| Аннотация |
Технологическое предложение направлено на преодоление ограничений в части доступной оптоэлектронной компонентной базы для создания передовых ВОСПММ, основанных на использования интерференционных волоконно-оптических датчиков (ВОД). В настоящее время в России отсутствуют, как оптоэлектронные компоненты, так и технологии изготовления оптоэлектронной компонентной базы с параметрами, требуемыми для использования в разрабатываемых системах.
Разрабатываемые ВОСПММ позволяют существенно повысить эффективность использования существующих и планируемых к разработке месторождений углеводородов на территории Российской Федерации. Не маловажным является существенно более низкая стоимость сенсорной части ВОСПММ на основе ВОД, по сравнению с существующими аналогами на основе пьезокерамических гидрофонов. Указанные набор характеристик делает разрабатываемые системы применимыми для широкого спектра задач мониторинга месторождений углеводородов. Для создания ВОСПММ требуется специализированная оптоэлектронная компонентная база, которая включает высоко контрастные твердотельные модуляторы лазерного излучения (ВМЛИ) и многоканальные матрицы поляризационно- разнесенных фотодетекторов (ММПРФ), что определяет новизну результатов предлагаемого проекта. Эти компоненты являются ключевыми при создании ВОСПММ, поскольку ВМЛИ определяет характеристики оптического сигнала опроса массива ВОД, а ММПРФ выполняет функцию приемника оптического сигнала от массива ВОД (преобразование из оптического сигнала в электрический). Отличительной чертой, требуемой оптоэлектронной компонентной базы, в отличие от доступных аналогов, связана с необходимостью реализации специфических характеристик: в части модуляторов – это высокий коэффициент экстинкции для состояний включено-выключено, в части фотодетекторов – это возможность одновременного детектирования оптического сигнала в нескольких каналах с поляризационной чувствительностью и широким динамическим диапазоном.
Целевой уровень ожидаемого экономического эффекта связан с востребованностью подобных систем мониторинга, что в свою очередь определяется количество и масштабом разведываемых месторождений. Российские нефтегазовые компании активно ведут разведку и добычу на Арктическом шельфе в следующих основных морских акваториях: Баренцового, Печорского и Карского морей, где формируется на данный момент основная часть морской добычи страны. При этом главная задача, сформулированная в программе интеллектуального инновационного развития нефтегазовой отрасли России, связана с обеспечением низкозатратного и экогологичного ввода в освоение Арктических нефтегазовых ресурсов, а также ускорение создания новых центров нефтегазодобычи в Арктике. Работы на Арктическом шельфе связаны со сложными горно-геологическими условиями залегания, метеорологическими условиями, что формирует сложный гидрологический режим. Поэтому для эффективной разведки и эксплуатации месторождений в условиях Арктики необходимы высокочувствительные разветвленные системы мониторинга, к которым относится ВОСПММ. Указанные факты определяют национальный масштаб использования конечного результата технологического предложения. Другой важный фактор, определяющий необходимость разработки отечественных ВОСПММ, связан с тем, что данные системы обеспечивают технологическую независимость нефтегазового комплекса страны, что является стратегически важным для его непрерывного развития. Использование ВОСПММ позволяет существенно снизить стоимость работ по сейсмическому мониторингу морских месторождений углеводородов в долгосрочной перспективе. Основные затраты нефтегазодобывающих компаний происходят на этапе установки ВОСПММ. Затем затраты на мониторинг с использованием ВОСПММ после нескольких съемок сравниваются с затратами при использовании традиционных буксируемых сейсмокос и далее рост затрат существенно ниже, чем для других способов мониторинга. Кроме того, неоспоримым преимуществом стационарных систем к которым относится ВОСПММ является более высокое качество получаемой информации о состоянии месторождения по сравнению с другими способами за счет стационарного положения чувствительных элементов, что позволяет в несколько раз увеличить эффективность использования месторождения. Масштаб реализации данного технологического предложения может наглядно продемонстрировать следующий пример использования ВОСПММ. Модернизированная волоконно-оптическая система постоянного мониторинга (PRM) Optowave, Alcatel Submarine Networks была установлена для месторождения Йохан Свердруп, в Северном море, введена в эксплуатацию компанией ASN в августе 2019 года, партнерство: Equinor (оператор), Lundin Norway, Petoro, Aker BP ,Total, срок предполагаемой эксплуатации 50 лет, установлено 380 км волоконно-оптических сейсмических кабелей, на площади 200 кв. км, число 4C-датчиков более 6500 шт.
