei 2ω_n gemischt werden, und die Mischergebnisse können in einem Tiefpassfilter gefiltert werden, um das Signal bei allen Harmonischen oberhalb der ersten Harmonischen zu beseitigen. Dies führt zu „direkten" (I-) und „quadratur" (Q-) Komponenten derart, dass: In = B_nGJ₁(C_n)sinφ_n(C_n) und Q_n = B_nHJ₂(C_n)cosφ_n(t) ist, worin G und H die Amplituden der Misch-Signale sind, die den ω_n beziehungsweise 2ω_n-Komponenten des Signals entsprechen. Die Eigenschaften von Bessel-Funktionen sind derart, dass J₁(x) und J₂(x) gleich sind, wenn der Parameter x ≈ 2,6 ist. Siehe beispielsweise „Handbook of Mathematical Functions", 1974, herausgegeben von M. Abramowitz und I. Stegun. Wenn dann G = H und C_n = 2,6 Radian gewählt wird, so ergibt sich der Phasenwinkel aus: φ_n(t) = arctan(I_n/Q_n).
Somit mischen zur Demodulation die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 die von den optischen Detektoren D1-D16 abgegebenen elektrischen Signale mit sinusförmigen Schwingungsformen bei den sechs Frequenzen, mit denen der Ausgang der sechs Laser L1-L6 moduliert ist. Die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 mischen außerdem die von den optischen Detektoren D1-D16 abgegebenen elektrischen Signale mit sinusförmigen Schwingungsformen, die das Doppelte dieser sechs Frequenzen haben. Entsprechend mischen die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 die elektrischen Signale, die von den optischen Detektoren D1-D16 abgegebenen werden, mit sinusförmigen Trägern mit Frequenzen von ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆ und 2ω₁, 2ω₂, 2ω₃, 2ω₄, 2ω₅, und 2ω₆.
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, führen die demodulierten Signale, die als Ergebnis dieses Mischens erzeugt werden, zu direkten (I) und Quadratur-(Q-) Komponenten. Diese Komponenten werden für jeden Kanal als Eingänge an eine (nicht gezeigte) Schaltung geliefert, die den Arkustangens der zwei Komponenten abgibt. Auf diese Weise wird eine polare Phase aus den demodulierten Signalen gewonnen. Diese polare Phase entspricht der Phasen-Differenz zwischen den optischen Strahlen in dem Test- und Bezugs-Armen 510, 805. Die zeitliche Ableitung der polaren Phase wird mit (nicht gezeigten) digitalen Schaltungen erzeugt, die zur Implementierung einer Differenzierung ausgebildet sind. Die Ableitung der Phase ist proportional zur Größe der akustischen Schwingungen, die von den Sensoren S1-S96 gemessen werden.
Die Ableitung der Phase, die von zwei Kanälen jedes digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulators 604 erzeugt wird, wird an ein Element der entsprechenden 12-DSP-Elemente 606 gesandt. Die 12-DSP-Elemente 606 filtern und dezimieren das demodulierte Signal herunter auf Standard-Abtastproben-Raten, die von konventionellen seismischen Daten-Aufzeichnungs-Geräten benötigt werden. Diese 12-DSP-Elemente 606 sind mit dem PCI-Bus 608 gekoppelt und verwenden den PCI-Bus zur Kommunikation mit der CPU 610. Entsprechend wird die gefilterte und dezimierte Ableitung der Phase der CPU 610 zugeführt. Es sei bemerkt, dass jedes der 12-DSP-Elemente 606 die Phasen-Information von zwei akustischen Kanälen verarbeitet, deren Verarbeitung jeweils getrennt ausgeführt wird.
Die CPU 610 formatiert die Daten, die den akustischen Schwingungen entsprechen, derart, dass sie mit der Industrie-Norm (beispielsweise den SEG-D-Format) kompatibel sind. Beispielsweise stempelt die CPU 610 den akustischen Daten-Ausgang mit der Zeit der System-Ereignisse, wie zum Beispiel dem Beginn der Messung. Die CPU fügt weiterhin erforderliche Information hinzu, um die Daten gemäß dem Industrie-Standard-Format zu identifizieren.
Die CPU wickelt weiterhin Schnittstellen mit konventionellen seismischen Daten-Aufzeichnungs-Ausrüstungen ab. Die CPU 610 sendet die umformatierten akustischen Daten an seismische Daten-Aufzeichnungs-Ausrüstungen mit Industrie-Norm-Datenraten. Im einzelnen werden die verarbeiteten und formatierten Signale, die von dem akustischen Sensoren S1-S96 und den optischen Detektoren D1-D16 erzeugt wurden, über den PCI-Bus 608 an die CPU 610 gesandt und an vom Kunden bereitgestellte seismische Verarbeitungs-Ausrüstungen über die Ethernet-Leitung 622 ausgegeben.
Die Haupt-CPU 610 ergibt zusätzlich eine System-Steuerung und Folge-Steuerung für die Betriebsweise der einzelnen Komponenten in dem akustischen Mess-System 100.
Die CPU wickelt weiterhin Schnittstellen mit einer Bediener-Konsole 616 ab. Die Bediener-Konsole 616 ermöglicht eine manuelle System-Intervention und wird außerdem zur Anzeige des System-Status verwendet.
Die Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 schließt zusätzlich ein Hilfs-Eingangs-/Ausgangs-Teilsystem 624 ein, das in Schnittstellen-Verbindung mit der zentralen Verarbeitungs-Einheit 610 über den PCI-Bus 608 steht. Dieses Hilfs-Eingangs-/Ausgangs-Teilsystem 624 ergibt eine Schnittstellen-Verbindung mit von dem Kunden gelieferten Ausrüstungen (CSE) 626, um bis zu sechzehn akustische oder nicht-akustische Sensor-Eingänge für Zeit-Markierung oder Ereigniss-Triggerung zu liefern.
Die Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 schließt zusätzlich eine globale Positionsbestimmungs-Mess-(GPS-)Elektronik-Karte 628 ein, die elektronisch mit einer Antenne 630 verbunden ist. Die GPS-Elektronik-Karte 628 tritt mit der CPU 610 über den PCI-Bus 608 in Schnittstellen-Verbindung. Die GPS-Elektronik-Karte 628 liefert genaue Zeiten für die Haupt-CPU 610, um ein Zeitstempeln der System-Ereignisse zu ermöglichen.
Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist eine Frequenz-Synthesizer-Karte 632 in der Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 enthalten. Die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 empfängt einen Synchronisations-Impuls von zusätzlichen von Kunden bereitgestellten Ausrüstungen (CSE) 634. Vorzugsweise empfängt die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 einen Synchronisations-Impuls von der Quellen-Elektronik 148, die der akustischen Quelle 130 in 1 zugeordnet ist. Wie dies in 1 gezeigt ist, ist die Elektronik 148, die der akustischen Quelle 130 zugeordnet ist, in dem zweiten Lastwagen 138 benachbart zu dem zweiten Bohrloch 132 angeordnet.
Die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 ist elektrisch mit einer Laser-Modul-Steuer/Treiber-Karte 636 verbunden, die mit dem Laser-Quellen LS1-LS6 verbunden ist, die beide vorzugsweise in einem Laser-Einschub 638 angeordnet sind. Zusätzlich ist die Frequenz-Synthesizer-Karte 630 elektrisch mit einem ISA-Bus 640 verbunden, der ebenfalls mit der zentralen Prozessor-Einheit 610 gekoppelt ist.
Wie dies vorstehend beschrieben wurde, schließen die Laser-Quellen LS1-LS6 Laser L1-L6 und Modulatoren M1-M6 ein, die Signale an die optischen Speise-Leitungen F1-F6 liefern, die mit den akustischen Sensoren S1-S96 gekoppelt sind. Die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 liefert an die Modulatoren M1-M6 periodische Schwingungsformen, die sechs Modulations-Frequenzen haben, um die Ausgänge der sechs Laser L1-L6 zu modulieren. Die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 versorgt die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 außerdem mit globalen Synchronisations- und Zeitsteuer-Signalen, um sicherzustellen, dass die Modulatoren M1-M6 und der Demodulator phasenstarr sind. Im einzelnen liefert die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 ein Synchronisations-Signal und ein Hochgeschwindigkeits-Takt-Signal an die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604. Unter Verwendung dieses Synchronisations-Signals und dieses Takt-Signals erzeugen die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 digitale Darstellungen der sinusförmigen Träger bei den sechs Modulations-Frequenzen ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆ und mit dem Doppelten der Modulations- Frequenzen 2ω₁, 2ω₂, 2ω₃, 2ω₄, 2ω₅, und 2ω₆. Diese digitalen Träger werden von den digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 für das Mischen und die Demodulation verwendet, wie dies vorstehend beschrieben wurde.
Die Betriebsweise des vorstehend beschriebenen akustischen Mess-Systems 100 gemäß den 1-6 ist in 7 in Form eines Ablaufdiagramms gezeigt. Ein erster Block 702 in einem Quellen-Ablaufdiagramm stellt das Trigger-Ereignis für den Betrieb des akustischen Mess-Systems 100 dar, wobei die akustische Quelle 130 einen Synchronisations-Impuls an das akustische Mess-System sendet (siehe 1). Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann das akustische Mess-System 100 einen Synchronisations-Impuls an die akustische Quelle 130 senden, um die Quelle zu triggern. Die akustische Quelle 130 kann beispielsweise eine akustische Oberflächen-Quelle oder eine unterirdische akustische Quelle umfassen.
Das akustische Mess-System 100 empfängt den Synchronisations-Impuls, wie dies durch einen ersten Block 704 in einer Serie von Blöcken gezeigt ist, die den Schritten entsprechen, die von dem akustischen Mess-System 100 ausgeführt werden. Als Antwort auf den Empfang des Synchronisations-Impulses beginnt das akustische Mess-System 100 mit der Messung. Das heißt, dass das akustische Mess-System 100 mit der Messung des Pegels der akustischen Schwingungen an den Sensoren S1-S96 beginnt. Der Start der Messung ist durch einen Block 706 in 7 dargestellt.
Wie dies in dem Quellen-Ablaufdiagramm gezeigt ist, beginnt die akustische Quelle 130 nach einer vorgegebenen Verzögerung (Block 708) mit der Erzeugung akustischer Schwingungen 102, wie dies im Block 710 gezeigt ist. Wie dies durch eine Block 712 dargestellt ist, setzt das akustische Mess-System 100 die Überwachung des Pegels der akustischen Schwingungen an den Sensoren S1-S96 fort, und beginnt mit der Messung der akustischen Schwingungen 102, die von der akustische Quelle 130 emittiert werden, und die akustischen Sensoren erreichen. Eine ausführlichere Erläuterung der Schritte, die bei der Messung der akustischen Schwingung auftreten, sind in 8 im Ablaufdiagramm-Format dargestellt, wie dies weiter unten ausführlicher erläutert wird.
Ein Block 714 stellt das Senden der Ergebnisse der Messungen des Pegels der Schwingungen an den akustischen Sensoren S1-S96 an das seismische Verarbeitungs-System als seismische Daten durch das Mess-System 100 dar. An einem Block 716 stoppt das System 100 die Messung der akustischen Daten. Eine Feststellung, wann die Messung von Daten zu stoppen ist, beruht in vorteilhafter Weise auf den Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls seit dem Synchronisations-Impuls.
Der Prozess zur Messung akustischer Daten in dem Block 706 und dem Block 712 in 7 ist mit weiteren Einzelheiten in 8 gezeigt. Wie dies vorstehend erläutert wurde, beginnt die Messung von akustischen Schwingungen an den akustischen Sensoren S1-S96 unmittelbar nach dem Empfang des Synchronisations-Impulses, obwohl eine Verzögerung zwischen der Zeit, in der der Synchronisations-Impuls empfangen wird, und dem Beginn der Erzeugung akustischer Wellen 102 durch die akustische Quelle 130 existiert. Dies ermöglicht es dem seismischen Verarbeitungs-System, Daten, die das akustische Hintergrund-Rauschen anzeigen, vor dem Empfang der akustischen Wellen von der akustischen Quelle zu empfangen.
In 8 zeigt ein erster Block 802, dass Dauer-Wellen-Licht von jeder der Laser-Quellen LS1-LS6 emittiert wird. Das Licht von jeder Quelle wird in der vorstehend beschriebenen Weise moduliert. Im einzelnen ist das Licht von jeder der Laser-Quellen LS1-LS6 mit einer unterschiedlichen Modulations-Frequenz moduliert.
Ein Block 804 stellt den nächsten Schritt dar, in dem die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 das Licht von den Laser-Quellen LS1-LS6 an die optischen Sensoren S1-S96 ausbreiten. Wie dies vorstehend erläutert wurde, wird das Licht in den jeweiligen Test-Armen 508 der optischen Sensoren S1-S96 in veränderlicher Weise verzögert, wenn akustische Schwingungen 102 auf die Sensoren auftreffen (siehe Block 806). Das Licht in dem Bezugs-Arm 510 jedes Sensors S1-S96 wird nicht in veränderlicher Weise verzögert. Jeder der akustischen Sensoren S1-S96 kombiniert das Licht von den zwei Armen 508, 510 in dem Ausgangs-Koppler 512.
Ein Block 808 stellt die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 dar, die das von den optischen Sensoren S1-S96 abgegebene Licht an die Lichtleitfaser- Empfänger 604 übertragen, das heißt die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604. Die Lichtleitfaser-Empfänger, die die optischen Detektoren D1-D16 einschließen, wandeln die auf die optischen Detektoren auftreffenden optischen Signale in elektrische Signale um, wie dies in Block 810 gezeigt, ist. Wie dies in einem Block 812 gezeigt ist, wandelt die Verarbeitungs-Elektronik 304 das von den optischen Detektoren D1-D16 abgegebene elektrische Signal in ein SEG-D-Format um, ein Standard-Format, dass von der Society of Exploration Geophysicists festgelegt wurde. Das SEG-D-Format ist konventionell und in der Technik gut bekannt.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform ist insbesondere gut für unterirdische geophysikalische Erkundungen geeignet, wie sie für die Feststellung des Vorhandenseins von „an Ort und Stelle befindlichen" Öl-Reserven verwendet werden. Die akustischen Sensoren S1-S96, die in dem akustischen Anordnungs-Kabel 104 enthalten sind, können in das Bohrloch einer Öl-Quelle abgesenkt werden. Die akustischen Sensoren S1-S96 können auch für seismische Land-Anwendungen und in Meeresboden-Kabeln verwendet werden.
Wie er hier verwendet wird, ist der Ausdruck „Bohrloch" als ein Schacht definiert, der sich zum Boden einer Bohrung 118 erstreckt, und eine „Bohrung" ist lediglich ein Loch, das durch Bohren und Entfernen von Erde aus dem Untergrund gegraben wird, in vielen Fällen für den Zweck des Zuganges an Öl oder Wasser.
Kabel
Das in 2 gezeigte Kabel 202 ist so bemessen, dass es in ein Bohrloch 118, wie zum Beispiel ein Öl-Bohrloch passt. Wenn das Kabel 202 klein genug ist, kann das Kabel in das Produktions-Rohr oder in den Spalt zwischen dem Produktions-Rohr in der Auskleidung eingesetzt werden. Das Kabel muss jedoch kleiner als zumindest der Innen-Durchmesser des Produktions-Rohres sein.
Wie dies vorstehend beschrieben wurde, bezieht sich der Ausdruck „Auskleidung" auf ein großes Metall-Rohr, das typischerweise in ein Bohrloch eingesetzt ist. „Produktions-Rohre" sind kleinere Rohre, die in die Auskleidung eingesetzt sind und einen Zugang an den Boden des Bohrloches 118 ermöglichen.
Der Standard-Durchmesser für Produktions-Rohre beträgt 50,8 mm (zwei Zoll) in den vereinigten Staaten und 32 mm (1,25 Zoll) in der Nordsee. Entsprechend muss, um in das Produktions-Rohr oder in die Lücken zwischen den Produktions-Rohr zu passen, das Kabel 202 einen Durchmesser haben, der kleiner als 50,8 mm (zwei Zoll) zur Verwendung in den vereinigten Staaten und kleiner als 32 mm (1,25 Zoll) zur Verwendung in der Nordsee ist.
Konventionelle elektronische akustische Sensor-Anordnungen reichen von 63,5 mm (2,5 Zoll) bis 152 mm (6 Zoll) im Durchmesser, was erfordert, dass alle die Produktions-Rohre aus der Auskleidung entfernt werden, um eine die Anordnung enthaltende Sonde in das Bohrloch 118 hinein einzusetzen. Nachdem die Sonde entfernt wurde, muss das Produktions-Rohr erneut in die Auskleidung eingesetzt werden. Das Verfahren zum Entfernen und zum Wiedereinsetzen ist sowohl kostspielig, zeitraubend als auch unbequem.
Entsprechend hat das Kabel 202, unter Einschluss des Herabführungs-Kabels 106, der Schnittstelle 204 und des akustischen Anordnungs-Kabels 104 einen Außen-Durchmesser, der kleiner als 50,8 mm (zwei Zoll) ist. Der Durchmesser des Kabels 202 ist vorzugsweise kleiner 32 mm (1,25 Zoll). Stärker bevorzugt ist der Durchmesser des Kabels 202 kleiner als 27,9 mm (1,1 Zoll). Weiterhin ändert sich der Durchmesser des akustischen Anordnungs-Kabels 104 vorzugsweise um nicht mehr als ±0,25 mm(± 0,01 Zoll).
Wie dies vorstehend gezeigt wurde, schließt das Kabel 202 ein Herabführungs-Kabel 106 ein, das mit einem akustischen Anordnungs-Kabel 104 verbunden ist. Das Herabführungs-Kabel 106 enthält keinerlei Sensoren S1-S96. Vorzugsweise hat das Herabführungs-Kabel 106 eine Länge, die aus einem Bereich zwischen 305 m (1.000 Fuß) und 6.100 m (20.000 Fuß) ausgewählt ist. Bei einer speziellen Ausführungsform ist das Herabführungs-Kabel 106 angenähert 3.050 m (10.000 Fuß) lang.
Wie dies weiter oben beschrieben wurde, enthält das akustische Anordnungs-Kabel 104 die akustischen Sensoren S1-S96. Vorzugsweise sind diese akustischen Sensoren S1-S96 gleichmäßig über das akustische Anordnungs-Kabel 104 mit Abständen verteilt. Beispielsweise weist bei einer speziellen Ausführungsform jeder der akustischen Sensoren S1-S96 einen Abstand von 1,52 m (5 Fuß) in dem akustischen Anordnungs-Kabel 104 auf. Der Abstand kann sich jedoch um ±6,4 mm (±0,25 Zoll) oder um ±0,5% in Axial-Richtung ändern.
Der Abstand ist bei der vorliegenden Erfindung jedoch nicht auf die Abstände von 1,52 m (5 Fuß) beschränkt, sondern der Abstand kann größer oder kleiner als 1,52 m (5 Fuß) sein. Beispielsweise können in einer Anwendung die akustischen Sensoren S1-S96 vorzugsweise in einem Abstand von 1,52 m (5 Fuß) bis 30,5 m (100 Fuß) in dem akustischen Anordnungs-Kabel 104 angeordnet sein. Ein engerer Abstand ergibt eine bessere Auflösung der akustischen Signale. Ein größerer Abstand ergibt eine größere Überdeckung des akustischen Signals auf Kosten der Auflösung. Obwohl ein gleichförmiger Abstand vorzuziehen ist, muss der Abstand nicht zwischen jedem der Sensoren S1-S96 gleich sein. Die vorstehend beschriebenen Abstände gelten immer noch für den Fall, bei dem die Sensoren S1-S96 nicht durch den gleichen Abstand getrennt sind.
Die Länge des aktiven Teils des akustischen Anordnungs-Kabels 104 ändert sich entsprechend dem Abstand zwischen dem akustischen Anordnungs-Sensoren S1-S96. Der aktive Teil des Anordnungs-Kabels 104 ist die Apertur der Anordnung. Vorzugsweise weist das akustische Anordnung-Kabel 104 eine Länge auf, die aus dem Bereich zwischen 61 m (200 Fuß) und 305 m (1.000 Fuß) ausgewählt ist. Vorzugsweise beträgt die Länge des akustischen Anordnungs-Kabels 104 angenähert 152 m (500 Fuß). Durch Anordnen der Sensoren in einem größeren Abstand kann die Apertur auf bis zu 3.050 m (10.000 Fuß) vergrößert werden.
Vorzugsweise ist das Kabel 202 haltbar genug, um die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 und die Rückführungs-Lichtleitfasern RF1-RF16 und die akustischen Sensoren S1-S96 gegen die rauhen Umgebungs-Bedingungen Bohrloch-abwärts zu schützen. Wie er hier verwendet wird, ist der Ausdruck „Bohrloch-abwärts" als abwärts in dem Bohrloch definiert. Die Bohrloch-abwärts-Umgebung schließt hohe Temperaturen und hohe Drücke ein, und sie kann außerdem korrosive Flüssigkeiten einschließen, wie sie sich typischerweise in einer Ölbohrungs-Umgebung finden. In manchen Fällen wird das Kabel 202 in ein Rohr abgesenkt, wie zum Beispiel das Produktions-Rohr oder die Auskleidung in dem Bohrloch, wobei der Druck in einem Bereich des Rohres an der Oberseite des Bohrloches (das heißt an der Oberfläche 116) höher als der Umgebungs-Druck an der Oberseite des Bohrloches (das heißt an der Oberfläche 116, jedoch außerhalb der Bohrung ist). Das Kabel 202 kann durch einen Fett-Injektions-Kopf abgesenkt werden, der in Lage ist, eine Druck-Differenz zwischen dem Umgebungs-Druck an der Oberseite der Bohrung und dem Druck innerhalb des Gebietes des Rohres an der Oberseite der Bohrung aufrecht zu erhalten. In dem Fall, in dem das Kabel 202 über eine Fett-Injektions-Kopf abgesenkt wird, ist ein Kabel 202 mit einem gleichförmigen Durchmesser erforderlich.
Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen
Wie dies in den 3 und 4A-4H gezeigt ist, koppeln die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 das Licht von den Laser-Quellen LS1-LS6 in die optischen Sensoren S1-S96 über die Eingangs-Koppler 420 ein. In jeder Sensor-Gruppe 401-408 wird ein bestimmter Bruchteil des Lichtes von den Laser-Quellen IS1-LS6 an einen der Sensoren S1-S96 in dieser Gruppe gekoppelt. Die Menge an Licht, die in jeden Sensor S1-S96 eingekoppelt wird, ist vorzugsweise so gewählt, dass Unterschiede in dem Pegel des optischen Signals, das an jeden Sensor geliefert wird, verringert werden, und dass insbesondere die Änderungen des Leistungs-Pegels der optischen Signale, die den verschiedenen optischen Detektoren D1-D16 zugeführt werden, verringert werden. Eine Konstruktion für Sensor-Anordnungen, die es ermöglicht, das die Signal-Pegel der optischen Signale, die von den Sensor-Gruppen 401-408 an ihre zugehörigen Detektoren D1-D16 zurückgeliefert werden, in ihrer Größe ähnlich sind, ist in dem verwandten Patent mit dem Titel „Architecture for Large Optical Fiber Array Using Standard 1 × 2 Couplers", US-Patent US 6249622 B1 (Hodgson et al) beschrieben.
Obwohl sechs Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 Lichtstrahlen übertragen, die von sechs Laser-Quellen L1-L6 emittiert werden, wie dies in den 3 und 4A-4H gezeigt ist, ist die Anzahl von Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen, die verwendet werden können, nicht auf sechs beschränkt. Vielmehr kann die Anzahl der Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6, die verwendet wird, von zwei bis zwölf oder mehr reichen. Vorzugsweise entspricht jedoch die Anzahl von Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 der Anzahl von Laser-Quellen LS1-LS6.
In ähnlicher Weise koppelt bei der in den 4A-4H gezeigten Ausführungsform jede der Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 Licht in einen der Sensoren S1-S96 in jeder der Sensor-Gruppen 401-408 ein. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Anordnung beschränkt.
Akustische Sensoren
Die akustischen Sensoren S1-S96, die bei der in den 1-5 gezeigten Ausführungsform verwendet werden, sind „optische" Sensoren, und insbesondere „vollständig optische" Sensoren.
Wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Ausdruck „optische" Einrichtungen auf Licht oder die Verwendung von Licht, das einer elektromagnetischen Strahlung in dem Wellenbereich entspricht, der sich von dem Vakuum-Ultraviolett bei ungefähr 40 Nanometern durch das sichtbare Spektrum zu dem fernen Infrarot-Bereich bei einer Wellenlänge von 1 Millimeter erstreckt. Insbesondere arbeiten die optischen Sensoren in der vorliegenden Erfindung in dem Bereich von sichtbaren oder Infrarot-Wellenlängen. Insbesondere arbeiten die optischen Sensoren in dem Infrarot-Bereich bei ungefähr 1319 Nanometer.
