光纖傳感器在石油行業(yè)中的應用

　　一、前言

　　光纖傳感技術(shù)是20世紀70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)，國外一些發(fā)達國家對光纖傳感技術(shù)的應用研究已取得豐碩成果，不少光纖傳感系統(tǒng)已實用化，成為替代傳統(tǒng)傳感器的商品。

　　在油田的開發(fā)過程中，人們需要知道在產(chǎn)液或注水過程中有關井內(nèi)流體的持性與狀態(tài)的詳細資料，這就要用到石油測井，其可靠性和準確性是至關重要的，而傳統(tǒng)的電子基傳感器無法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電干擾下工作。光纖傳感器可以克服這些困難，其對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓（幾十兆帕以上）以及強烈的沖擊與振動，可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數(shù)，同時，光纖傳感器具有分布式測量能力，可以測量被測量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據(jù)空間極小。

　　光纖傳感器在地球物理測井領域取得了長足的進步，全世界各大石油生產(chǎn)公司、測井服務公司以及各種光纖傳感器研發(fā)機構(gòu)和企業(yè)都參加了研究、開發(fā)過程。為了開拓光纖傳感器的應用領域，本文綜述了光纖傳感器在地球物理測井領域的研究與進展，希望其研究能夠?qū)M一步提高石油開發(fā)的水平作出貢獻。

　　二、光纖傳感器在測井上的研究進展

　　1、儲層參數(shù)監(jiān)測

　　（1）壓力監(jiān)測

　　由于開發(fā)方案的需要，對油藏壓力的管理需要特別謹慎，這樣做的目的是減少因在低于泡點壓力的狀態(tài)下開采所造成的原油損失，減少在注氣過程中因油藏超壓將原油擠入含水層所造成的原油損失。傳統(tǒng)的井下壓力監(jiān)測采用的傳感器主要有應變壓力計和石英晶體壓力計，應變式壓力計受溫度影響和滯后影響，而石英壓力計會受到溫度和壓力急劇變化的影響。在壓力監(jiān)測時，這些傳感器還涉及安裝困難、長期穩(wěn)定性差等問題。井下光纖傳感器沒有井下電子線路、易于安裝、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，而這些正是井下監(jiān)測所必需的。

　　美國CiDRA公司的在光纖壓力監(jiān)測研究方面處于前沿，他們的科研人員發(fā)現(xiàn)了布喇格光纖光柵傳感器對壓力的線性響應。已開發(fā)的傳感器能夠工作到175oC，200oC和稍高溫度的產(chǎn)品正在開發(fā)，250oC是研發(fā)的下一個目標。不同溫度和壓力下的壓力測量誤差，在測試范圍（0MPa~34.5MPa）內(nèi)，均小于±6.89kPa，相當于電子測量系統(tǒng)的最好的水平。目前，CIDRA公司的光纖壓力傳感器的指標為：測程0~103MPa，過壓極限129MPa，準確度±41.3kPa，分辨率2.06kPa，長期穩(wěn)定性±34.5kPa/yr（連續(xù)保持150oC），工作溫度范圍25oC~175oC。1999年該公司在加利福尼亞的Baker油田進行了壓力監(jiān)測系統(tǒng)的試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有非常高的精度，目前已經(jīng)交付商業(yè)銷售。2001年該公司的壓力傳感器在英國BP公司的幾口井下安裝，監(jiān)測應力變化，結(jié)果表明其具有足夠的可靠性。

　　美國斯倫貝謝油田服務公司Doll研究中心的TsutomuYamate等人對用布喇格光纖光柵傳感器實行井下監(jiān)測進行了長期的研究，他們研制成一種對溫度不敏感的側(cè)孔布喇格光纖光柵傳感器，最高工作溫度為300oC，最高測量壓力82MPa，在最高測量壓力下，對溫度的靈敏度極小，可以適用于井下的壓力監(jiān)測。