Применение в ВОСПММ для формирования оптических сигналов опроса ВМЛИ позволяет увеличить количество опрашиваемых чувствительных элементов в два раза по сравнению с использованием способов модуляции интенсивности лазерного излучения за счет большей мощности оптического сигнала на выходе и амплитудной экстинкции не хуже 40 дБ.
Использование ММПРФ в ВОСПММ позволяет использовать в чувствительных элементах доступное телекоммуникационное оптическое волокно без сохранения поляризации и волоконные решетки Брэгга в качестве светоотражающих элементов. Это позволяет на 30 % снизить себестоимость изготовления чувствительных элементов ВОСПММ.
Использование ВМЛИ и ММПРФ возможно не только для создания ВОСПММ или построении буксируемых систем сейсморазведки углеводородов. Эти устройства могут применяться при построении волоконно-оптических линий связи, создании волоконно-оптических систем охраны периметра и мониторинга состояния трубопроводов и инженерных сооружений. Разработанные при реализации технологического предложения технологические процессы изготовления устройств на основе In-Ga-Al-As-Р/InP гетероструктур позволят решать не только задачи импортозамещения, но и перейти к разработке и производству оптоэлектронной компонентой базы не имеющей зарубежных аналогов.
Для решения задач разработки и создания чипов ВМЛИ будут использоваться подходы, основанные на методах численного моделирования, которые позволят спроектировать оптимальные конструкции, определить ключевые параметры для отработки постростовой технологии.
Разрабатываемые конструкции чипов ВМЛИ будут спроектированы на основе планарных волноводных структур мезаполосковой конструкции, обеспечивающей одномодовый режим работы, и, продемонстрировавших высокую эффективность при создании мощных многомодовых лазеров и телекоммуникационных одномодовых лазеров, модуляторов. Кроме этого, геометрия мезаполосковой конструкции будет оптимизирована для подавления оптической обратной связи за счет использования просветляющих покрытий и смещения оси латерального волновода относительно граней кристалла для подавления резонаторного эффекта. Конструкция наклонного резонатора будет также оптимизирована для минимизации оптических потерь введенного лазерного излучения. Для эффективной стыковки с одномодовыми оптическими волокнами разрабатываемые конструкции латерального и поперечных волноводов будут оптимизированы в рамках численного моделирвания и экспериментальных исследований. В качестве критерия будут определены расходимости излучения: в диапазоне 10-20град для параллельной плоскости и 30-50град для перпендикулярной плоскости.
Для экспериментальной реализации оптимизированных конструкций чипов ВМЛИ будут использоваться подходы, основанные на комплексе постростовых технологий основными из которых являются: технология травления латеральных одномодовых волноводов, технология формирования омических контактов с низким сопротивлением, технологии и подходы для подавления обратной связи. Для экспериментальной реализации оптимизированных конструкций чипов ММПРФ будут использоваться подходы, основанные на комплексе постростовых технологий основными из которых являются: технологии формирования кольцевых мезаструктур с низкими темновыми токами, технологии формирования кольцевых омических контактов. При разработке и создании оптоволоконных модулей будут использоваться подходы, основанные на численном моделировании оптических схем для поиска и оптимизации конструктивных характеристик, оптических элементов для достижения максимальной эффективности ввода и вывода излучения в оптические волокна, а также ввода в волновод чипа модулятора из одномодовых оптических волокон. Основными критериями будут эффективность ввода и сохранение излучательных характеристик в части стабильности и поляризации лазерного излучения.
Основным потребителем разрабатываемой продукции в виде произведенной оптоэлектронной компонентной базы является АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», как ключевое предприятие, ответственное за развитие ВОСПММ, основанных на использовании ВОД. Разрабатываемые системы мониторинга будут широко востребованы среди компаний занимающихся добычей углеводородов в морской акватории. Кроме того, разрабатываемая продукция может быть востребована другими российскими производителями систем на основе ВОД (ПАО "ПНППК", ООО НПК "Оптолинк", ООО "Т8"). Например, эти устройства могут применяться при построении специализированных защищенных волоконно- оптических линий связи, создании волоконно-оптических систем охраны периметра и мониторинга состояния трубопроводов и инженерных сооружений. Разработанные при реализации технологического предложения технологические процессы изготовления устройств на основе InGaAsP/InGaAlAs/InP гетероструктур позволят решать не только задачи импортозамещения, но и перейти к разработке и производству оптоэлектронной компонентой базы не имеющей зарубежных аналогов.
|