Wie er hier verwendet wird, bedeutet der Ausdruck „vollständig optisch", dass der sich im Bohrloch nach unten erstreckende Teil der akustischen Sensor-Anordnung keinerlei Elektronik einschließt. Insbesondere sind die akustischen Sensoren S1-S96 elektrisch passive Geräte; die erfordern keine elektrischen Komponenten oder elektrische Verbindungen zu den anderen Komponenten. Insbesondere beruhen die akustischen Sensoren S1-S96 nicht auf irgendwelchen Halbleiter-basierten Elektroniken, die gegenüber Temperatur äußerst empfindlich sind. Halbleiter-basierte Elektroniken, wie zum Beispiel Transistoren, sind im allgemeinen nicht bei den hohen Temperaturen brauchbar, die in der Umgebung in der Tiefe des Bohrloches vorherrschen, beispielsweise bei 3.050 m (10.000 Fuß) unterhalb der Erdoberfläche. Beispielsweise haben einige Vorverstärker, die zum Überleben bei hohen Temperaturen ausgelegt sind, eine kurze Lebensdauer und halten lediglich eine Stunde unter harten Bedingungen. Im Gegensatz hierzu erfordert die vorstehend beschriebenen Ausführungsform keine Vorverstärker in dem Bohrloch.
Jeder der akustischen Sensoren S1-S96 umfasst bei der bevorzugten Ausführungsform einen Sensor, der einen optische Strahl als Eingang empfängt und ein optisches Signal als Ausgang liefert, das Information enthält, die dem Pegel der akustischen Schwingung entspricht, die auf dem Sensor auftrifft. Besonders bevorzugt sind die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Sensoren S1-S96 faseroptische Sensoren, bei denen ein Lichtstrahl in ein Ende einer Lichtleitfaser eingeleitet wird, der Lichtstrahl in irgendeiner Weise geändert wird, während er sich in der Lichtleitfaser befindet, und dieser geänderte Strahl an einem anderen Ende der Lichtleitfaser abgegeben wird. Wie er hier verwendet wird, ist der Ausdruck „faseroptischer Sensor" als ein Sensor zur Überwachung irgendeiner physikalischen Eigenschaft definiert, und dieser Sensor umfasst einen Längenabschnitt einer Lichtleitfaser, in der sich Licht befindet, wobei die Lichtleitfaser als ein Wandler wirkt, der irgendein Attribut des Lichtes bei der Beaufschlagung mit der Änderung in der physikalischen Eigenschaft ändert, die gemessen wird.
Vorzugsweise sind die akustischen Sensoren S1-S96 optische Interferometer. Besonders bevorzugt sind die Sensoren S1-S96 Mach-Zehnder-Interferometer. Obwohl die akustischen Sensoren S1-S96, wie sie in 5 gezeigt sind, Mach-Zehnder-Interferometer umfassen, sind die akustischen Sensoren der vorliegenden Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern sie können andere Interferometer sowie andere Arten von optischen Sensoren umfassen, unter Einschluss von anderen Sensoren, als Lichtleitfaser-Sensoren. Andere Interferometer können beispielsweise Michelson-Interferometer, Fabry-Perot-Interferometer oder Sagnac-Interferometer einschließen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung müssen die akustischen Sensoren S1-S96 in der Lage sein, am Boden eines Bohrloches zu arbeiten. Insbesondere müssen die Sensoren S1-S96 in der Lage sein, in einer Tiefe in dem Bereich von zwischen 305 m und 6.100 m (1.000 und 20.000 Fuß) unterhalb der Erdoberfläche zu funktionieren und ein zurückgewinnbares Signal zu erzeugen. insbesondere beträgt diese Tiefe ungefähr 3.050 m (10.000 Fuß).
Im einzelnen müssen die Sensoren S1-S96 in der Lage sein, in dem akustischen Anordnungs-Kabel 104 zu funktionieren, während die Temperatur, die das akustische Anordnungs-Kabel umgibt, in dem Bereich zwischen 100°C und 150°C liegt.
Zusätzlich müssen die Sensoren S1-S96 in der Lage sein, in dem akustischen Anordnungs-Kabel 104 zu arbeiten, während der Druck auf das akustische Anordnungs-Kabel in dem Bereich von 38 MPa (5.500 englische Pfund pro Quadratzoll (p.s.i.)) liegt.
Die akustischen Sensoren S1-S96 müssen in der Lage sein, in dem akustischen Anordnungs-Kabel 104 zu funktionieren, wenn das akustische Anordnungs-Kabel in Wasser eingetaucht ist. Entsprechend können die optischen Sensoren S1-S96 ein Hydrophon umfassen. Alternativ kann der optische Sensor S1-S96 ein Geophon oder eine Kombination eines Hydrophons und eines Geophons umfassen, beispielsweise ein Hydrophon und drei Geophone. Ein Geophon ist ein Vektor-Sensor. Entsprechend besteht die bevorzugte Anordnung darin, drei Geophone miteinander zu verwenden, möglicherweise in Kombination mit einem Hydrophon.
Ein Hydrophon misst Drücke, Druck-Änderungen oder beides. Ein Hydrophon misst typischerweise einen Druck oder Druck-Änderungen in dem Tonfrequenz- oder seismischen Bereich, der zumindest 1 Hz bis 30kHz entspricht. Ein Geophon misst eine Bewegung, Verschiebung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung. Das Geophon misst typischerweise eine Bewegung, Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung in dem Tonfrequenz oder seismischen Bereich, der zumindest 0,1 Hz bis 10 kHz entspricht. Eine bevorzugte Hydrophon-Konstruktion wird weiter unten beschrieben.
Obwohl 96 akustische Sensoren S1-S96 in den 3 und 4A-4H gezeigt sind, ist die Anzahl von Sensoren, die verwendet werden können, nicht auf 96 beschränkt. Wie dies weiter oben beschrieben wurde, kann die Anzahl der Sensoren auf 192 verdoppelt werden. Allgemeiner kann die Anzahl der akustischen Sensoren S1-S96 von 2 bis mehr 200 reichen. Wenn auch eine Zeit-Multiplexierung verwendet wird, so kann die Anzahl der akustischen Sensoren S1-S96 um das 10 bis 100 fache vergrößert werden. Entsprechend kann die Anzahl von akustischen Sensoren S1-S96 von 2 bis 20.000 oder mehr reichen. Vorzugsweise entspricht jedoch Anzahl der akustischen Sensoren S1-S96 dem Produkt der Anzahl von Laser-Quellen LS1-LS6 und der Anzahl von optischen Detektoren D1-D16, was auch dem Produkt der Anzahl der Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF16 und der Anzahl der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 entspricht.
Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen
Wie dies in den 3 und 4A-4H gezeigt ist, koppeln die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 das Licht von den akustischen Sensoren S1-S96 an die optischen Detektoren D1-D16 über Ausgangs-Koppler 420. In jeder Sensor-Gruppe 401-408 wird ein bestimmter Bruchteil des Lichtes von den akustischen Sensoren S1-S96 an einen der optischen Detektoren D1-D16 gekoppelt. Die Menge an Licht, die in jeden Sensor S1-S96 eingekoppelt wird, ist vorzugsweise so gewählt, dass die Differenzen des Leistungs-Pegels der optischen Signale, die an die verschiedenen optischen Detektoren D1-D16 geliefert werden, verringert werden. Insbesondere sind die Kopplungs-Verhältnisse der Eingangs-Koppler 420 und der Ausgangs-Koppler 430 so ausgewählt, dass Änderungen der zurückgelieferten optischen Signal-Pegel an den Detektoren D1-D16 verringert sind. Wie dies weiter oben erläutert wurde, ist eine Konstruktion für Sensor-Anordnungen, die es ermöglicht, dass die Signal-Pegel der optischen Signale, die von den Sensor-Gruppen 401-408 an ihre zugehörigen Detektoren D1-D16 zurückgeliefert werden, in ihrer Amplitude ähnlich sind, wie in der vorstehend genannten US-Patentanmeldung Nr. 09/107,399 beschrieben.
Die in den 3 und 4A-4H gezeigte Ausführungsform schließt acht Sensor-Gruppen ein, von denen zwei benachbarten Sensoren weder eine gemeinsame Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitung noch eine gemeinsame Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitung haben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Anordnung beschränkt. Beispielsweise können sechzehn Sensor-Gruppen so konfiguriert sein, dass jeder Sensor-Gruppe eine der Rückführungs-Lichtleitfasern RF1-RF16 ausschließlich zugeordnet ist, wie dies in dem US-Patent 6,249,622 B1 (Hodgson et al) beschrieben ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung müssen die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 sowie die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 in der Lage sein, in der Tiefe eines Bohrloches zu arbeiten, und sie müssen daher in der Lage sein, bei einer Tiefe in dem Bereich zwischen 1.500 und 6.100 m (5.000 und 20.000 Fuß) unterhalb der Erdoberfläche funktionieren und ein zurückgewinnbares Signal erzeugen können.
Wie dies vorstehend beschrieben wurde, sind die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 sowie die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 in dem Kabel 202 enthalten. Dieses Kabel 202 dient teilweise zum Schutz der akustischen Anordnung gegenüber den rauen Umgebungen in der Tiefe des Bohrloches. Insbesondere müssen die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen sowie die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen in der Lage sein, in dem Kabel zu arbeiten, während die das Kabel umgebende Temperatur im Bereich zwischen 100°C und 150°C liegt. Zusätzlich müssen die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen und die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen in der Lage sein, in dem Kabel zu funktionieren, während der Druck auf das Kabel bis zu 38 MPa (5.500 psi) beträgt.
Die Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 sowie die Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 müssen in der Lage sein, in dem Kabel zu arbeiten, wenn das Kabel in Wasser eingetaucht ist.
Obwohl sechzehn Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen in den 4A-4H gezeigt sind, ist die Anzahl der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen, die verwendet werden können, nicht auf sechzehn beschränkt. Beispielsweise kann die Anzahl der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen auf 32 verdoppelt werden, wie dies vorstehend beschrieben wurde. Allgemein kann die Anzahl der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen, die verwendet wird, von 2 bis mehr als 32 reichen.
Optische Detektoren
Bei der in den 1-5 gezeigten Ausführungsform geben die optischen Detektoren D1-D16 ein elektrisches Signal ab, dessen Amplitude proportional zu der Intensität des einfallenden Lichtes ist. Im Einzelnen geben diese optischen Detektoren D1-D16 eine Spannung oder einen Strom in Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichtes ab. Bei einer Ausführungsform geben die optischen Detektoren D1-D16 einen Strom ab, der von der Intensität des einfallenden Lichtes abhängt, und es wird ein Transimpedanz-Verstärker verwendet, um den Ausgangsstrom in eine Spannung umzuwandeln.
Wie dies in den 3 und 4A-4H gezeigt ist, lenkt jede der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF16 Licht auf einen der optischen Detektoren D1-D16. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst jeder der optischen Detektoren D1-D16 einen Polarisations-Diversity-Empfänger, um sicherzustellen, dass das stärkste optische Interferenz-Signal gewählt und verarbeitet wird. Bei dieser Ausführungsform schließt jeder der optischen Detektoren D1-D16 drei Foto-Detektoren, wie zum Beispiel Foto-Dioden, ein, die einen Teil des Lichtes von dem auf den optischen Detektor einfallenden Strahl messen. Insbesondere messen die drei Foto-Detektoren drei unterschiedliche Polarisationen. Die Verarbeitungs-Elektronik 304 tastet nachfolgend das von jedem der drei Foto-Detektoren stammende Signal ab und wählt den Foto-Detektor, der das stärkste Signal ergibt, für jeden akustischen Kanal aus. Ein Polarisations-Diversity-Empfänger, der drei derartige Foto-Dioden verwendet, ist in dem US-Patent 5,852,507 auf den Namen von Hall beschrieben.
Obwohl sechzehn optische Detektoren D1-D16 in 3 gezeigt sind, ist die Anzahl der optischen Detektoren, die verwendet werden können, nicht auf sechzehn beschränkt. Beispielsweise kann die Anzahl der optischen Detektoren D1-D16 auf 32 verdoppelt werden, wie dies vorstehend erläutert wurde. Allgemein kann die Anzahl der verwendeten optischen Detektoren D1-D16 von 2 bis zu mehr als 32 reichen. Vorzugsweise entspricht jedoch die Anzahl der optischen Detektoren D1-D16 der Anzahl der Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen.
Digitale 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren (Lichtleitfaser-Empfänger)
Die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604, die alternativ als Lichtleitfaser-Empfänger bezeichnet werden, sind in der vorstehend beschriebenen 6 sowie in den 9A-9B gezeigt.
Die 9A-9B zeigen die Detektor/Elektronik-Baugruppe 601, den Laser-Einschub 638 und die akustische Sensor-Anordnung 602 für eine zweite Ausführungsform des akustischen Mess-Systems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, das 192 akustische Sensoren S1-S192 (nicht gezeigt) und sechs Laser-Quellen LS1-LS6 hat.
Ein derartiges System 100 mit 192 akustischen Sensoren S1-S192 ist in der vorstehend beschriebenen 3B gezeigt. Das System 100 in 3B umfasst 192 Sensoren S1-S192, die in zwei getrennten akustischen Anordnungs-Kabeln 104 enthalten sind, die an zwei getrennten Herabführungs-Kabeln 106 angebracht sind.
Die Laser-Quellen LS1, LS2, LS3, LS4, LS5, LS6 speisen zwölf optische Zuführungs-Leitungen F1-F12, die an optische Koppler C1-C6 angeschlossen sind. Ein erster Satz von sechs optischen Zuführungs-Leitungen F1-F6 erstreckt sich von den optischen Kopplern C1-C6 bis zu einem ersten Abschluss 306a, der mit einem ersten Kabel 202 verbunden ist. Das erste Kabel 202a umfasst ein erstes Herabführungs-Kabel 106a und ein erstes akustisches Anordnungs-Kabel 104a. Das erste akustische Anordnungs-Kabel 104a enthält einen ersten Satz von 96 akustischen Sensoren S1-S96. Ein zweiter Satz von sechs optischen Zuführungs-Leitungen F7-F12 erstreckt sich von optischen Kopplern C1-C6 zu einem zweiten Abschluss 306b, der mit einem zweiten Kabel 202b verbunden ist. Dieses zweite Kabel 202b umfasst ein zweites Herabführungs-Kabel 106b und ein zweites akustisches Anordnungs-Kabel 104b. Das zweite akustische Anordnungs-Kabel 104b enthält einen zweiten Satz von 96 akustischen Sensoren, die mit S97-S192 bezeichnet sind.
Ein erste Abschluss 306a ergibt weiterhin eine Verbindung zwischen dem ersten Herabführungs-Kabel 106a und 16 Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R16, die mit sechzehn optischen Detektoren D1-D16 gekoppelt sind. Der zweite Abschluss 306b ergibt weiterhin eine Verbindung zwischen dem zweiten Herabführungs-Kabel 106b und sechzehn zusätzlichen Rückführungs-Lichtleitfasern, die mit R17-R32 bezeichnet sind und die mit sechzehn zusätzlichen optischen Detektoren D17-D32 gekoppelt sind. Ein derartiges System 100 hat sechs Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6 (nicht gezeigt) und 32 Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF32 (nicht gezeigt) in jedem Kabel 202a, 202b. Die Ausgänge der 32 optischen Detektoren D1-D32 sind elektrisch in einer Verarbeitungs-Elektronik 304 verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform, die 192 akustische Sensoren S1-S192 umfasst, können die 192 Sensoren S1-S192 in einem einzigen akustischen Anordnungs-Kabel 104 enthalten sein, das an einem Herabführungs-Kabel 106 angebracht ist. Ein derartiges System 100 hat sechs Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen DF1-DF6, 32 Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF32 und 32 optische Detektoren D1-D32.
Es kann entweder ein System 100 mit einem einzigen Kabel 202 oder ein System mit zwei Kabeln 202a, 202b in Verbindung mit 192 Sensoren S1-S192 und der Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 verwendet werden, die in den 9A-9B gezeigt ist. Wie dies weiter oben erläutert wurde, können die 192 Sensoren in einem einzigen Kabel 202 enthalten sein, oder ein erster Satz von Sensoren S1-S96 kann in einem ersten Kabel enthalten sein, und ein zweiter Satz von Sensoren S97-S192 kann in einem zweiten Kabel enthalten sein.
9B zeigt eine optische Sensor-Anordnung 602, die faseroptische Sensoren umfasst. Die optische Sensor-Anordnung 602 wird als eine 2 × (6 × 16)-Anordnung bezeichnet, weil verschiedene Konfigurationen zur Aufnahme von 192 Sensoren S1-S192 verwendet werden können.
In 9B sind die 32 Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF32 in acht Gruppen mit jeweils vier Lichtleitfasern aufgeteilt. Jede Gruppe ist mit einem der digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 über vier der Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R32 verbunden. Die digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 umfassen Schaltungen, die auf Leiterplatten ausgebildet sind, und die nachfolgend als digitale 24-Kanal-Empfänger/Demodulator-Karten oder Lichtleitfaser-Empfänger-Karten bezeichnet werden. Jede Lichtleitfaser-Empfänger-Karte 604 erhält vier der Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R32 und enthält entsprechend vier der optischen Detektoren D1-D32, um Licht von den vier Rückführungs-Lichtleitfasern zu messen. Jede der Rückführungs-Lichtleitfasern R1-R32 enthält den Ausgang von sechs der akustischen Sensoren S1-S192. Die sechs Ausgänge sind mit unterschiedlichen Frequenzen moduliert, wie dies vorstehend beschrieben wurde.
Die optischen Detektoren D1-D32 in den Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604 umfassen Polarisations-Diversity-Empfänger, wie dies vorstehend beschrieben wurden. Polarisations-Diversity-Empfänger sind in der Technik bekannt, und ein derartiger Polarisations-Diversity-Empfänger, wie er in dem US-Patent 5,852,507 auf den Namen von Hall beschrieben wurde, wurde oben genannt. Bei dieser Ausführungsform, die einen Polarisations-Diversity-Empfänger enthält, schließt jeder der optischen Detektoren D1-D32 drei Foto-Detektoren, wie zum Beispiel Foto-Dioden ein, die einen jeweiligen Teil des Lichtes von dem auf den optischen Detektor auftreffenden Lichtes gemäß der Polarisation des Lichtes messen. Die Verarbeitungs-Elektronik 304 tastet nachfolgend das von jedem der Foto-Detektoren stammende Signal ab und wählt den Foto-Detektor-Ausgang, der das stärkste Signal für jeden akustischen Kanal ergibt. Der Ausgang dieses Foto-Detektors wird dann verwendet, bis das akustische Mess-System 100 rekalibriert wird.
Der Ausgang der Foto-Detektoren wird an einen Transimpedanz-Verstärker gelenkt, und über einen Analog-/Digital-Wandler von dem Analog- auf das Digital-Format umgewandelt. Dieses nunmehr in digitaler Form vorliegende Ausgangssignal wird mit eine sinusförmigen Signal mit der gleichen Modulations-Frequenz gemischt, mit der der Ausgang der sechs Laser L1-L6 moduliert wurde, nämlich ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅ und ω₆, was zu sechs Signalen führt, die hier mit I1, I2, I3, I4, I5 und I6 bezeichnet sind. Der digitalisierte Ausgang von dem Foto-Detektor wird weiterhin mit einem sinusförmigen Signal mit dem zweifachen Wert der Modulations-Frequenz gemischt, mit dem der Ausgang der sechs Laser L1-L6 moduliert wurde, nämlich 2 ω₁, 2ω₂, 2ω₃, 2ω₄, 2ω₅ und 2ω₆, was zu sechs Signalen führt, die hier mit Q1, Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 bezeichnet sind. Diese resultierenden Signale durchlaufen einzeln Schaltungen, die eine Dezimierung ergeben, und Schaltungen, die eine Verstärkung ergeben.
Für jeden der optischen Detektoren D1-D32 werden zwölf Signale erzeugt. Sechs Signale werden durch Mischen mit den Frequenzen, mit denen die sechs Laser-Quellen LS1-LS6 moduliert sind, erzeugt, beispielsweise I1-I6. Sechs Signale werden durch Mischen mit dem zweifachen Wert der der Frequenzen erzeugt, mit denen die sechs Laser-Quellen moduliert sind, beispielsweise Q1-Q6. Weil jede Lichtleitfaser-Empfänger-Karte 604 vier der optischen Detektoren D1-D32 enthält, die jeweils Licht von sechs Laser-Quellen LS1-LS6 empfangen, erzeugt jede Lichtleitfaser-Empfänger-Karte 48 resultierende Signale. Ein Satz von 24, die von der Demodulation mit den Frequenzen ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆ abgeleitet werden, sind hier mit I1-I24 bezeichnet, und der andere Satz von 24, die aus der Demodulation mit den Frequenzen 2ω₁, 2ω₂, 2ω₃, 2ω₄, 2ω₅ und 2ω₆ abgeleitet sind, wird hier mit Q1-Q24 bezeichnet. Die acht Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604, die in der Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 nach 9A-9B gezeigt sind, erzeugen insgesamt 384 derartige resultierende Signale, die hier mit I1-I192 und Q1-Q192 bezeichnet sind.
Vorzugsweise sind die Amplituden der Signale, die sich aus dem Mischen mit sinusförmigen Signalen, die die Modulations-Frequenzen ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, und ω₆ haben, gleich den Amplituden der entsprechenden Signale, die sich aus dem Mischen mit sinusförmigen Signalen ergeben, die die Frequenzen 2ω₁, 2ω₂, 2ω₃, 2ω₄, 2ω₅ und 2ω₆ haben; das heißt vorzugsweise |I1| = |Q1|, |I2| = |Q2|, |I3| = |Q3| ... |I192| = |Q192|. Wie vorstehend beschrieben wurde, durchlaufen die gemischten Signale I1-I192 sowie Q1-Q196 jeweils getrennt getrennte Schaltungen, die eine Verstärkung ergeben können. Auf dies Weise können die Signale so eingestellt werden, dass sie eine gleiche Amplitude haben, das heißt |I1| kann so eingestellt werden, dass es gleich |Q1| ist, |I2| kann so eingestellt werden, dass es gleich |Q2| ist, ....., und |I192| kann so eingestellt werden, dass es gleich |I192| ist.
Jede Lichtleitfaser-Empfänger-Karte 604 enthält zwei Demultiplexer. Ein Demultiplexer ist ausschließlich dazu bestimmt, die Signale, die sich aus dem Mischen mit einem sinusförmigen Signal mit den Frequenzen ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, und ω₆ ergeben, beispielsweise I1-I24, der andere Demultiplexer ist ausschließlich dazu bestimmt, die Signale auszuwählen, die sich aus dem Mischen mit einem sinusförmigen Signal mit den Frequenzen 2ω₁, 2ω₂, 2ω₃, 2ω₄, 2ω₅ und 2ω₆, beispielsweise Q1-Q24, ergeben. Die Demultiplexer sind sequenziell die 24 resultierenden Signale, beispielsweise I1-I24 und Q1-Q24, und paaren die Signale miteinander. In einer Sequenz wird dann jedes Paar von resultierenden Signalen, das heißt I1 und Q1 und I2 und Q2, ... I24 und Q24 dann als Eingang an Schaltungen geliefert, die den Arkustangens des Verhältnisses der zwei eingegebenen Signale berechnen, beispielsweise tan^–1[I1/Q1], tan^–1[I2/Q2], tan^–1[I24/Q24]. Diese Schaltung gibt die jeweiligen Phasen-Winkel ϕ1, ϕ2, ... ϕ24 aus. Jeder Phasen-Winkel ϕ1-ϕ4 und so weiter entspricht dem Ausgang eines der akustischen Sensoren S1-S24, und so weiter. Diese Phasen-Winkel, ϕ1, ϕ2, ... ϕ24 werden dann als Eingänge an Schaltungen geliefert, die Phasen-Winkel bezüglich der Zeit differenzieren, um dϕ1/dt, dϕ2/dt, ... dϕ24/dt zu erzeugen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform gibt die Arkustangens-Schaltung ein 16-Bit-Wort aus, das der Phase entspricht. Die Schaltung, die eine Differenzierung ausführt, empfängt das 16-Bit-Wort und gibt ein 32-Bit-Wort aus. Dieses 32-Bit-Wort umfasst zwei 16-Bit-Worte, die der differenzierten Phase für zwei Kanäle entsprechen, beispielsweise dϕ1/dt und dϕ2/dt, die ein 32-Bit-Wort gepackt sind. Somit werden in jedem der digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 die Ergebnisse von zwei Kanälen innerhalb des digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulators zusammen in ein Wort gepackt, und das Wort wird von dem Empfänger/Demodulator abgegeben.