　?。?）溫度監(jiān)測

　　分布式光纖溫度傳感器具有通過沿整個完井長度連續(xù)性采集溫度資料來提供一條監(jiān)測生產(chǎn)和油層的新途徑的潛力。因為井的溫度剖面的變化可以與其它地面采集的資料（流量、含水、井口壓力等）以及裸眼測井曲線對比，從而為操作者提供有關出現(xiàn)在井下的變化的定性和定量信息。傳統(tǒng)的測溫工具只能在任何給定時間內(nèi)測量某個點的溫度，要測試全范圍的溫度，點式傳感器只能在井中來回移動才能實現(xiàn)，不可避免地對井內(nèi)環(huán)境平衡造成影響。光纖分布式溫度傳感器的優(yōu)勢在于光纖無須在檢測區(qū)域內(nèi)來回移動，能保證井內(nèi)的溫度平衡狀態(tài)不受影響。而且由于光纖被置于毛細鋼管內(nèi)，因此凡毛細鋼管能通達的地方都可進行光纖分布式溫度傳感器測試。

　　最廣泛地應用于井下監(jiān)測應用的光纖傳感器之一就是喇曼反向散射分布式溫度探測器，這種方法已經(jīng)在測量井筒溫度剖面（特別是在蒸汽驅(qū)井）中，得到了廣泛的應用。分布式溫度傳感器要綜合考慮測量的點數(shù)和連接器衰減，遇到的問題和解決方法為：

　　a.光纖以及連接器對信號的衰減問題，解決的方法為盡量減少連接器的數(shù)目、采用布喇格光纖光柵傳感器以及改進連接器的性能；

　　b.井下安裝時容易損壞，解決的方法為配備熟練工人、光纖傳感器需要外部保護層、減小應力（包括射孔和溫度引起的應力）。對于光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)，英國Sensa公司一直處于技術(shù)領先地位，有一系列產(chǎn)品問世，而且與各大石油公司合作，積極探索光纖分布式溫度傳感器在石油井下的應用。CiDRA公司也一直在研究光纖溫度傳感器，目前該公司的溫度傳感器技術(shù)指標為：測量范圍0℃~175℃，準確度±1℃，分辨率0.1℃，長期穩(wěn)定性±1℃/yr（150℃下連續(xù)使用）。

　　目前的光纖溫度、壓力傳感器的最主要的缺點之一就是溫度壓力交叉敏感特性，如何消除或者利用這種交叉敏感特性是研究的熱點。

　?。?）多相流監(jiān)測

　　為了做好油藏監(jiān)控和油田管理，最關鍵的環(huán)節(jié)是獲得生產(chǎn)井和注水井穩(wěn)定可信的總流量剖面和各相流體的持率。然而，大多數(shù)油井分層開采，每層含水量不同，而且有時流速較大，給利用常規(guī)生產(chǎn)測井設備測量和分析油井的生產(chǎn)狀況帶來了巨大的困難。液體在油管中的摩阻和從油藏中向井筒內(nèi)的噴射使得壓差密度儀器無法準確測量，電子探頭更是無法探測到液體中的小油氣泡。

　　光纖測量多相流有兩種方法，第一種是美國斯倫貝謝公司的持氣率光纖傳感儀，該儀器能直接測量多相流中持氣率。其四個光纖探頭均勻地分布在井筒的橫剖面中，其空間取向方位可用一個集成化的相對方位傳感器準確測量，在氣液混合物中，通過探頭反射的光信號來確定持氣率和泡沫數(shù)量（這二者與氣體流量相關聯(lián)）。此外，利用每個探頭的測量值來建立一種井中氣體流動的圖像，這些圖像資料特別適用于斜井和水平井，可以更好地了解多相流流型以及解釋在傾斜條件下這些流型固有的相分離。最近，這種儀器已在世界各地成功地進行了測井實驗。它提供的資料能直接測定和量化多相混合物中氣體和液體，能準確診斷井眼問題，并有助于生產(chǎn)調(diào)整。儀器通過了三口井的現(xiàn)場測試。