Gemäß den 9A und 9B wird jedes von den acht digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 abgegebene 32-Bit-Wort einem der 8-DSP-Elemente 606 über den lokalen Bus 902 des digitalen Signal-Prozessor-Clusters und die zugehörigen Verbindungsstrecken-Ports zugeführt. Dieses 32-Bit-Wort wird in zwei 16-Bit-Worte in den 12-DSP-Elementen 606 entpackt. Weil zwei der Kanäle zusammengepackt sind, kann der Ausgang des digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulators 604 als Eingang für die 12-DSP-Elemente 606 dienen.
Obwohl acht Lichtleitfaser-Empfänger-Karten (das heißt digitale 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren) 604 in 9B gezeigt sind, ist die Anzahl der Lichtleitfaser-Empfänger, die verwendet werden können, nicht auf acht beschränkt. Beispielsweise kann die Anzahl der Lichtleitfaser-Empfänger-Karten auf vier reduziert werden. Allgemeiner kann die Anzahl der Lichtleitfaser-Empfänger 604, die verwendet werden, von eins bis mehr als acht reichen. Vorzugsweise entspricht jedoch die Anzahl der Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604 der Anzahl von Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF32 und der Anzahl der 12-DSP-Karten 606.
Zusätzlich ist, obwohl jeder Lichtleitfaser-Empfänger 604 nach 9A 24 Kanäle enthält, wobei jeder Kanal dem Ausgang eines der akustischen Sensoren S1-S192 entspricht, die Anzahl der Kanäle, die verwendet werden können, nicht auf 24 beschränkt.
12-DSP-Karten
Wie dies weiter oben erläutert wurde, empfangen die acht 12-DSP-Elemente 606 32-Bit-Worte, die von den acht digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 abgegeben werden. Jedes einzelne der 12-DSP-Elemente 606 ist mit einem der acht digitalen 24-Kanal-Empfänger/Demodulatoren 604 über den örtlichen Bus 902 des digitalen Signal-Prozessor-Clusters und zugehörige Verbindungsstrecken-Ports verbunden.
Jedes von einem der 12-DSP-Elemente 606 empfangene 32-Bit-Wort wird in zwei 16-Bit-Komponenten-Worte in den 12-DSP-Elementen 606 entpackt. Jedes 16-Blt-Wort entspricht dem Ausgang eines der akustischen Sensoren S1-S192.
Die 12-DSP-Elemente 606 dezimieren das ankommende Signal, wobei die Datenstrom-Rate der von den 12-DSP-Elementen empfangenen Signale auf eine Rate verringert wird, die mit der Abtast-Rate besser kompatibel ist, die bei konventionellen seismischen Aufzeichnungs-Ausrüstungen die Norm ist. Das Wort „dezimieren" wird hier entsprechend seiner üblichen Verwendung in der Technik so verwendet, dass es eine Neu-Abtastung des Signals mit einer niedrigen Rate bedeutet, um die ursprüngliche Abtast-Rate für eine Sequenz auf eine niedrigere Rate zu reduzieren. Im Einzelnen empfangen bei der bevorzugten Ausführungsform die 12-DSP-Elemente 606 Signale von den Lichtleitfaser-Empfängern mit einer Rate von 512.000 Abtast-Proben pro Sekunde, und sie geben ein Signal an die CPU 610 mit einer Rate von 500, 1.000, 2.000 oder 4.000 Abtast-Proben pro Sekunde ab.
Im einzelnen wandeln die 12-DSP-Elemente 606, die 16-Bit-Worte, die durch das Entpacken der zwei Komponenten aus den 32-Bit-Worten gewonnen wurden, von 16-Bit-Festkomma-Worten auf 32-Bit-Gleitkomma-Worte um. Diese 32-Bit-Worte werden durch ein mehrstufiges Filtern mit endlichem Ansprechverhalten (FIR) geleitet, das als Tiefpassfilter dient. Dieses Filter hat eine symmetrische Impuls- Antwort und führt keine Phasen-Verzerrungen ein, oder es führt lediglich eine lineare Phasen-Verzerrung über die Frequenzen hinweg ein. Die 32-Bit-Gleitkomma-Worte werden in 32-Bit-Festkomma-Worte umgewandelt und dann einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) Puffer zugeführt, bevor sie an die CPU 610 gesandt werden. Jedes dieser Worte entspricht dem Ausgang eines der akustischen Sensoren S1-S196.
Die 12-DSP-Elemente 606 in der in 9A gezeigten Ausführungsform haben Schnittstellen, die den Analog-Devices SHARC (Super Harvard Architektur) 2106x, beispielsweise 21060, 21061, 21062 oder 21065 DSP eigen sind.
Wie dies weiter oben beschrieben wurde, koppelt jedes der 12-DSP-Elemente 606 ein jeweiliges Ausgangs-Signal an die CPU 610 über den PCI-Bus 608. Der PCI-Bus 608 ist ein generischer Bus, der in herkömmlicher Weise in persönlichen Computern verwendet wird. Damit ist eine große Vielzahl von Hardware ohne Weiteres verfügbar, die mit einem PCI-Bus 608 in Schnittstellen-Verbindung steht. Entsprechend können, wenn Verbesserungen an der Hardware gemacht werden und die Elektronik schneller wird, Komponenten in der Detektor/Elektronik-Baugruppe 601 sehr einfach durch diese schnelleren PCI-kompatiblen Elektroniken ersetzt werden.
Obwohl acht DSP-Karten 606 in 9A gezeigt sind, ist die Anzahl der 12-DSP-Karten, die verwendet werden können, nicht auf acht beschränkt. Beispielsweise kann die Anzahl der 12-DSP-Karten 606 auf vier reduziert werden. Allgemeiner kann die Anzahl der 12-DSP-Karten 606, die verwendet werden, von eins bis mehr als sechzehn reichen. Vorzugsweise entspricht jedoch die Anzahl der 12-DSP-Karten 606 der Anzahl von Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604 und Rückführungs-Lichtleitfaser-Leitungen RF1-RF32.
Zusätzlich ist, obwohl jede der 12-DSP-Karten 606 gemäß 9A 12 Ausgänge enthält, wobei jeder Ausgang den Ausgang von zwei der akustischen Sensoren S1-S192 entspricht, die Anzahl der Ausgänge, die verwendet werden kann, nicht auf zwölf beschränkt. Die Anzahl der verwendeten Ausgänge kann von 2 bis mehr 24 reichen. Vorzugsweise entspricht jedoch die Anzahl der DSP-Ausgänge einer Hälfte der Anzahl der Empfänger/Demodulator-Kanäle.
CPU
Die CPU 610 empfängt die 32-Bit-Festkomma-Worte, die den Ausgang eines der akustischen Sensoren S1-S192 entsprechen, von dem RAM-Puffer in den 12-DSP-Karten 606. Die CPU 610 schneidet die 32-Worte herunter auf 24-Bit ab. Die CPU 610 ergibt weiterhin irgendeine erforderliche Skalierung, um den SEG-D-Format zu gehorchen.
Zusätzlich ergibt die CPU 610 zur Erfüllung des SEG-D-Formates eine Zeit-Information. Im einzelnen gibt die CPU 610 das absolute Maß der Zeit ab, zu der die Verarbeitungs-Elektroniken 304 das Synchronisations-Signal von der akustischen Quelle 130 empfangen haben. Dieses absolute Maß der Zeit wird von der GPS-Elektronik 628 zu der Zeit gewonnen, zu der die Verarbeitungs-Elektronik 304 das Synchronisations-Signal empfängt. Die GPS-Karte kann eine Genauigkeit von 1 Teil pro Millionen (ppm) für Zeit-Stempel-Ereignisse liefern. Die CPU 610 schließt weiterhin ein Maß der Zeit ein, wenn die zwischen dem Zeitpunkt des Empfangs des Synchronisations-Signals durch die Verarbeitungs-Elektronik 304 und dem Beginn der Abtastung des akustischen Systems 100 liegt, das heißt der Messung der akustischen Schwingung. Die CPU 610 ergibt weiterhin die zeitliche Trennung zwischen den Abtastproben.
Die 6 und 9A zeigen, dass die CPU 610 Ausgangs-Signale an das Aufzeichnungs- und Verarbeitungs-System 618 über den Ethernet-Bus 622 liefert. Das von der CPU 610 abgegebene Signal entspricht der gefilterten differenzierten Phase und schließt weiterhin die vorstehend beschriebene Zeitsteuer-Information ein. Dieser Ausgang erfüllt die Anforderungen an konventionelle seismische Daten, und insbesondere des SEG-D-Formates. Entsprechend sind die Phasen-Daten, das heißt die Änderungs-Geschwindigkeit der Phase, die von der CPU 610 abgegeben werden, durch konventionelle seismische Daten-Aufzeichnungs- und Verarbeitungs-Ausrüstungen lesbar, die beispielsweise die Phasen- und Zeitsteuer-Information verwenden können, um die Amplitude der akustischen Wellen 102 an den Sensoren S1-S192 zu bestimmen.
Die in den 6, 9A und 9B gezeigte Verarbeitungs-Elektronik kann Daten mit einer Abtast-Rate von 500 Hertz (Hz), 1 Kilohertz (kHz), 2 kHz und 4 kHz nach Wahl des Benutzers abgeben. Die Ausgangsdaten-Auflösung ist 24 Bit. Konventionelle Systeme ergeben nicht die Fähigkeiten, Abtast-Raten von beispielsweise 2 und 4 kHz auszuwählen.
Obwohl die Verarbeitungs-Elektronik 304 nach den 6, 9A und 9B Ausgangs-Signale in SEG-D-Formate liefert ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Es können andere Datenformate verwendet werden, beispielsweise SEG-Y oder Einfach-Präzisions-(32-Bit-)ASCII. Vorzugsweise stimmen derartige Datenformate mit konventionellen Formaten überein.
Die in 9A gezeigte CPU-Karte 610 ist elektrisch mit einer Maus 904, einer Tastatur 906, einer SVGA-Karte 908 für die Anzeige und mit einem Festplatten-Laufwerk 612 verbunden. Die CPU-Karte 610 hat außerdem einen Com 1 910 und einen Com 2 912. Wie dies vorstehend beschrieben wurde, ist die CPU-Karte 610 mit einer Bedien-Konsole 616 über Ethernet 620 gekoppelt.
Bei der in 9A gezeigten Ausführungsform ist die CPU mit den 12-DSP-Karten 606, der 16-Kanal-A/D-Hilfs-Eingangs/Ausgangs-Karte 624 (die in 6 als AUX-I/O bezeichnet ist) und der GPS-Karte 628 über den PCI-Bus 608 gekoppelt. Die CPU-Karte 610 ist mit der Frequenz-Synthesizer-Karte 632 über den ISA-Bus 640 gekoppelt. Die CPU 610 verwaltet den Betrieb und die Wechselwirkung dieser Karten.
Der PCI-Bus 608 sowie der ISA-Bus 640 sind generische Busse, wie sie üblicherweise in persönlichen Computern verwendet werden. Damit steht eine große Vielzahl von Hardware ohne Weiteres zur Verfügung, die in Schnittstellen-Verbindung mit diesen Bus-Leitungen 608, 640 und insbesondere mit dem PCI-Bus treten kann. Entsprechend können, wenn Verbesserungen an der Hardware durchgeführt werden und die Elektronik schneller wird, Komponenten der Verarbeitungs-Elektronik 304 sehr einfach durch diese schnelleren PCI-(oder ISA-)kompatiblen Elektroniken ersetzt werden.
Laser-Quellen
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugen die Laser L1-L6 eine optische Strahlung bei einer nominellen Wellenlänge von 1319 Nanometer (nm), was einer optischen Frequenz von ungefähr 227 Terrahertz (THz) in der Lichtleitfaser entspricht. Die Frequenzen können um ungefähr 0,5 bis 3 Gigahertz (GHz) getrennt sein, und sie werden durch jeweilige Träger zwischen ungefähr 2 Megahertz (MHz) und 7 MHz moduliert.
Die Laser L1-L6 können Nd:YAG-Laser umfassen, die alle mit Ausnahme der optischen Frequenz identisch sind, mit der sie betrieben werden. Die Temperaturen der Laser L1-L6 werden vorzugsweise so eingestellt, dass jeder Laser eine eindeutige optische Betriebsfrequenz/Wellenlänge hat. Der Betrieb bei unterschiedlichen optische Frequenzen vermeidet eine optische Interferenz zwischen den optische Signalen von unterschiedlichen Quellen in der gleichen Lichtleitfaser.
Obwohl Nd:YAG-Laser, die mit einer Nenn-Wellenlänge von 1319 nm arbeiten, vorstehend als für die Verwendung als Laser L1-L6 als geeignet beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr können andere Laser und andere Wellenlängen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zusätzlich können andere Modulations-Frequenzen verwendet werden. Die Auswahl geeigneter Modulations-Frequenzen wird weiter unten ausführlicher erläutert.
Weiterhin ist, obwohl sechs Laser-Quellen, die mit sechs Modulations-Frequenzen moduliert sind, die in 3 gezeigt sind, ist die Anzahl der Laser-Quellen, die verwendet werden können, nicht auf sechs beschränkt. Die Anzahl der verwendeten Laser-Quellen kann von einer bis mehr als 12 Quellen reichen.
Weiterhin können anstelle der Verwendung von Laser-Quellen LS1-LS6 zum Einkoppeln von Licht in die akustischen Sensoren S1-S192 auch andere optische Quellen verwendet werden. Die optische Quelle kann eine kohärente Quelle, wie zum Beispiel eine Laser-Diode oder eine inkohärente Quelle, wie zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED) oder eine Lichtleitfaser-Quelle sein.
Frequenz-Synthesizer-Karte
Die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 liefert Schwingungsformen an die Laser-Quellen LS1-LS6, um die Frequenzen zu bestimmen, mit denen die Ausgänge der Laser L1-L6 moduliert werden. Die Frequenz-Synthesizer-Karte 632 liefert weiterhin einen Takt, eine Synchronisation und eine Zeitsteuerung an die Lichtleitfaser-Empfänger 604 zur Synchronisation des Systems 100 und durch phasenstarren Verriegelung der Demodulatoren 604 auf die Modulatoren M1-M6.
Bei der in den 6, 9A und 9B gezeigten Ausführungsform erzeugt der Frequenz-Synthesizer sechs periodische Schwingungsformen mit sechs unterschiedlichen Frequenzen ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆. Die Frequenz-Synthesizer-Karte sendet die Schwingungsformen bei den sechs Frequenzen ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆ an die Laser-Modulations-Steuertreiber-Karte 636 in dem Laser-Einschub über eine elektrische Leitung 914. Die Frequenz-Synthesizer-Karte 630 sendet weiterhin die kritischen Zeitsteuer- und Synchronisations-Signale an jede der Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604. Die Frequenz-Synthesizer-Karte 630 sendet diese Signale an die Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604 über eine Vielzahl von abgeschirmten Signal-Leitungen 916.
Wie dies weiter oben erläutert wurde, sendet die Frequenz-Synthesizer-Karte 630 das Synchronisations-Signal und das Takt-Signal an die Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604, und aus diesen zwei Signalen erzeugen die Lichtleitfaser-Empfänger-Karten 604 digitale Träger bei den sechs Modulationsfrequenzen ω₁, ω₂, ω₃, ω₄, ω₅, ω₆ und dem Doppelten der sechs Modulationsfrequenzen 2ω₁, 2ω₂, 2ω₃, 2ω₄, 2ω₅, 2ω₆ zum Mischen und zur Demodulation.
Obwohl sechs Frequenzen durch die Frequenz-Synthesizer-Karte 630 nach den 6, 9A und 9B erzeugt werden, ist die Anzahl der erzeugten Frequenzen nicht auf sechs beschränkt. Die Anzahl der verwendeten Frequenzen kann von 2 bis mehr als 12 reichen. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Frequenzen der Anzahl von Laser-Quellen LS1-LS6.
Auswahl der Modulations-Frequenzen
Wie dies weiter oben erwähnt wurde, können die Signale von sechs Sensoren, beispielsweise S1-S6, in einer einzigen Rückführungs-Lichtleitfaser, beispielsweise RF1, unter Verwendung der Frequenz-Multiplexierung multiplexiert werden. Aufgrund der nichtlinearen Eigenart des Interferometers sind diese Modulations-Ergebnisse in dem Signal-Ausgang von dem Interferometer nicht nur mit den sechs Modulationsfrequenzen f_n (=ωn/2π) moduliert, worin n = 1, ..., 6 ist, sondern auch mit 2f_n, 3f_n, 4f_n usw. Die f_n-Frequenzen werden als die „Modulationsfrequenzen" oder „Grundfrequenzen" bezeichnet, und die höheren Vielfachen von f_n werden als die „Harmonischen" oder „Oberwellen" bezeichnet, so dass die 2f_n-Signale die „ersten Harmonischen" oder „Harmonischen erster Ordnung" sind, die 3f_n-Signale die „zweiten Harmonischen" oder „Harmonischen der zweiten Ordnung" sind, usw. Die Gruppe von N Grundfrequenzen wird als der „Grundfrequenz-Satz" bezeichnet. In ähnlicher Weise wird die Gruppe N ersten harmonischen Frequenzen als der „erste harmonische Frequenz-Satz" bezeichnet, usw. für höhere Harmonische.
Wie dies weiter oben bemerkt wurde, kann das multiplexierte Intensitäts-Signal, das von einem vorgegebenen Detektor empfangen wird, durch die Detektion der Signale bei f_n und 2f_n demultiplexiert werden. Damit die vorstehende Demodulations-Technik arbeitet, müssen jedoch die f_n- und 2f_n-Komponenten des multiplexierten Signals im Frequenz-Raum isoliert sein. Das heißt, der Satz von f_n-Modulationsfrequenzen muss so ausgewählt werden, dass sich keine der f_n- oder 2f_n-Komponenten (das heißt die „Information enthaltenden Komponenten") mit irgendeiner anderen Frequenzkomponente überlappt, unter Einschluss irgendeiner der höheren Harmonischen. Irgendeine Information enthaltende Komponente, die im Frequenz-Raum überlappt ist, kann nicht eindeutig demoduliert werden. Wie dies nachstehend klarer wird, macht diese Beschränkung die Auswahl der Modulationsfrequenzen schwierig.
Jede Frequenzkomponente in dem multiplexierten Ausgang enthält ein Signal über eine Bandbreite, die um die Frequenz zentriert ist. Die Größe der Bandbreite hängt von der Frequenz-Charakteristik des von dem Sensor empfangenen Signals und möglicherweise von dem Frequenzgang des Sensors selbst ab. Sobald die Betriebs-Bandbreite der Frequenzkomponenten bekannt ist, müssen die verschiedenen f_n-Werte mit einem ausreichenden Abstand ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass keine Überlappung aufritt. Der minimal erforderliche Abstand zum Vermeiden einer Überlappung zwischen benachbarten Komponenten wird als Δf bezeichnet.
Die 10A und 10B zeigen eine Lösung zur Auswahl von Frequenzen derart, dass eine Interferenz mit Informationen führenden Komponenten vermieden wird. Die Darstellung zeigt das multiplexierte Signal-Frequenz-Spektrum, das akustische Information enthält, die gleichzeitig von einem einzigen Detektor von einer Vielzahl von akustischen Sensoren empfangen wird. Die Zahlen stellen Frequenz-Werte in Vielfachen von Δf dar. Somit entsprechen, wenn Δf = 0,5 MHz ist, die mit 9, 10, 11, 12 und 13 bezeichneten Positionen tatsächlichen Frequenzen von 4,5 MHz, 5,0 MHz, 5,5 MHz, 6,0 MHz bzw. 6,5 MHz. Je größer die Auswahl von Δf ist, desto größer ist der mögliche dynamische Bereich des Systems. Daher wird in der Praxis Δf so groß wie möglich ausgewählt.
Das multiplexierte Signal ist als eine Serie von geschoßförmigen Komponenten gezeigt, die entlang des Spektrums verteilt sind. Die Breite jeder Komponente zeigt die Frequenz-Bandbreite für diese Komponente des Signals. Der Frequenz-Wert, der einer bestimmten Komponente zugeordnet ist, zeigt die Frequenz an der Mitte der Komponente an. Komponenten, die den Buchstaben „F" enthalten, stellen Grundfrequenzen dar. Komponenten die eine Zahl enthalten, stellen harmonische Frequenzen dar, wobei die Zahl die Ordnung der Harmonischen darstellt. Somit enthalten die Harmonischen erster Ordnung eine „1", die Harmonischen zweiter Ordnung enthalten eine „2" usw. Harmonische, die höher als die zweite Ordnung sind, sind aus Gründe der Klarheit aus den 10A und 10B fortgelassen.
Die 10A und 10B zeigen multiplexierte Signal-Spektren für zwei Systeme, bei denen sich die Grundfrequenzen, die ersten Harmonischen und die zweiten Harmonischen nicht überlappen. Das mit fünf Licht-Quellen arbeitende System nach 10A verwendet gleichförmig mit einem Abstand versehene Modulationsfrequenzen bei 9Δf bis 13Δf. Der Abstand zwischen benachbarten Grundfrequenzen ist so ausgewählt, dass er gleich Δf ist, dem kleinsten zulässigen Abstand. 10B zeigt das analoge System mit sechs Licht-Quellen unter Verwendung von Modulationsfrequenzen bei 11Δf bis 16Δf. Diese Lösung stellt sicher, dass die Grundfrequenz-Komponenten durch keine der Harmonischen gestört werden, und das die erste Harmonische nicht durch die Grundfrequenzen oder durch die zweiten oder höhere Harmonische gestört wird. Weil es keine Überlappung irgendwelcher der Information übertragenden Signale gibt, ist eine vollständige Demodulation des ausgesandten Signals möglich. Diese Lösung verwendet jedoch große Teile des Frequenz-Spektrums nicht. Beispielsweise zeigt die 10A, dass das System mit fünf Licht-Quellen die Frequenzen bei Δf-Vielfachen von 0 bis 8, 14-17, 19, 21, 23 oder 25 nicht verwendet. Die höchste Information enthaltende Frequenz ist in den 10A und 10B als eine gestrichelte vertikale Linie dargestellt. Um die zur Verarbeitung des empfangenen Signals erforderliche Elektronik zu vereinfachen, ist es vorzuziehen, diese Frequenz so niedrig wie möglich auszuwählen. Die 10A und 10B zeigen, dass bei Fehlen überlappender Sätze die Verarbeitung für Systeme mit fünf Licht-Quellen und sechs Licht-Quellen so ausgelegt sein muss, dass sie Frequenzen von zumindest 26Δf bzw. 32Δf verarbeitet.
Das Problem des ungenutzten Frequenz-Raumes, der mit der Lösung nach den 10A und 10B verbunden ist, wird verstärkt, wenn die Anzahl der Licht-Quellen ansteigt. Für ein System mit N Licht-Quellen kann die niedrigste Grund-Frequenz f₁ nicht unterhalb von (2N – 1)Δf gewählt werden, und das Verarbeitungs-System muss die größte erste harmonische Frequenz, 2f_N, von (6N – 4)Δf verarbeiten. Beispielsweise könnte ein System mit 12 Licht-Quellen nicht besser arbeiten als mit f₁ = 23Δf und 2f₁₂ = 68Δf.
Die 11A und 11B zeigen zwei Ausführungsformen gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsformen behalten einen gleiche Abstände aufweisenden Satz von Grundfrequenzen beginnend mit einer niedrigeren Frequenz, als dies bei der nicht-überlappenden Lösung nach den 10A und 10B zulässig war.
Ein Vergleich der 10A und 11A zeigt, dass für das System mit fünf Licht-Quellen die Ausführungsform nach 11A die niedrigste Grundfrequenz von 9Δf auf 7Δf verringert, während die höchste erste harmonische Frequenz von 26Δf auf 22Δf verringert ist. Dieses Absenken der Frequenzen bewirkt, dass der Beginn des Satzes von zweiten Harmonischen (bei 21Δf) eine niedrigere Frequenz aufweist, als die maximale Frequenz des Satzes der ersten Harmonischen (bei 22Δf). Das Überlappen von Sätzen verschachtelt die einzelnen Frequenzkomponenten in einer derartigen Weise, dass sich hiermit keine Interferenz der Information übertragenden Komponenten ergibt. Insbesondere ist die keine Information übertragende Komponente 3f₁ bei 21Δf in harmloser Weise zwischen den Informationen übertragenden Komponenten 2f₄ und 2f₅ bei 20Δf beziehungsweise 22Δf geschachtelt.
In ähnlicher Weise zeigt ein Vergleich der 10B und 11B, dass für das System mit sechs Licht-Quellen der Ausführungsform nach 11B die niedrigste Grundfrequenz von 11Δf auf 9Δf verkleinert ist, während die höchste erste harmonische Frequenz von 32Δf auf 28Δf verringert ist. Wie bei dem System mit fünf Licht-Quellen ist die niedrigste zweite harmonische Frequenz zwischen den zwei höchsten harmonischen Frequenzen eingeschachtelt, so dass keine Information übertragenden Komponenten gestört werden.
Die in den 11A und 11B gezeigten Ausführungsformen können auf irgendein multiplexiertes System verallgemeinert werden, das drei oder mehr Licht-Quellen verwendet. Für ein System mit N Licht-Quellen, bei denen N ≥ 3 ist, schließt eine Ausführungsform einen gleichen Abstand aufweisende Grundfrequenzen ein, die bei f₁ = (2N – 3)Δf beginnen. Für die verbleibenden Modulationsfrequenzen ergibt dies für 1 > n ≥ N, f_n = f_n-1 + Δf.

Diese Klasse von Ausführungsformen führt zu einer höchsten ersten harmonischen Frequenz bei 2f_N = (6N – 8)Δf. Wenn diese Werte mit den entsprechenden vorstehenden Werten verglichen werden, so zeigt dies, dass diese Ausführungsformen die niedrigste Grundfrequenz und 2Δf und die höchste erste harmonische Frequenz um 4Δf gegenüber der besten nicht-überlappenden Lösung verringern. Die Tabelle I zeigt die Auswahl der Modulationsfrequenzen, die diesen Ausführungsformen für Werte von N zugeordnet sind, die von 3 bis 9 reichen. Tabelle 1

N	Modulationsfrequenzen (Vielfache von Δf)
3	3, 4, 5
4	5, 6, 7, 8
5	7, 8, 9, 10, 11
6	9, 10, 11, 12, 13, 14
7	11, 12, 13, 14, 15, 16, 17
8	13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20
9	15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23

Die 12 und 13 zeigen zwei Ausführungsformen, die eine Lücke von 2Δf in einem im übrigen einen gleichförmigen Abstand (mit Intervallen von Δf) aufweisenden Satz von Grundfrequenzen verwenden.
12 zeigt eine Ausführungsform mit fünf Licht-Quellen mit Grundfrequenzen, die von 6Δf bis 11Δf reichen, wobei ein zwischenliegender Teil bei 9Δf übersprungen wird. Diese Auswahl der Grundfrequenzen ermöglicht es dem Satz von ersten Harmonischen, bis herunter nahe zu an den Grundfrequenz-Satz verschoben zu werden. Dies ermöglicht weiterhin, dass der zweite harmonische Satz im Wesentlichen den ersten harmonischen Satz überlappt. Diese zweiten harmonischen Komponenten sind jedoch derart verschachtelt, dass sie keine Interferenz mit irgendeiner der ersten harmonischen Komponenten ergeben.
Der Vergleich der 10A und 12 zeigt, dass diese Ausführungsform mit fünf Licht-Quellen die niedrigste Grundfrequenz von 9Δf auf 6Δf gegenüber der besten nicht-überlappenden Lösung verringert, während die höchste erste harmonische Frequenz von 26Δf auf 22Δf verringert ist.
Die in 12 gezeigte Ausführungsform kann auf irgendein multiplexiertes System unter Verwendung von fünf oder mehr Licht-Quellen verallgemeinert werden. Für ein System mit N Licht-Quellen, bei dem N ≥ 5 ist, schließt eine Ausführungsform einen gleichen Abstand aufweisende Grundfrequenzen beginnend mit f₁ = (2N – 4)Δf ein, mit der Ausnahme des Überspringens der Frequenz bei 3(N – 2)Δf. Dies ergibt die folgenden Modulationsfrequenzen: f₁ = (2N – 4)Δf; f_N1 = f_N-2 + 2Δf; f_N = (3N – 4)Δf, und für 1 < n < N – 1, f_n = f_n1 + Δf.

Diese Klasse von Ausführungsformen führt zu einer höchsten ersten harmonischen Frequenz bei 2f_N = (6N – 8)Δf. Die Tabelle II zeigt die Auswahl der Modulationsfrequenzen, die dieser Ausführungsform für N von 5 bis 11 zugeordnet sind. Tabelle II

N	Modulationsfrequenzen (Vielfache von Δf)
5	6, 7, 8, 10, 11
6	8, 9, 10, 11, 13, 14
7	10, 11, 12, 13, 14, 16, 17
8	12, 13, 14, 15, 16, 17, 19, 20
9	14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23
10	16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 25, 26
11	18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28, 29

13 zeigt eine Ausführungsform mit sechs Licht-Quellen mit Grundfrequenzen, die von 7Δf bis 13Δf reichen, wobei eine zwischenliegende Position bei 12Δf übersprungen wird. Diese Auswahl der Grundfrequenzen ermöglicht es, dass der Satz von ersten Harmonischen nach unten verschoben wird, bis er gegen den Satz von Grundfrequenzen anliegt. Die Komponenten der zweiten Harmonischen überlappen im Wesentlichen die ersten harmonischen Komponenten, sind jedoch so verschachtelt, dass sie keine Störung mit irgendeiner der Information übertragenden Komponenten ergeben.
Ein Vergleich der 10B und 13 zeigt, dass diese Ausführungsform mit sechs Licht-Quellen die niedrigste Grund-Frequenz von 11Δf auf 7Δf gegenüber der besten nicht-Überlappenden Lösung verringert, während die erste harmonische Frequenz von 32Δf auf 26Δf verringert ist.
Die in 13 gezeigte Ausführungsform kann auf irgendein multiplexiertes System verallgemeinert werden, das vier Licht-Quellen oder sechs oder mehr Licht-Quellen verwendet. Für ein System mit N Licht-Quellen, wobei N ≥ 4 ist, N ≠ 5 ist, schließt eine Ausführungsform unter gleichen Abständen verteilte Grundfrequenzen beginnend bei f₁ = (2N – 5)Δf, ein, mit der Ausnahme des Überspringens der Position bei 3(N – 2)Δf. Dies ergibt die folgenden Modulationsfrequenzen: f₁ = (2N – 5)Δf; f_N = f_N-1 + 2Δf, und für 1 < n < N, f_n = f_n-1 + Δf.

Diese Klasse von Ausführungsformen führt zu einer höchsten ersten harmonischen Frequenz bei 2f_N = (6N – 10)Δf. Die Tabelle III zeigt die Auswahl von Modulationsfrequenzen, die dieser Ausführungsform für N im Bereich von 4 bis 11 zugeordnet sind. Tabelle III

N	Modulationsfrequenzen (Vielfache von Δf)
4	3, 4, 5, 7
6	7, 8, 9, 10, 11, 13
7	9, 10, 11, 12, 13, 14, 16
8	11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 19
9	13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22
10	15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 25
11	17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 28

Die 14A und 14B zeigen eine Ausführungsform mit sechs Licht-Quellen, die zwei Lücken mit ungleichförmiger Größe verwendet. Diese Ausführungsform verwendet Grundfrequenzen, die aus Gründen der Klarheit in 14A getrennt dargestellt sind, mit Δf-Vielfachen von 5 2/3, 7, 8, 9, 10 und 121/2. Wie dies in 14B gezeigt ist, führt diese Ausführungsform zu einer Überlappung zwischen den Sätzen von Grundfrequenzen und ersten Harmonischen, wobei die niedrigste erste harmonische Frequenz (bei 111/3Δf) zwischen den zwei höchsten Grundfrequenzen (bei 10Δf und 121/2Δf) eingeschachtelt ist. Der Satz von dritten Harmonischen überlappt ebenso wie der Satz von zweiten Harmonischen den ersten Satz von Harmonischen. Wie dies erforderlich ist, vermeidet die Verschachtelung der höheren Harmonischen eine Interferenz mit irgendeiner der Information übertragenden Komponenten.
Die 15A und 15B zeigen eine Ausführungsform mit sechs Licht-Quellen, die drei Lücken verwendet. Diese Ausführungsform verwendet Grundfrequenzen, die isoliert aus Gründen der Klarheit in 15A gezeigt sind, bei Δf-Vielfachen von 3, 4, 5, 7, 11 und 13. Wie dies in 15B gezeigt ist, führt diese Ausführungsform dazu, dass die Sätze von ersten, zweiten und dritten Harmonischen alle den Grundfrequenz-Satz überlappen. Der Satz von ersten Harmonischen wird durch höhere Harmonische überlappt, die sich bis zum Satz vom siebten Harmonischen erstrecken. Obwohl 15B zeigt, dass sich eine erhebliche Überlappung zwischen unterschiedlichen Signal-Komponenten ergibt (die durch Bänder über anderen Bändern gezeigt sind), ergibt keine der Überlappungen eine Interferenz mit Information übertragenden Komponenten.

Die in den 15A und 15B gezeigte Ausführungsform kann auf irgendein multiplexiertes System verallgemeinert werden, das vier oder mehr Lichtquellen verwendet. Für ein System mit N Lichtquellen, wobei N ≥ 4 ist, schließt eine Ausführungsform Grundfrequenzen bei Vielfachen von Δf ein, die gleich 3 und 4 sind, gefolgt von den nächsten N – 2 aufeinander folgenden Primzahlen, beginnend mit 5. Somit können die Modulationsfrequenzen wie folgt geschrieben werden:
f₁ = 3Δf; f₂ = 4Δf; und für 2 < n ≤ N, f_n = X_nΔf worin X_n die (n – 2)te aufeinanderfolgende Primzahl beginnend mit 5 ist. Die Tabelle IV zeigt die Auswahl von Modulationsfrequenzen, die dieser Ausführungsform für unterschiedliche Werte von N zugeordnet sind. Tabelle IV

N	Modulationsfrequenzen (Vielfache von Δf)
4	3, 4, 5, 7
5	3, 4, 5, 7, 11
6	3, 4, 5, 7, 11, 13
7	3, 4, 5, 7, 11, 13, 17
8	3, 4, 5, 7, 11, 13, 17, 19
9	3, 4, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23
10	3, 4, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29

Obwohl die vorstehend erläuterten Ausführungsformen möglicherweise die Modulationsfrequenzen mit ganzzahligen Werten für den minimalen Parameter des Abstandes, Δf, liefern, ist es für den Fachmann zu erkennen, dass die Erfindung durch Wählen von Frequenzen in der Praxis ausgeführt werden könnte, die geringfügig von diesen ganzzahligen Werten abweichen. Das Ausmaß der zulässigen Eichung hängt von den relativen Größen der Komponenten-Bandbreiten und Δf ab. Weiterhin zeigen die 10A bis 15B Beispiele von Systemen mit Komponenten-Bandbreiten, die exakt gleich Δf sind. Dieser Gesichtspunkt der Figuren ist stilistisch. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen schließen Systeme ein, für die die Komponenten-Bandbreiten schmaler als Δf sind.
Hochdruck-Hochtemperatur-Hydrophon
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung arbeitet die Hydrophon-Sensor-Anordnung bei Temperaturen von zumindest 35 MPa (5.000 psi) und bei Temperaturen von zumindest 130°C. Besonders bevorzugt arbeitet die Hydrophon-Sensor-Anordnung bei Drücken von zumindest 35 MPa (5.000 psi) und bei Temperaturen von zumindest 150°C. Am meisten bevorzugt arbeitet die Hydrophon-Sensor-Anordnung bei Drücken von zumindest 35 MPa (5.000 psi) und bei Temperaturen von zumindest 180°C.
Der kleine Außendurchmesser der Hydrophon-Sensor-Anordnung der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft. Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beträgt der Außendurchmesser der Sensor-Anordnung nicht mehr als 38 mm (1,5 Zoll). Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Außendurchmesser der Sensor-Anordnung nicht mehr als ungefähr 35 mm (1,375 Zoll). Bei anderen bevorzugten Ausführungsformen liegt der Außendurchmesser der Sensor-Anordnung zwischen ungefähr 35 mm (1,375 Zoll) und ungefähr 38 mm (1,5 Zoll). Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Außendurchmesser der Sensor-Anordnung nicht mehr als ungefähr 35 mm (1,0 Zoll). Der kleine Außendurchmesser der Sensor-Anordnung ermöglicht es, dass das Hydrophon in die Bohrloch-Auskleidung eines Bohrloches eingesetzt wird, ohne dass das Produktions-Rohr entfernt wird. Die Sensor-Anordnung kann weiterhin in einen Längen-Abschnitt des Produktions-Rohres eingesetzt werden.
Der Außendurchmesser der Hydrophon-Sensor-Anordnung der vorliegenden Erfindung ist im Wesentlichen gleichförmig ±0,5 mm (±0,020 Zoll) über die Länge der Anordnung. Der gleichförmige Außendurchmesser ermöglicht es, dass die Anordnung in einem konventionellen Fett-Einspritzkopf einer Öl-Bohrung unter Druck eingesetzt werden kann, so dass die Druck-Steuerung der Öl-Bohrung aufrecht erhalten werden kann. Die äußere Abdeckung der Anordnung passt eng in den Injektions-Kopf und wird durch das unter Druck stehende Fett geschmiert, so dass die Anordnung in das Bohrloch ohne Aufheben des Druckes in dem Bohrloch abgesenkt werden kann. Der Fachmann wird erkennen, dass ein gestapeltes Pass-Stück in vorteilhafter Weise an dem Bohrungs-Kopf angewandt wird, um den kleineren gleichförmigen Außen-Durchmesser des Herabführungs-Kabels zu erreichen.
Die allgemeine Konstruktion einer bevorzugten Hydrophon-Ausführungsform 1000 it in 16 gezeigt, wobei diese Ausführungsform in der Lage ist, unter extremen Bedingungen zu arbeiten, wie zum Beispiel Temperaturen bis zu ungefähr 220°C und Drücken von 69 MPa (10.000 psi) oder sogar bis zu 103-138 MP a (15.000-20.000 psi). Das Hydrophon kann auch in befriedigender Weise unter weniger extremen Bedingungen arbeiten, wie zum Beispiel bei Temperaturen von zumindest 150°C und Drücken von 55 MPa (8.000 psi) oder Temperaturen von zumindest 130°C und Drücken von zumindest 41 MPa (6.000 psi). Sensoren 1002 sind unter periodischen Intervallen entlang eines Durchmesser von 25 mm (1,0 Zoll) bis 38 mm (1,5 Zoll) beispielsweise 32 mm (1,25 Zoll) aufweisenden Kabels 1004 angeordnet, wobei ein derartiger Sensor 1002 in 16 gezeigt ist. Alternativ kann das Kabel 1004 einen Durchmesser zwischen 25 mm und 51 mm (0,9 Zoll und 2,0 Zoll) haben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Sensoren einen Abstand von nahezu exakt 1,5 m (5 Fuß) voneinander mit einer Toleranz von 6,4 mm (1/4 Zoll) auf. Das Kabel 1004 schließt eine Außenhülle 1008 ein, die ein Füllelement 1012 umgibt, dass sich um die Sensoren 1002 herum erstreckt. In den von den Sensoren 1002 entfernten Teilen des Kabels 1004 umgibt die Außenhülle 1008 ein Kern-Element 1016, das eine Vielzahl von ringförmigen Strängen 1020 umgibt, die um ein zentrales Festigkeits-Element 1024 herum angeordnet sind. Diese Beziehungen sind klarer aus der Querschnitts-Ansicht des Kabels 1004 gemäß 17 zu erkennen.
Das zentrale Festigkeits-Element 1024 befindet sich entlang der Mitte des Kabels 1004 und ergibt eine Zugfestigkeit für das Kabel 1004 mit Ausnahme an den Stellen, an denen sich die Sensoren 1002 befinden. Das Festigkeits-Element 1024 schließt eine Kunststoff-Hülle 1028 ein, die 6-8 Bündel 1030 umgeben, wobei jedes Bündel 15-20 Stahlstränge 1034 mit einem Durchmesser von ungefähr 0,4 mm (0,015 Zoll) hat. Der Gesamt-Durchmesser des Festigkeits-Elementes 1024 kann 5,54 mm (7/32 Zoll) sein. Die rohrförmigen Stränge 1020 können beispielsweise einen Durchmesser von 0,084 Zoll haben und aus Hytrel^TM 5556, Hytrel^TM 7246 oder Hytrel^TM 8238 von der Firma DuPont sein (die Schmelzpunkte und Viat-Erweichungspunkte von 203°C, 180°C; 218°C, 207°C beziehungsweise 223°C, 212°C haben) bestehen. Die rohrförmigen Stränge 1020 umgeben Leiter oder Lichtleitfasern, oder die rohrförmigen Stränge können lediglich leer sein (Füllstränge), um eine strukturelle Integrität für das Hydrophon 1000 zu schaffen. Bei einer speziellen Ausführungsform werden 12 rohrförmige Stränge 1020 verwendet, wobei zwei Stränge Kupfer-Leiter tragen, vier Stränge jeweils sechs Lichtleitfasern tragen und die sechs verbleibenden Stränge Füllstränge sind. Eine derartige Anordnung ist zur Verwendung in einer 6 × 16-Anordnung geeignet, bei der zwei Lichtleitfasern als Reserve bestimmt sind. Die Kupfer-Leiter können zur Lieferung elektrischer Leistung an ein Gerät am distalen Ende des Kabels 1004 verwendet werden, beispielsweise ein Gamma-Werkzeug für Mess-Zwecke.
Das Kern-Element 1016 erstreckt sich entlang der Länge des Kabels 1004 mit Ausnahme des Bereiches in und um die Sensoren 1002 herum. Das Kern-Element 1016 kann in vorteilhafter Weise Furon (0611-950 von der Furon Company) sein. In dem Gebiet jedes Sensors 1002 ist das Füll-Element 1012 vorzugsweise Polyurethan (beispielsweise PRC 1547 von Courtaulds Aerospace), das sich bis zu einem Durchmesser von 25,4 mm (1,0 Zoll) erstreckt, um die Komponenten zusammenzuhalten, die die Sensoren 1002 bilden. Daher wird das Füll-Element 1012 um die Sensoren 1002 herum geformt, nachdem die Sensoren in dem Kabel 1004 angeordnet wurden. Die Außenhülle 1008 kann 2,5 mm (0,1 Zoll) starkes Hytrel^TM 5556, Hytrel^TM 7246 oder Hytrel^TM 8238 sein und erstreckt sich um die gesamte Länge des Kabels 1004. (Ein Hochtemperatur-Teflon-basiertes Material wie zum Beispiel Tefzel, kann anstelle der genannten Hytrel^TM-Materialien verwendet werden). Die Außenhülle 1008, das Füll-Element und das Kern-Element 1016 wirken als Schutzschichten, um das Hydrophon 1000 (unter Einschluss von dessen Bezugs-Dorn und dessen Mess-Dorn, wie dies weiter unten erläutert wird) gegenüber einen korrosiven Umgebung zu schützen. Der Außendurchmesser des Hydrophons 1000 beträgt vorzugsweise weniger als ungefähr 38 mm (1,5 Zoll) und weiter bevorzugt beträgt er weniger als ungefähr 25 mm (1,0 Zoll).
Wie dies in 16 zu erkennen ist, ist das Festigkeits-Element 1024 mit einem Flansch 1040 verbunden, der axiale Kräfte von dem Festigkeits-Element 1024 auf einen Zugentlastungs-Mechanismus überträgt, wie zum Beispiel eine Vielzahl von Zugentlastungs-Drähten 1050 (wie dies weiter anhand der 18 erläutert wird) und dann zu einem zweiten Flansch 1040. Auf diese Weise werden das Hydrophon 1000 (und insbesondere der Bezugs-Dorn, der Mess-Dorn, die Bezugs-Lichtleitfaser und die Mess-Lichtleitfaser, die weiter unten erläutert werden) im Wesentlichen gegenüber axialen Kräften isoliert. Das Festigkeits-Element 1024 ist in vorteilhafter Weise von einer Feder 1060 in der Nähe des Punktes umgeben, an denen das Festigkeits-Element 1024 mit dem Flansch 1040 durch einen üblichen Hochdruck-Verpressungs-Prozess verbunden ist. Die rohrförmigen Stränge 1020 durchlaufen ebenfalls in vorteilhafter Weise die Feder 1060, obwohl die Stränge 1020 in diesem Teil der 16 aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt sind.
Wie dies in 18 gezeigt ist, befinden sich die Flansche 1040 in der Nähe jeweiliger Enden des Hydrophons 1000. Die Flansche 1040 können eine Vielzahl von erhöhten Bereichen 1064 einschließen, um die herum die Zugentlastungs-Drähte 1050 gewickelt sind, und zwischen denen sich (in 18 nicht gezeigte) Nuten befinden, die die rohrförmige Stränge 1020 aufnehmen. Eine Anzahl von eine Länge von 1,0 Zoll aufweisenden Feder-Elementen 1080 (die weiter unten erläutert werden) halten die Zugentlastungs-Drähte 1050. Die Zugentlastungs-Drähte 1050 sind vorzugsweise miteinander überkreuzt, wie dies in 18 gezeigt ist, um eine „Käfig" zu bilden, der verhindert, dass das Kabel 1004 übermäßig verdrillt wird, was Schäden an den Sensoren 1020 hervorrufen könnte. Die Zugentlastungs-Drähte 1050 sind zumindest 2/3 der Strecke um den Sensor 1002 in der radialen Richtung erstreckt, während sie sich von einem Flansch 1040 zu dem anderen Flansch erstrecken. Bei dieser Anordnung überkreuzen sich Zugentlastungs-Drähte 1050 zwischen den Feder-Elementen 1080, statt über den Feder-Elementen 1080. Die Flansche 1040 als solche haben vorzugsweise keine scharfen Kanten oder Merkmale, um eine Gefahr einer Beschädigung der rohrförmigen Stränge 1020 oder der darin enthaltenen Leiter oder optischen Lichtleitfasern zu verringern. Aus dem gleiche Grund können die Zugentlastungs-Drähte 1050 mit Teflon beschichtet sein. Das Hydrophon 1000 ist vorzugsweise so konstruiert, dass es flexibel genug ist, damit es um einen Krümmungs-Radius von weniger als ungefähr vier Fuß gebogen werden kann.
Wie dies in 19 gezeigt ist, schließt der Sensor 1002 ein Telemetrie-Gehäuse 1104, einen Bezugs-Dorn 1110 und zumindest einen, jedoch vorzugsweise zwei Mess-Dorne 1120, 1122 ein, die alle Ende-zu-Ende (koaxial) ausgerichtet sind, um das Profil des Kabels 1004 zu verringern. Dies steht im Gegensatz zu üblichen bekannten Konfigurationen der Anordnung des Bezugs-Dorns innerhalb des Mess-Dorns. Unter Verwendung von zwei Mess-Dornen 1120, 1122 anstelle von lediglich einem Dorn kann eine verbesserte Empfindlichkeit ergeben, weil, wenn alle anderen Dinge gleich sind, die Verwendung von zwei Mess-Dornen die Verwendung von mehr Mess-Lichtleitfasern ermöglicht. Das Telemetrie-Gehäuse 1104 hat eine darin ausgebildete Bohrung 1128 zur Aufnahme einer Verteilungs-Lichtleitfaser (Bus) 1130, die ein optisches Eingangs-Signal 1132 überträgt, das von einer optischen Quelle erzeugt wird. Zusammen können die Sensoren 1102 entlang des Kabels 1004 in vorteilhafter Weise eine Sensor-Anordnung ergeben, wie zum Beispiel die optische 6 × 16-Anordnung, die in dem US-Patent US 6,249,622 B1 (Hodgon et al) mit dem Titel „Arcitecture for large optical fiber array using standard 1 × 2 couplers" beschrieben ist. Die Verteilungs-Lichtleitfaser 1130 ist mit einem Eingangs-Telemetrie-Koppler 1150 (siehe 20A) verspleißt, der sich in vorteilhafter Weise innerhalb des Telemetrie-Gehäuses 1104 befindet. Eine zweite Bohrung 1134 in dem Telemetrie-Gehäuse 1104 ermöglicht den Durchgang der Verteilungs-Lichtleitfaser 1130 aus dem Telemetrie-Gehäuse 1104, nachdem ein Teil des optischen Eingangs-Signals von dem Koppler 1150 abgezapft wurde. Wenn der Sensor 1002 einen Teil einer Anordnung bildet, kann die Verteilungs-Lichtleitfaser 1130 in vorteilhafter Weise mit anderen Sensoren an weiteren Stellen entlang des Anordnungs-Kabels 1004 gekoppelt sein.
Das Telemetrie-Gehäuse 1104 nimmt im übrigen einen Ausgangs-Telemetrie-Koppler 1154 auf, der mit einer Rückführungs-Lichtleitfaser (Bus) 1160 gekoppelt ist. Die Rückführungs-Lichtleitfaser 1160 tritt in das Telemetrie-Gehäuse 1104 über eine dritte Bohrung 1164 ein. Wenn die Rückführungs-Lichtleitfaser 1160 in das Telemetrie-Gehäuse 1104 eintritt, überträgt die Lichtleitfaser 1160 bereits optische Ausgangs-Signale von den Sensoren, die sich distal von dem Sensor 1002 befinden, sofern nicht der Sensor 1002 der am weitesten distal liegende Sensor auf einer Rückführungs-Lichtleitfaser ist. Ein perturbiertes optisches Ausgangs-Signal 1168 von dem Sensor 1002 wird von dem Ausgangs-Telemetrie-Koppler 1154 auf die Rückführungs-Lichtleitfaser 1160 gekoppelt. Die Rückführungs-Lichtleitfaser 1160 verläuft dann durch eine vierte Bohrung 1172 in dem Telemetrie-Gehäuse 1104 und kann mit anderen Sensoren entlang des Kabels 1004 gekoppelt werden, bevor sie in Richtung auf die Signal-Verarbeitungs-Elektronik gelenkt wird.
Nunmehr wird die optische Architektur, die sich auf den Bezugs-Dorn 1110 und die Mess-Dorne 1120, 1122 bezieht, beschrieben. Das optische Eingangs-Signal, das von dem Telemetrie-Eingangs-Koppler 1150 abgezapft wird, wird entlang einer optischen Eingangs-Lichtleitfaser 1180 gelenkt, die durch eine Bohrung 1184 in dem Telemetrie-Gehäuse 1104 und eine Bohrung 1188 in den Bezugs-Dorn 1110 hindurch läuft. Wie dies in 20A gezeigt ist, ist die optische Eingangs-Lichtleitfaser 1180 mit einem Hydrophon-Eingangs-Koppler 1192 verbunden. Der Hydrophon-Eingangs-Koppler 1192 befindet sich in dem Bezugs-Dorn 1110 und lenkt einen Bruchteil des optischen Eingangs-Signals auf eine Bezugs-Lichtleitfaser 1196. Ein weiterer Bruchteil des optischen Eingangs-Signals wird auf eine Mess-Lichtleitfaser 1198 gelenkt.
Die Bezugs-Lichtleitfaser 1196 und die Mess-Lichtleitfaser 1198 wirken als ein Bezugs-Arm beziehungsweise einem Mess-Arm eines Interferometers, der in 20A in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers gezeigt ist. Die Bezugs-Lichtleitfaser 1196 verläßt eine Bohrung 1202 in den Bezugs-Dorn 1110 und bildet 8 „Schichten" um den Bezugs-Dorn (das heißt die Bezugs-Lichtleitfaser ist 8 mal in einer eng-gepackten Weise um den Bezugs-Dorn 1110 gewickelt, so dass jede Schleife der Lichtleitfaser auf dem Dorn in Kontakt mit einer benachbarten Schleife der Bezugs-Lichtleitfaser steht), bevor sie erneut in den Bezugs-Dorn 1110 durch eine weitere Bohrung 1206 eintritt. Die Mess-Lichtleitfaser 1198 läuft aus einer Bohrung 1210 in den Bezugs-Dorn 1110 heraus und bildet eine Schicht um den Mess-Dorn 1120, bevor sie zu dem Mess-Dorn 1122 gelenkt wird, wo die Mess-Lichtleitfaser 4 Schichten bildet. Die Mess-Lichtleitfaser 1198 wird dann zurück auf den Mess-Dorn 1120 gelenkt, wo die Mess-Lichtleitfaser drei zusätzliche Schichten bildet, so dass die Mess-Lichtleitfaser insgesamt 4 Schichten auf dem Mess-Dorn 1120 bildet. An diesem Punkt tritt die Mess-Lichtleitfaser 1198 in eine Bohrung 1214 in den Bezugs-Dorn 1110 ein. Die Bezugs-Lichtleitfaser 1196 und die Mess- Lichtleitfaser 1198 sind mit einem Hydrophon-Ausgangs-Koppler 1218 (siehe 20A) verspleißt, der sich in dem Bezugs-Dorn 1110 befindet. Licht, das sich zu dem Koppler 1218 von den zwei Armen ausbreitet, ergibt eine Interferenz an dem Koppler 1218. Im einzelnen empfängt der Hydrophon-Ausgangs-Koppler 1218 ein optisches Signal von dem Bezugs-Arm (Bezugs-Lichtleitfaser 1196) und ein optisches Signal von dem Mess-Arm (Mess-Lichtleitfaser 1198) und erzeugt ein optisches Ausgangs-Signal, das auf eine Ausgangs-Lichtleitfaser 1222 gelenkt wird. Die Ausgangs-Lichtleitfaser 1222 läuft durch eine Bohrung 1226 in dem Bezugs-Dorn 1110 hindurch und in eine Bohrung 1230 in dem Telemetrie-Gehäuse 1104. Die Ausgangs-Lichtleitfaser 1222 überträgt das geänderte optische Ausgangs-Signal und ist mit dem Telemetrie-Ausgangs-Koppler 1154 verspleißt, wie dies weiter oben beschrieben wurde.
Die Mess-Lichtleitfaser 1198 ist unter Spannung um die Mess-Dorne 1120, 1122 gewickelt. Die Mess-Dorne 1120, 1122 verformen sich in Abhängigkeit von akustische Signalen (sie dehnen sich aus und ziehen sich zusammen), derart, dass die Spannung in der Mess-Lichtleitfaser 1198, die die Mess-Dorne umgibt, modifiziert wird, wodurch die Gesamtlänge der Mess-Lichtleitfaser 1198 geändert wird. Die Länge der Mess-Lichtleitfaser 1198 und somit die optische Pfad-Länge für optische Strahlung, die die Mess-Lichtleitfaser 1198 durchläuft, wird geändert, was andererseits die Phasen-Differenz zwischen der optischen Strahlung, die sich in der Bezugs-Lichtleitfaser 1196 ausbreitet, und der optischen Strahlung, die sich in der Mess-Lichtleitfaser 1198 ausbreitet, beeinflusst.
Auf diese Weise wirkt der Sensor 1002 als ein Mach-Zehnder-Interferometer, das Änderungen des akustischen Druckes aufzeichnet. Obwohl eine bevorzugte Sensor-Architektur von 8 Schichten einer Lichtleitfaser, die um den Bezugs-Dorn 1110 gewickelt wurde, und vier Schichten der Lichtleitfaser um jeden der Mess-Dorne 1120 und 1122 beschrieben wurde, ist die Verwendung einer anderen Anzahl von Schichten möglich. Eine Vergrößerung der Anzahl von Schichten und der Mess-Dorne führt zu einer größeren Empfindlichkeit, vergrößert jedoch auch die Kosten. Der hier beschriebene Sensor 1002 hat in vorteilhafter Weise einen hohen Skalierungsfaktor von –140 dB gegenüber Radianten/MikroPascal.
Eine andere Interferometer-Konfiguration beispielsweise Michelson oder Fabry-Perot ist ebenfalls möglich. 20B zeigt eine alternative Konfiguration, die als ein Michelson-Interferometer wirkt. Der Hydrophon-Eingangs-Koppler 1192 und der Hydrophon-Ausgangs-Koppler 1218 sind durch einen einzigen Hydrophon-Koppler 1199 ersetzt, der beide Funktionen ausführt. An dem Ende der Bezugs-Lichtleitfaser 1196 und an dem Ende der Mess-Lichtleitfaser 1198 sind jeweilige Reflektoren 1200a und 1200b angeordnet, wodurch eine optische Interferenz in den Hydrophon-Koppler 1199 ermöglicht wird. Der Hydrophon-Koppler 1199 dieser Michelson-Konfiguration ist vorzugsweise innerhalb des Bezugs-Dorns 1110 angeordnet.
20C zeigt eine weitere alternative Konfiguration, die als ein Fabry-Perot-Interferometer arbeitet. Bei dieser Konstruktion gibt es keine Bezugs-Lichtleitfaser 1196 oder einen Bezugs-Dorn 1110. An der Ausgangs-Seite des Telemetrie-Eingangs-Kopplers 1150 befindet sich ein Teil-Reflektor 1201a. In ähnlicher Weise befindet sich ein Teil-Reflektor 1201b an der Eingangs-Seite des Telemetrie-Ausgangs-Kopplers 1164. Die Teil-Reflektoren 1201a, 1201b bilden das Fabry-Perot-Interferometer und sind vorzugsweise Lichtleitfaser-Bragg-Gitter. Bei dieser Konfiguration befinden sich Telemetrie-Eingangs-Koppler 1150, der Telemetrie-Ausgangs-Koppler 1154 und die Teil-Reflektoren 1201a, 1201b in vorteilhafter Weise innerhalb des Telemetrie-Gehäuse 1104.
Das Telemetrie-Gehäuse 1104, der Bezugs-Dom 110 und die Mess-Dorne 1120, 1122 schließen vorzugsweise jeweilige Hauptkörper 1260a, 1260b, 1260c, 1260d mit einer Länge von 100 mm (3,9 Zoll) und einem Durchmesser von ungefähr 12mm (0,48 Zoll) sowie jeweilige Paare von Endkappen 1264a, 1266a; 1264b, 1266b; 1264c, 1266c; 1264d, 1266d (die weiter unten ausführlicher erläutert sind) ein, wie dies in 19 gezeigt ist. 21 zeigt den Bezugs-Dorn 1110 mit weiteren Einzelheiten. Wie dies in 19 angegeben ist, treten die verschiedenen Lichtleitfasern durch Bohrungen ein und aus, die in den Endkappen 1264a, 1266a; 1264b, 1266b angeordnet sind. Lichtleitfasern verlaufen nicht durch irgendwelche der Endkappen in den Mess-Dornen 1120 und 1122. Die Endkappen 1264a, 1266a; 1264b, 1266b; 1264c, 1266c; 1264d, 1266d (die weiter unten ausführlicher erläutert werden) weisen vorzugsweise eine konvex geformten halbkugelförmigen Umriss auf, um dazu beizutragen, dass sie hohen Drücken widerstehen, und sie haben vorzugsweise Durchmesser, die geringfügig größer als der Durchmesser ihrer jeweiligen Haupt-Körper 1260a, 1260b, 1260c, 1260d sind, so dass die Schichten der Lichtleitfasern auf eine Umwicklung um den Haupt-Körper herum beschränkt sind. Das Telemetrie-Gehäuse 1104 weist vorzugsweise eine metallische Konstruktion auf, wie zum Beispiel aus Stahl, und es weist vorzugsweise metallische Endkappen 1264a, 1266a auf.
Der Bezugs-Dorn 1110 ergibt einen stabilen Bezug, gegen den optische Pfadlängen-Änderungen in dem Mess-Arm bestimmt werden können, das heißt der Bezugs-Dorn ist im Wesentlichen unempfindlich gegenüber akustischen Signalen, um die Wirkung der akustischen Signale auf die Bezugs-Lichtleitfaser 1196 zu verringern. Um eine Verformung des Bezugs-Dorns 1120 in Abhängigkeit von Druck-Änderungen zu verringern, besteht der Bezugs-Dorn unter Einschluss seiner Endkappen 1264b, 1266b vorzugsweise aus Metall, wie zum Beispiel Stahl. Andererseits werden die Wände des Bezugs-Dorns 1110 vorzugsweise dünn gehalten, beispielsweise auf ungefähr 1 mm (0,05 Zoll), um das Profil des Bauteils zu verringern, was in dem Sinne wirkt, dass ein gewisses Ansprechen auf Drücke von dem Bezugs-Dorn 1110 zugelassen wird (das heißt eine gewisse Biegung des Bezugs-Dornes) in Abhängigkeit von akustischen Signalen. Um dies zu kompensieren und um die Empfindlichkeit des Bezugs-Dorns 1110 gegenüber akustischen Signalen zu verringern, kann eine Abdeckung 1270 in vorteilhafter Weise über die Bezugs-Lichtleitfaser 1196 aufgebracht werden (wie dies im weggebrochenen Teil in 21 gezeigt ist), wobei sich die Abdeckung 1270 in vorteilhafter Weise zwischen den Endkappen 1264b, 1266b erstreckt und mit diesem versiegelt ist. Ein Luft-Hohlraum, beispielsweise mit 0,1 MPa (1 Atmosphäre) kann zwischen der Abdeckung 1270 und der Bezugs-Lichtleitfaser 1196 gebildet werden, um als Druck-Puffer zu wirken. Der Aussendurchmesser (O.D.) der Abdeckung 1270 kann ungefähr 13 mm (0,53 Zoll) betragen. Ein Klebemittel, wie zum Beispiel Torrseal^TM kann zur Abdichtung der Abdeckung 1270 verwendet werden, wobei zugelassen wird, dass das Klebemittel über die Endkappen 1264b, 1266b sowie über die Teile der Bezugs-Lichtleitfaser 1196 fließt, die sich ungefähr 6 mm von jedem Ende des Haupt-Körpers 1260b aus erstrecken. Die Abdeckung 1270 isoliert somit die Bezugs-Lichtleitfaser 1196 gegenüber Umgebungs-Drücken, wodurch die Stabilität des Bezugs-Dorns 1110 in einer interferometrischen Bezugs-Quelle verbessert wird. Der Bezugs-Dorn 1110 kann teilweise vergossen sein, um die Hydrophon-Eingangs- und Ausgangs-Koppler 1192, 1218 an ihrem Platz zu halten, oder alternativ kann ein Klebemittel verwendet werden.
Die Mess-Dorne 1120, 1122 bestehen aus einem Hochtemperatur-Material, das, wenn es einem hohen Druck ausgesetzt ist, steif genug ist, damit die Dome nicht aufgrund einer Verformung brechen. Andererseits sind die Dorne 1120, 1122 flexible genug, damit sie sich in Abhängigkeit von akustischen Drücken biegen (einer Beanspruchung ausgesetzt werden), ohne dass sie unter dem hydrostatischen Druck ausgebeult werden. Weiterhin hat dieses Hochtemperatur-Material eine Steifigkeit, die bei Temperaturen über 200°C relativ stabil bleibt. Zwei Kunststoffe, die für diesen Zweck geeignet sind, sind Torlon^TM (insbesondere Torlon^TM 5030) und Celazole^TM. An diesen zwei wird Celazole^TM bevorzugt, weil es bis zu höheren Temperaturen stabil ist, und weil seine geringfügig niedrigere Steifigkeit zu einer größeren Sensor-Empfindlichkeit führt. Weiterhin weist Celazole^TM unter einer hydrostatischen Belastung ein geringeres Kriechen auf. Das letztere Merkmal ist im Kontext von Interferometern wichtig, weil Änderungen, die so klein sind, wie einige wenige Zehntel eines Prozentes, hinsichtlich der Länge der Mess-Lichtleitfaser 1198 das Steuer-Betriebsverhalten des Hydrophon-Sensors 1002 erheblich verschlechtern können. Sowohl Torlon^TM als auch Celazole^TM weisen Vorteile gegenüber bekannten Materialien auf, die dünnwandiges Aluminium und Polycarbonat einschließen. Polycarbonat ist im allgemeinen nicht für eine Betrieb bei Temperaturen oberhalb von 105°C geeignet. Torlon^TM als auch Celazole^TM sind jedoch für eine Betrieb bei Drücken von zumindest 69 MPa (10.000 psi) oder sogar 103-138 MPa (15.000-20.000 psi) und Temperaturen von zumindest 220°C geeignet.
Torlon^TM 5030 ist ein Polyamidimid und hat eine Zugfestigkeit von 165 MPa (24.000 psi), ein Zugkraft-Elastizitäts-Modul von 8.270 MPa (1.200.000 psi), eine Dehnung von 4%, eine Biege-Festigkeit von 248 MPa (36.000 psi), ein Biege-Elastizitäts-Modul 6.890 MPa (1.000.000 psi), eine Druckfestigkeit (10% Verformung) von 262 MPa (38.000 psi), ein Druck-Elastizitäts-Modul von 4.140 MPa (600.000 psi), wobei alles dies bei 23°C (73°F) gemessen wird. Weiterhin hat Torlon^TM 5030 einen Koeffizienten der linearen Dehnung von 1,8 m/m/°C (1,0 × 10^–5 in/in/°F), eine Wärme-Auslenkungs-Temperatur bei 1,8 MPa (264 psi) von 282°C (539°F) und eine maximale Dauer-Betriebs-Temperatur in Luft von 260°C (500°F). (Alle Werte sind angenähert).
Celazole^TM PBI (Polybenzimidazol) hat eine Zugfestigkeit von 1659 MPa (23.000 psi), ein Zugkraft-Elastizitäts-Modul von 5.860 MPa (850.000 psi), eine Dehnung von 3%, eine Biege-Festigkeit von 221 MPa (32.000 psi), ein Biege-Elastizitäts-Modul 6.550 MPa (950.000 psi), eine Druckfestigkeit (10% Verformung) von 345 MPa (50.000 psi), ein Druck-Elastizitäts-Modul von 6.210 MPa (900.000 psi), wobei alles dies bei 23°C (73°F) gemessen wird. Weiterhin hat Celazole^TM 5030 einen Koeffizienten der linearen Ausdehnung von 0,72 m/m/°C (1,3 × 10^–5 in/in/°F), eine Wärme-Auslenkungs-Temperatur bei 1,8 MPa (264 psi) von 430°C (800°F) und eine maximale Dauer-Betriebs-Temperatur in Luft von 400°C (7500°F). (Alle Werte sind angenähert).
Die Endkappen 1264a, 1266a; 1264b, 1266b; 1264c, 1266c; 1264d, 1266d sind in vorteilhafter Weise halbkugelförmig, so dass das Telemetrie-Gehäuse 1104, der Bezugs-Dorn 1110 und die Mess-Dorne 1120, 1122 gleichförmiger gebogen werden, wenn sie einem Druck ausgesetzt werden, und sie können auf diese Weise höheren Drücken widerstehen, wie sie in den hier beschriebenen Bohrloch-Anwendungen auftreten, die hier leicht 21-28 MPa (3.000-4.000 psi) übersteigen können. Diese halbkugelförmige Konstruktion vermeidet, dass Belastungen in kleinen Bereichen konzentriert werden, und dies steht im Gegensatz zu bekannten Konstruktionen von zylindrischen Endkappen, die bei einem hydrostatischen Druck ausfallen.
Die Endkappen 1264a, 1266a; 1264b, 1266b; 1264c, 1266c; 1264d, 1266d (die in 19 und 21 in ihrer zusammengebauten Konfiguration gezeigt sind) weisen in vorteilhafter Weise alle die gleiche Form auf, die durch die Querschnitts-Darstellung einer bevorzugten Endkappe 1264a erläutert ist, die in 22 gezeigt, ist. Der Außendurchmesser (O.D.) der Endkappe 1264a (der mit „C" in 22 bezeichnet ist), ist vorteilhafter Weise angenähert 12,1 mm (0,477 Zoll). Die Endkappe 1264a hat eine Lippe 1280, die einen O.D. von ungefähr 5,23 mm (0,206 Zoll) hat (der mit „B" in 22 bezeichnet ist) und einen I.D. von ungefähr 5,23 mm (0,206 Zoll) (mit „A" in 22 bezeichnet). Die Lippen 1280 der Endkappen 1264a, 1264b, 1264c, 1264d sind so ausgewählt, dass sie in ihre jeweiligen Haupt- Körper 1260a, 1260b, 1260c, 1260d gleiten und mit diesen zusammenpassen. Jede der Endkappen 1264a, 1266a; 1264b, 1266b; 1264c, 1266c; 1264d, 1266d besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der entsprechende Haupt-Körper 1260a, 1260b, 1260c, 1260d. Somit bestehen die Endkappen 1264a, 1266a, 1264b, 1266b vorzugsweise aus Metall. Die Endkappen 1264c, 1266c, 1264d, 1266d bestehen vorzugsweise entweder aus Torlon^TM oder Celazole^TM, um an die Konstruktion ihrer jeweiligen Haupt-Körper 1260c und 1260d angepasst zu sein.
19 zeigt, dass es drei Paare von entgegengesetzt gerichteten Endkappen gibt: 1266a, 1264b; 1266b, 1264c; und 1266c; 1264d. Jedes dieser Paare von Endkappen ist in vorteilhafter Weise von einem elastischen, biegsamen Material (in 16, 18, 19, 21 und 22 aus Gründe der Klarheit nicht gezeigt) umgeben, wie zum Beispiel Polyurethan (PRC 1547 wird bevorzugt), das eine flexible Zwischenverbindung bildet. Beispielsweise bildet Polyurethan eine flexible Zwischenverbindung 1296 (siehe 23), die die Enkappe 1266a des Telemetrie-Gehäuses 1104 mit der Endkappe 1264b des Bezugs-Dorns 1110 verbindet. Die Zwischenverbindung 1296 schließt darin ausgebildete Nuten 1300, 1304 zur Aufnahme der Lichtleitfasern 1180 und 1222 ein. In ähnlicher Weise verbindet eine weitere flexible (nicht gezeigte) Zwischenverbindung den Bezugs-Dorn 1110 mit dem Mess-Dorn 1120, und noch eine weitere (nicht gezeigte) flexible Zwischenverbindung verbindet die Mess-Dorne 1120, 1122 miteinander. Jede dieser zusätzlichen Zwischenverbindungen hat darin ausgebildete Nuten zur Aufnahme der Mess-Lichtleitfaser 1198, wodurch die Mess-Lichtleitfaser 1198 gegen Schäden geschützt wird.
Im Fall des Telemetrie-Gehäuses 1104 und des Bezugs-Dorns 1110 sind die Zwischenverbindungs-Nuten 1300, 1304 an beiden Enden der flexiblen Zwischenverbindung 1296 mit einer Bohrung in einer Endkappe ausgerichtet, beispielsweise kann die Nut 1300 zum Lenken der Eingangs-Lichtleitfaser 1180 von der Bohrung 1184 in dem Telemetrie-Gehäuse 1104 in die Bohrung 1188 in dem Bezugs-Dorn 1110 verwendet werden. In ähnlicher Weise kann die Nut 1304 zum Lenken der Ausgangs-Lichtleitfaser 1222 von der Bohrung 1226 in den Bezugs-Dorn 1110 zu der Bohrung 1230 in dem Telemetrie-Gehäuse 1104 verwendet werden. (Die Endkappen 1264c, 1266c, 1264d der Mess-Dorne 1120, 1122 verwenden in vorteilhafter Weise (nicht gezeigte) Nuten anstelle von Bohrungen zur Aufnahme der Mess-Lichtleitfaser 1198). Die Zwischenverbindung 1296 ist dicker zwischen den Endkappen 1266a, 1264b als in der Nähe der Endkappen, als Ergebnis der halbkugelförmigen Formen der Endkappen, was dazu beiträgt, irgendwelche lokalisierten Kräfte zu verringern, die die Lichtleitfasern 1180, 1222 brechen könnten. Weiterhin sind die Nuten 1300 und 1304 in vorteilhafter Weise auf eine unterschiedliche Tiefe geschnitten, so dass die Lichtleitfasern 1180 und 1222 in unterschiedlichen Ebenen liegen, das heißt die Lichtleitfasern 1180 und 1222 überkreuzen sich und sind ohne „Einklemmung" benachbart zueinander angeordnet. Im einzelnen sind die jeweiligen Tiefen der zwei Nuten 1300, 1304 so ausgelegt, dass sie um zumindest die Breite einer der Lichtleitfasern 1180, 1222 verschieden sind. Beispielsweise kann die Nut 1300 um eine Lichtleitfaser-Breite tiefer als die Nut 1304 geschnitten sein, wobei die Eingangs-Lichtleitfaser 1180 (die das optische Eingangs-Signal überträgt) als erstes während des Zusammenbaus verlegt wird. Wenn sich die Eingangs-Lichtleitfaser 1180 an ihrem Platz befindet, kann die Ausgangs-Lichtleitfaser 1222 (die das geänderte optische Ausgangs-Signal überträgt) in die Nut 1304 eingelegt werden, so dass die Ausgangs-Lichtleitfaser 1222 die Eingangs-Lichtleitfaser 1180 überquert.
Die flexiblen Zwischenverbindungen, wie zum Beispiel die Zwischenverbindung 1296, ermöglichen es, dass das Kabel 1004 in dem normalen Betriebsverlauf gebogen und ausgelenkt werden kann, beispielsweise während das Kabel 1004 aufgespult oder abgespult wird, ohne das ein Brechen oder Schäden an irgendeiner der Lichtleitfasern auftreten. In gleicher Weise sind die Nuten 1300, 1304 sowie die Nuten in den anderen (nicht gezeigten) Zwischenverbindungen mehrschichtig, so dass, wenn das Kabel 1004 gebogen wird, die Lichtleitfasern einander nicht beschädigen. Die Nuten 1300, 1304 ermöglichen es den Lichtleitfasern 1180, 1222, mit einer gut kontrollierten Steigung über einen flexiblen Teil des Hydrophons 1000 hinweg gelenkt werden, nämlich die Zwischenverbindung 1296. Die Nuten 1300, 1304 stellen weiterhin sicher, dass die Lichtleitfasern 1180, 1222 diese Steigung beibehalten, während sie in die Zwischenverbindung 1296 eintreten und diese verlasen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt diese Steigung ungefähr 8,5 mm (1/3 Zoll), das heißt die Lichtleitfaser 1180 (1222, 1198) führt eine vollständige Umdrehung um die Zwischenverbindung 1296 für alle 8,5 mm (1/3 Zoll) entlang der Länge der Zwischenverbindung aus. Die Lichtleitfaser 1180 (1222, 1298) bildet vorzugsweise einen Winkel von zumindest 72 Grad mit der Achse des Kabels 1004 (oder des Hydrophons 1000), wenn die Zwischenverbindung 1296 eine Durchmesser von 12 mm(0,48 Zoll) hat (oder einen kleineren Winkel für eine Zwischenverbindung mit kleinerem Durchmesser, und einen größeren Winkel für eine Zwischenverbindung mit größerem Winkel). Somit bildet die Lichtleitfaser 1180 (1222, 1198) vorzugsweise einen Winkel θ mit der Längsachse des Hydrophons 1000 derart, dass das cosθ-fache des Durchmessers des Hydrophons (oder der Zwischenverbindung 1296) kleiner als ungefähr 0,18 ist. Die Zwischenverbindungen 1296 können in vorteilhafter Weise 25,4 mm (1,0 Zoll) lang sein, was drei vollständigen Umdrehungen der Lichtleitfaser 1180 (1222) entspricht.
Die Zwischenverbindungen können dadurch konstruiert werden, dass zwei Endkappen (beispielsweise 1266a, 1264b) genommen werden und diese so ausgerichtet werden, dass sie in entgegengesetzter Richtung aufeinander gerichtet sind, wie dies in den 19 und 23 gezeigt ist. Kurze (nicht gezeigte) Segmente eines Drahtes, wie zum Beispiel Kupfer-Drähte können dann in jede der Bohrungen 1184, 1230 der Endkappe 1266a und die Bohrungen 1188, 1226 der Endkappe 1264b eingesetzt werden. Während sich die Draht-Segmente an ihrem Platz befinden, kann eine (nicht gezeigte) Form zum Abformen von Polyurethan um das Paar von entgegengesetzt gerichteten Endkappen 1266a, 1264b herum verwendet werden, wobei während dieser Zeit die Draht-Segmente Polyurethan von den Bohrungen 1184, 1230, 1188, 1226 fernhalten. Die Draht-Segmente können dann entfernt werden, und es können die Nuten 1300, 1304 in das Polyurethan geschnitten werden, so dass die Nuten 1300, 1304 in richtiger Weise mit ihren jeweiligen Bohrungen in den Endkappen 1266a, 1264b ausgerichtet sind.
Das Telemetrie-Gehäuse 1004 wird vorzugsweise zu Beginn mit zwei (nicht gezeigten) Teilen zusammengebaut, die den zwei Hälften eines Haupt-Körpers entsprechen, die gebildet würden, wenn der Haupt-Körper in Längsrichtung geschnitten wird. Als nächstes werden die Lichtleitfasern 1130, 1160 geschnitten, durch ihre entsprechenden Paare von Bohrungen (1128, 1134 beziehungsweise 1164, 1172) in der Endkappe 1264a hindurch geführt und mit den Kopplern 1150, 1154 verspleißt. Die Koppler 1150, 1154 können dann mit ihren entsprechenden Spleißen sowie den Lichtleitfasern 1130, 1160 in eine der Hälften eingelegt werden. Die Lichtleitfasern 1180 und 1222 können dann ihrerseits durch die jeweiligen Bohrung 1184, 1230 in die Zwischenverbindung 1296 geführt werden, im einzelnen durch die Endkappe 1266a (siehe 23). Die Zwischenverbindung 1296 und die Endkappe 1264a werden dann mit dem Haupt-Körper 1260a mit einem Epoxid-Material verklebt, und die Lichtleitfasern 1130, 1168 werden in ihren jeweiligen Bohrungen unter Verwendung von Epoxid-Material verklebt (das Epoxid-Material, das hier verwendet wird, kann ein mit Aluminium gefülltes Hochtemperatur-Epoxid-Material sein, wie zum Beispiel Cotronics 454B). Die Zwischenverbindung 1296 wird dann in Polyurethan getaucht, um eine dünne Schicht 1308 zu bilden, die die Lichtleitfasern 1130, 1160 einkapselt, um die Lichtleitfasern in einer festen Position zu halten (das heißt die Lichtleitfasern werden „hart-vergossen"). Das Telemetrie-Gehäuse 1104 kann dann teilweise unter Verwendung von Epoxid-Material (oder es kann Kleber verwendet werden) vergossen werden, um die Koppler 1150, 1154 und ihre entsprechenden Spleiße gegen eine Stoßbewegung und Schäden in Betrieb zu schützen. Die zwei Hälften können dann bei Umgebungs-Druck gegeneinander mit Epoxid-Material abgedichtet werden, um das Telemetrie-Gehäuse 1104 zu bilden, das dem hydrostatischen Druck widerstehen kann und die Koppler 1150, 1154, die darin angeordnet sind.
Der Bezugs-Dorn 1110 und die Mess-Dorne 1120, 1122 werden in vorteilhafter Weise in einer gleichen Weise zusammengebaut, jedoch mit der Ausnahme, dass es nicht erforderlich ist, das Zusammenbau-Verfahren mit Hälften eines Haupt-Körpers zu beginnen. (Im Fall des Bezugs-Dornes 1110 können die Hydrophon-Koppler 1192, 1218 in den Bezugs-Dorn durch eines seiner Enden hindurch eingesetzt werden, bevor der Bezugs-Dorn mit seinen Endkappen verschlossen wird. Die Mess-Dorne 1120, 1122 nehmen andererseits keine optischen Komponenten auf). Die Bezugs-Lichtleitfaser 1196 und die Mess-Lichtleitfaser 1198 werden um den Bezugs-Dorn beziehungsweise den Mess-Dorn gewickelt. Der Bezugs-Dorn 1110 und die Mess-Dorne 1120, 1122 werden in gleicher Weise bei Umgebungs-Druck abgedichtet, und sie können sehr hohen hydrostatischen Drücken widerstehen. In dem Fall des Bezugs-Dorns 1110 kann die Abdeckung 1270 über dem Bezugs-Dorn 1110 angeordnet werden, um als Druck-Puffer zu wirken, wie dies weiter oben erläutert wurde.
Sobald der Zusammenbau der Sensoren 1002 (siehe 16 und 19) geschlossen ist, werden die Zwischenverbindungen 1296 des Sensors 1002 vorteilhafter Weise von den Feder-Elementen 1080 (siehe 18) für einen zusätzlichen Schutz gegen die Kräfte und Beanspruchungen umgeben, die während des Einsatzes und des Betriebs des Hydrophons 1000 auftreten können. Nach dem Zusammenbau der Flansche 1040 und ihrer zugehörigen Zugentlastungs-Drähte 1050 um den Sensor 1002 herum kann ein Material wie zum Beispiel Polyurethan (beispielsweise das PRC 1547 von Courtaulds Aerospace, das oben erläutert wurde) um den Sensor 1002, die Feder-Elemente 1080, die Feder 1060, die Flansche 1040 und die Zugentlastungs-Drähte 1050 herum abgeformt werden, um das Füll-Element 1012 zu bilden, so dass das Hydrophon 1000 gut gegen die rauhen chemischen und mechanischen Bedingungen abgeschirmt ist, die mit Bohrloch-Anwendungen verbunden sind. Als Ergebnis dieses Abform-Vorganges sind die Zwischenverbindungen 1296 gut mit Polyurethan umgeben, weil Polyurethan auch in vorteilhafter Weise zur Konstruktion der Zwischenverbindungen verwendet wird, wie dies vorstehend erläutert wurde. Auf diese Weise sind die Lichtleitfasern 1180, 1230, 1196, 1198 in flexible Zwischenverbindungen 1296 eingebettet, die die erforderliche Steigung und Spannung haben, um die Biegungen zu überleben, die während der Installation und der Handhabung des Kabels 1004 auftreten.
Die hier beschriebenen Abform-Verfahren (in Verbindung mit beispielsweise der Zwischenverbindung 1296 oder des Hydrophons 1000) können dadurch ausgeführt werden, dass eine Form um das einzubettende Objekt herum angeordnet wird und dann ein Vakuum an diesem Objekt angesaugt wird. Das Objekt kann auf 60°C (140°F) über 10 bis 15 Minuten aufgeheizt werden, bevor Polyurethan um dieses herum injiziert wird. Nach dem Injizieren von Polyurethan um das Objekt herum kann das Vakuum für 15-20 Minuten aufrecht erhalten werden, um das Polyurethan zu entgasen. Das Polyurethan kann dann über 14 Stunden bei 0,28-0,48 MPa (40-70 psi) und 60°C (140°F) gehärtet werden, bevor die Form entfernt wird.
Die Verwendung von Polyurethan in den verschiedenen hier beschriebenen Komponenten (beispielsweise das Füll-Element 1012 und die Zwischenverbindung 1296) begrenzt die Verwendung des Hydrophons 1000 auf Temperaturen bis zu 150°C. Teflon oder Viton können jedoch anstelle des Polyurethans eingesetzt werden, und diese Materialien können bis zu 220°C verwendet werden. Die optischen Koppler und die Klebemittel, die hier beschrieben wurden, können bis zu Temperaturen von 200°C oder sogar 220°C arbeiten.
System-Betriebsverhalten
Das akustische Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung kann viele akustische Sensoren S1-S192 einschließen. Die hier beschriebenen Ausführungsformen schließen 96 bzw. 192 Sensoren S1-S192 sowie 96 bzw. 192 Kanäle in der Verarbeitungs-Elektronik 304 zum Verarbeiten der Ausgangs-Signale der 96 oder 192 Sensoren ein. Das Vorhandensein einer großen Anzahl von Sensoren S1-S192 bietet eine erhebliche Verbesserung gegenüber bekannten Systemen. Beispielsweise vergrößert das Vorhandensein einer großen Anzahl von Sensoren S1-S192 die mögliche Auflösung von Messungen, wie zum Beispiel einer Quer-Bohrloch-Tomographie und verringert weiterhin dramatisch die Zeit, die erforderlich ist, um eine geologische Erkundung abzuschließen.
Das akustische Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung bietet andere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Die Tabelle V liefert eine Zusammenfassung des Betriebsverhaltens und der Spezifikationen des vorstehend beschriebenen akustischen Mess-Systems 100, das 96 faseroptische Sensoren S1-S96 umfasst. Die akustische Mess-Anordnung 602 der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf 96 oder 192 Sensoren S1-S192 beschränkt, sondern kann bis zu 400 Sensoren einschließen.
Wie es weiter oben erläutert wurde, ist die akustische Anordnung 602b klein genug, um in ein Produktions-Rohr zu passen. Das in 2 gezeigte Kabel 202 kann in ein Produktions-Rohr mit einem Innendurchmesser von 2 Zoll und sogar in Produktions-Rohre mit einem Innendurchmesser von 32 mm (1,25 Zoll) eingesetzt werden. Das Kabel 202 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit 96 Sensoren hat einen Außendurchmesser von 1,22 Zoll und schließt eine Armierung ein. Somit kann die akustische Anordnung 602 in das Produktions-Rohr in der Auskleidung eines Bohrloches 118 eingesetzt werden, anstatt das es die Entfernung des Produktions-Rohres zum Einsetzen des Kabels in die Auskleidung erfordert.
Das akustische Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung ist robust genug, um in der rauen Bohrloch-Umgebung zu arbeiten. Das Kabel 202 kann in ein Bohrloch 118 bis zu einer Tiefe von über 300 Metern (10.000 Fuß) eingesetzt werden, wo die Temperatur 150°C liegt, und der Druck 38 MPa (5.500 psi) liegt.
Das akustische Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung hat eine ausreichende Bandbreite, um eine Echtzeit-Messung der akustischen Welle durchzuführen, unter Einschluss der Verarbeitung des Ausgangs-Signals der akustischen Sensoren S1-S192 und der Ausgabe der Daten in einem konventionellen seismischen Format. Weil die akustischen Sensoren optische Sensoren sind, beschränken sie die Bandbreite des Systems nicht. Vielmehr ist die Bandbreite durch die Bandbreite der Verarbeitungs-Elektronik 304 beschränkt. Die Verarbeitungs-Elektronik 304 ist jedoch schnell genug, um die durch eine akustische Quelle 130 erzeugte akustische Schwingung zu messen und eine Betrachtung der Ergebnisse kurz danach zu ermöglichen. Entsprechend kann, wenn die Daten in Echtzeit zu erfassen, zu verarbeiten und auszugeben sind, und dies in einem Format, die ein Geodät lesen kann, der Geodät die Erkundung auf der Grundlage der erzeugten Ergebnisse modifizieren. Wenn beispielsweise die Daten das mögliche Vorhandensein von Reserven an Ort und Stelle anzuzeigen zu scheinen, so könnte die akustische Quelle 130 und/oder die akustische Sensor-Anordnung 602 für eine weitere Untersuchung neu angeordnet werden.
Im Gegensatz hierzu verhindern Beschränkungen hinsichtlich der Geschwindigkeit und Bandbreite konventioneller akustischer Sensor-Anordnungen darin das Erreichen einer Echtzeit-Verarbeitung. Vielmehr werden, wenn Messungen durchgeführt werden, die Daten auf Magnetband aufgezeichnet und zu einem von dem Bohrloch 118 oder dem Bohr-Standort entfernten Ort zur Verarbeitung transportiert.
Zusätzlich dazu, das es schnell ist, hat das Sensor-System 100 der vorliegenden Erfindung ein niedriges akustisches Grund-Rauschen. Insbesondere ist das integrierte akustische Effektiv-Wert-Rauschen über die Detektions-Bandbreite 0,1 Mikrobar effektiv.

Das akustische Sensor-System 100 der vorliegenden Erfindung hat weiterhin einen weiten dynamischen Bereich. Große Spannungs-Ausgänge für kleine akustische Signale ermöglichen es, dass das System eine kleine Amplitude aufweisende akustische Wellen 102 misst und aufzeichnet. Gleichzeitig ist das System in der Lage eine große Amplitude aufweisende akustische Wellen 102 zu messen und aufzuzeichnen. Im einzelnen hat die vorstehend beschriebene Ausführungsform mit 96 Sensoren S1-S96 einen momentanen dynamischen Bereich von 132 Dezibel (dB) für das akustische Band, das von 1 Hz bis 400 Hz reicht, und einen momentanen dynamischen Bereich von 120 dB für das akustische Band, das von 401 Hz bis 1000 Hz reicht. Tabelle V

Betriebsleistungs-Charakteristiken	Fähigkeiten
Anzahl von akustischen Kanälen	96	Erweiterbar auf 192
Zuführungskabel-Länge	3000 m (10.000 Fuß)
Anordnungs-Kabel-Länge	1.500 m (500 Fuß)
Anordnungs-Kabel-Durchmesser	31 mm (1,22 Zoll)	Schließt Armierung ein
Betriebsdruck	Oberhalb von 38 MPa (5.500 psi)
Betriebs-Temperatur	Oberhalb von 150°C
Grundrauschen	0,1 mbar effektiv
Momentaner dynamischer Bereich	132 dB	Minimum von 1 Hz bis 400 Hz
	120 dB	Minimum von 401 Hz bis 1.000 Hz
Verzerrung	–80 dB
Übersprechen	–85 dB
Akustischer Durchlass-Bereich	1 Hz bis 1.440 Hz
Welligkeit	+/–0,2 dB
Kanal-zu-Kanal	+/–0,34 dB
Ausgangs-Daten-Abtastrate	4 kHz, 2kHz, 1 kHz und 500 kHz	Auswählbar
Ausgangs-Daten-Format	SEG-D Rev. 2
Ausgangs-Daten-Auflösung	24 Bit	Festkomma
Hilfs-Kanäle	16
Eingangs-Signal-Amplitude	10 VDC (0 bis Spitze)
Maximale Eingangs-Frequenz	1,5 kHz
Betriebsleistungs-Charakteristiken	Fähigkeiten
Abtast-Rate	4 kHz
Auflösung	16 Bits
Externe Synchronisation	10 Millisekunden	Bidirektionale TTL oder Schließen von Schaltern
Elektronisches Gehäuse	48'' × 19'' × 17''; weniger als 250 lb	Wechselspannungs-Versorgung
GPS-Fähigkeit	Enthalten	1575 MHz-Antenne
Gamma-Werkzeug	Enhalten

Das akustische Sensor-System 100 verringert ein Übersprechen zwischen Signalen einer unterschiedlichen Wellenlänge auf ein Minimum. Das Übersprechen des Systems mit 96 Sensoren S1-S96 liegt bei –85 dB.
Das akustische Sensor-System 100 macht weiterhin Verzerrungen zu einen Minimum. Die Verzerrung des Systems mit 96 Sensoren S1-S96 beträgt –80 dB.
Das akustische Sensor-System 100 hat einen akustischen Band-Pass zwischen 1 Hz und 1.440 Hz. Entsprechend werden Frequenz-Komponenten zwischen 1 Hz und 1440 Hz der akustischen Welle durch das System 100 gemessen.
Das akustische Sensor-System 100 gibt Daten in dem SED-D REV.2-Format ab, einem konventionellen Format, das den Normen entspricht, die von der Society of Exploration Geophysicists festgelegt wurden und die in der Technik gut bekannt sind. Das akustische Sensor-System 100 kann weiterhin Daten mit einer Abtast-Rate von 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz und 4 kHz nach Auswahl des Benutzers ausgeben. Die Auflösung der Ausgangs-Daten beträgt 24 Bit.
Wie dies vorstehend beschrieben wurde, kann das System 100 Hilfs-Kanäle aufnehmen. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform mit 96 Sensoren S1-S96 kann sechzehn unsymmetrische Hilfs-Kanäle oder acht Differenz-Hilfs-Kanäle annehmen. Diese Hilfs-Kanäle haben eine minimale Eingangs-Frequenz von 1,5 kHz. Diese Kanäle werden mit einer Rate von 4 kHz und einer Auflösung von 16 Bits abgetastet.
Das System 100 empfängt weiterhin einen externen Synchronisations-Impuls. Die vorstehend beschriebene Ausführungsform mit 96 Sensoren S1-S96 akzeptiert einen externen Synchronisations-Impuls mit einer Länge von 10 Millisekunden. Dieser Synchronisations-Impuls kann unter Verwendung von bidirektionalen TTL-Pegeln (das heißt mit aktiven zur Spannungsversorgung bzw. zur Erde gerichteten Widerständen) oder ein Schalter-Schließen (das heißt ein aktives Herunterziehen mit einem Widerstands-Aufwärts-Ziehen) erzeugt werden.
Wie dies vorstehend beschrieben wurde, umfasst das akustische Mess-System 100 vorzugsweise ein GPS-System 628. Das akustische Mess-System 100 kann zusätzlich ein Gamma-Werkzeug umfassen. Gamma-Werkzeuge, die in der Technik bekannt sind, werden zur Messung der Tiefe des Kabels durch Zählen von Markern auf der Auskleidung verwendet, wie dies weiter oben erläutert wurde.
Ein zusätzlicher Vorteil, der sich bei dem akustischen Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung ergibt, besteht darin, dass dieses System wesentlich weniger gegenüber Rohrwellen empfindlich ist, als konventionelle Systeme. Eine Rohrwelle entspricht, wie dies in der Technik gut bekannt ist, akustischen Wellen, die ein Bohrloch 124 herauf und herunter wandern, entweder durch die metallische Auskleidung oder durch Wasser in dem Bohrloch. Während der Daten-Erfassung wird das akustische Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise weniger durch Rohrwellen beeinflusst als konventionelle akustische Mess-Systeme.
Obwohl das akustische Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung in der Bohrloch-Umgebung für den Zweck von geophysikalischen Erkundungen, die zur Lokalisierung von Öl-Reserven bestimmt sind, erläutert wurde, ist seine Verwendung nicht hierauf beschränkt. Diese akustische Mess-System 100 der vorliegenden Erfindung kann auch auf andere Weise verwendet werden, um akustische Schwingungen an einer Serie von entfernt angeordneten Stellen zu messen.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sollen alle in jeder Hinsicht lediglich als erläuternd und nicht beschränkend betrachtet werden. Der Schutzumfang der Erfindung ist daher in den folgenden Ansprüchen angegeben, und nicht in der vorstehenden Beschreibung.

Claims

System (100) zur Messung unterirdischer akustischer Wellen, die von einer akustischen Quelle (130) emittiert werden, wobei das System (100) Folgendes umfasst: ein Kabel (202, 1004); zumindest eine optische Quelle, die Licht emittiert; eine Vielzahl von optischen Sensoren (1002), die das Licht empfangen und das Licht in Abhängigkeit von den akustischen Wellen (102) ändern; zumindest einen optischer Detektor, der das geänderte Licht empfängt und ein elektrisches Signal als Ausgangssignal liefert; und eine Elektronik (601), die das elektrische Signal verarbeitet und das Signal in ein seismisches akustisches Datenformat umwandelt, und wobei jeder Sensor (1002) ein Interferometer ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von optischen Sensoren (1002) von dem Kabel (2002, 1004) umgeben ist, und dass jeder Sensor (1002) einen Telemetrie-Behälter (1104), einen Bezugs-Dorn (1110) und zumindest einen Mess-Dorn (1120, 1122) einschließt, die alle Ende zu Ende koaxial angeordnet sind, um das Profil des Kabels (202, 1004) zu verringern, wobei der Telemetrie-Behälter (1104) einen Ausgangs-Telemetrie-Koppler (1154) und einen Eingangs-Telemetrie-Koppler (1150) aufnimmt.
System (100) nach Anspruch 1, bei dem die optische Quelle eine Laser-Quelle umfasst.
System (100) nach Anspruch 1, bei dem die zumindest eine optische Quelle eine Vielzahl von Laser-Quellen umfasst.
System (100) nach Anspruch 1, das zumindest eine Lichtleitfaser-Verteilungsleitung (1130) umfasst, die optisch mit der optischen Quelle und dem Sensor (1002) verbunden ist, um das von der optischen Quelle emittierte Licht auf die Sensoren (1002) zu verteilen.
System (100) nach Anspruch 1, das weiterhin zumindest eine Lichtleitfaser-Rückführungsleitung (1160) umfasst, die optisch mit der optischen Quelle und mit dem Sensor (1002) verbunden ist, um das von den Sensoren (1002) emittierte geänderte Licht an den zumindest einen optischen Detektor zu lenken.
System (100) nach Anspruch 1, das weiterhin einen Modulator umfasst, der zum Empfang und zur Modulation des von der zumindest einen optischen Quelle emittierten Lichtes mit zumindest einer Modulationsfrequenz ausgebildet ist.
System (100) nach Anspruch 6, bei der die Elektronik (601) einen Demultiplexer (604) umfasst, der zum Empfang und zur Demultiplexierung des elektrischen Signals ausgebildet ist.
System (100) nach Anspruch 7, bei dem der Multiplexer (604) einen Mischer umfasst, der zum Empfang und zum Mischen des elektronischen Signals mit periodischen Schwingungsformen ausgebildet ist, die Frequenzen aufweisen, die den Modulationsfrequenzen und dem Zweifachen der Modulationsfrequenzen entsprechen, um das Signal zu demodulieren.
System (100) nach Anspruch 4, bei dem die Sensoren (1002) und die Lichtleitfaser-Verteilungsleitungen (1130, 1160) in dem Kabel (202, 1004) enthalten sind.
System (100) nach Anspruch 9, bei dem das Kabel (202, 1004) einen Durchmesser von weniger als 51 mm (2 Zoll) hat.
System (100) nach Anspruch 9, bei dem das Kabel (202, 1004) einen Durchmesser von weniger als 32 mm (1,25 Zoll) hat.
System (100) nach Anspruch 9, bei dem das Kabel (202, 1004) ein Herabführungs-Kabel (106) aufweist, das keine Sensoren aufweist, jedoch die Verteilungs-(1130) und Rückführungs-(1160) Verteilungs-Lichtleitfaser-Leitungen enthält.
System (100) nach Anspruch 12, bei dem das Herabführungs-Kabel (106) zumindest 305 m (1000 Fuß) lang ist.
System (100) nach Anspruch 12, bei dem das Herabführungs-Kabel (106) zumindest 3050 m (10.000 Fuß) lang ist.
System (100) nach Anspruch 12, bei dem das Herabführungs-Kabel (106) zumindest 6100 m (20000 Fuß) lang ist.
System (100) nach Anspruch 4 oder 9, bei dem die Sensoren (1002) in einem akustischen Anordnungs-Kabel (104) enthalten sind.
System (100) nach Anspruch 16, bei dem das akustische Anordnungs-Kabel (104) seinen Durchmesser nicht um mehr als ±0,25 mm (±0,01 Zoll) ändert.
System (100) nach Anspruch 16, bei dem die Sensoren (1002) mit angenähert gleichförmigem Abstand über das akustische Anordnungs-Kabel (104) verteilt sind.
System (100) nach Anspruch 18, bei dem die Sensoren (1002) einen gegenseitigen Abstand von ungefähr 1,52 m (5 Fuß) innerhalb des akustischen Anordnungs-Kabels (104) aufweisen.
System (100) nach Anspruch 18, bei dem die Sensoren (1002) gleichförmig in einem Abstand zwischen 1,52 m (5 Fuß) und 30,5 m (100 Fuß) in dem akustischen Anordnungs-Kabel (104) angeordnet sind.
System (100) nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, bei dem das akustische Anordnungs-Kabel (104) eine Länge von zumindest 145 m (475 Fuß) aufweist.
System (100) nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das akustische Anordnungs-Kabel (104) eine Länge von zumindest 290 m (950 Fuß) aufweist.
System (100) nach Anspruch 19 oder 20, bei dem das akustische Anordnungs-Kabel (104) eine Länge von zumindest 2900 m (9500 Fuß) aufweist.
System (100) nach Anspruch 20, bei dem das akustische Anordnungs-Kabel (104) eine Länge von zumindest 5800 m (19000 Fuß) aufweist.
System (100) nach Anspruch 1, bei dem das Kabel (202, 1004) einen gleichförmigen Außendurchmesser aufweist, der so bemessen ist, dass das Kabel (202, 1004) eine Öffnung eines Ölbohrungs-Rohres, einer Auskleidung oder eines Produktions-Rohres füllt, um auf diese Weise den Druck in dem Rohr, Gehäuse oder Produktions-Rohr aufrecht zu erhalten.
System (100) nach Anspruch 1, bei dem der optische Sensor (1002) ein Hydrophon (1000), ein Geophon, ein kombiniertes Hydrophon/Geophon, einen Lichtleitfaser-Sensor, ein Interferometer (5102), ein Mach-Zehnder-Interferometer oder ein Lichtleitfaser-Interferometer umfasst.
System (100) nach Anspruch 1, bei dem die Elektronik (601) eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) (610) umfasst, die zum Umwandeln des elektrischen Signals in ein SEG-D- oder SEG-Y-Format programmiert ist.
Verfahren zur Messung unterirdischer akustischer Wellen (102), die von einer akustischen Quelle (130) emittiert werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erzeugen von zumindest einem optischen Lichtstrahl; Lenken des Lichtstrahls auf einen optischen Sensor (1002), der den Lichtstrahl in Abhängigkeit von den akustischen Wellen (102) ändert, wodurch Änderungen in dem Lichtstrahl erzeugt werden, wobei der optische Sensor (1002) ein Interferometer ist; Empfangen des geänderten Lichtstrahls und Abgabe eines elektrischen Signals; und Verarbeiten des elektrischen Signals und Umwandeln des Signals in Daten in einem seismischen Datenformat; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Umgeben des optischen Sensors (1002) mit einem Kabel (202, 1004), wobei der optische Sensor (1002) einen Telemetrie-Behälter (1104), einen Bezugs-Dorn (1110) und zumindest einen Mess-Dorn (1120, 1122) einschließt, die alle Ende an Ende koaxial ausgerichtet sind, um das Profil des Kabels (202, 1004) zu verringern; wobei das Telemetrie-Gehäuse (1104) einen Ausgangs-Telemetrie- Koppler (1154) und einen Eingangs-Telemetrie-Koppler (1150) aufnimmt; Umschließen des optischen Sensors (1002), der den Lichtstrahl ändert, mit Zugentlastungsdrähten (1050) zur Verhinderung mechanischer Schäden an dem optischen Sensor (1002); Abformen eines Füllmaterials (1012) um den optischen Sensor (1002) und die Zugentlastungsdrähte (1050) herum, um eine Abschirmung gegenüber rauen chemischen und mechanischen Bedingungen zu schaffen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem eine Vielzahl von optischen Strahlen erzeugt und auf mehr als einen optischen Sensor (1002) gelenkt wird, und ein elektrisches Signal abgegeben und verarbeitet wird, und wobei der Prozess eine Demultiplexierung einschließt.
Verfahren nach Anspruch 29, das die Modulation der optischen Lichtstrahlen mit einer Vielzahl von Modulationsfrequenzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, das weiterhin eine Demodulation des elektrischen Signals durch Mischen des elektrischen Signals mit periodischen Schwingungsformen umfasst, die Frequenzen aufweisen, die den Modulationsfrequenzen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Umwandlung die Umwandlung der erfassten Änderungen in ein SEG-D- oder SEG-Y-Format umfasst.