　　第二種是通過測量聲速來確定兩相混合流的相組分，因為混合流體的聲速與各單相流體的聲速和密度具有相關性，而這個相關性普遍存在于兩相氣/液和液/液混合流體系統(tǒng)中，同時也適用于多相混合流系統(tǒng)。根據(jù)混合流體的聲速確定各相流體的體積分數(shù)，就是測量流過流量計的各單相體積分數(shù)（即持率測量）。某一流體相持率是否等于該相流動體積分數(shù)，取決于該相相對于其它相是否存在嚴重的滑脫現(xiàn)象。對于不存在嚴重滑脫的油水兩相混合流系統(tǒng)，可以用均勻流動模型進行分析；對于存在嚴重滑脫現(xiàn)象的流動狀態(tài)，則必須應用更完善的滑脫模型來解釋流量計測量的數(shù)據(jù)，才能準確地確定各相的流量。經(jīng)流動循環(huán)實驗表明：對于油水混合流體，流量計的長波長聲速測量可以確定各相體積分數(shù)（即持率），而不受流動非均質(zhì)性（如層狀流動）的影響。

　　CiDRA公司挖掘了光纖傳感器內(nèi)在的優(yōu)勢，開發(fā)了井下光相多相流傳感器。目前的樣品只局限在測量準均勻流體：如油、水兩相或油、水、氣三相（氣相體積份數(shù)小于20%）。為了考察這種新型的光纖多相流傳感器在生產(chǎn)井中測量油/水/氣三相的性能，CiDRA最近在一口測試井進行了實驗。在測試井中混合了油、水和氣體，混合物包括粘度為32API的油、 7%礦化度的水和礦廠天然氣（甲烷），測試溫度100oF，壓力《2.75MPa。在0%~100%含水率范圍內(nèi)，儀器測量誤差小于±5%，精度滿足要求。該流量計能夠確定原油和鹽水混合物中的持水率，在持水率全量程中其誤差為±5%以內(nèi)，滿足生產(chǎn)要求。而且除了能夠測量持水率之外，該儀器還測試了三相中氣體的體積含量，只是測試中油水的比例已知。結(jié)果表明，該儀器能夠求出以泡沫流流出型出現(xiàn)的液體中的氣體體積百分數(shù)。

　　2、聲波測量

　　與過去相比，勘探開發(fā)公司如今面臨更大的風險和更復雜的鉆井環(huán)境，因此獲得準確的地層構(gòu)造圖和油藏機理具有重要意義。目前使用的地震測量方法，如拖曳等浮電纜檢波器組、臨時海底布放地震檢波器和井下電纜布放地震檢波器等，能提供目的產(chǎn)油區(qū)域的測量，但這些方法具有相對高的作業(yè)費用，不能下入井內(nèi)或受環(huán)境條件的限制等，而且提供的圖像不全面、不連續(xù)，分辨率不是很高，因此難于實現(xiàn)連續(xù)實時油藏動態(tài)監(jiān)測。

　　基于光纖的井下地震檢波器系統(tǒng)能夠解決這些問題，它能提供整個油井壽命期間永久高分辨率四維油藏圖像，極大方便了油藏管理。這種井下地震加速度檢波器能接收地震波，并將其處理成地層和流體前緣圖像。

　　永久井下光纖3分量地震測量具有高的靈敏度和方向性，能產(chǎn)生高精度空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周圍地層圖像，在某些情況下測量范圍能達數(shù)千英尺。它在油井的整個壽命期間運行，能經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件（溫度達175℃，壓力達100MPa），且沒有可移動部件和井下電子器件，被封裝在直徑2.5cm的保護外殼中，能經(jīng)受強的沖擊和振動，可安裝到復雜的完井管柱及小的空間內(nèi)。此外，該系統(tǒng)還具有動態(tài)范圍大和信號頻帶寬的特點，其信號頻帶寬度為3Hz～800Hz，能記錄從極低到極高頻率的等效響應。

　　3、激光光纖核測井技術(shù)

　　激光技術(shù)和光纖技術(shù)可以用于研制井下傳感器，用于在充有原油和泥漿等非透明流體的井中進行測井。對于激光光纖核傳感器的研究在國外比較盛行，美國、德國、俄羅斯和比利時等國均有大量的有關研究論文。

　　激光光纖核傳感器是在光纖通信和光纖傳感器的基礎上產(chǎn)生的，它利用了光致?lián)p耗和光致發(fā)光等物理效應，比常規(guī)核探測器具有更多的優(yōu)越性，是典型的學科交叉。光纖核測井技術(shù)，實際上就是在特定的環(huán)境下的核探測技術(shù)，其典型的優(yōu)點為：

　　（1）可以針對不同的核探測的能級范圍，研制在該范圍的敏感探頭。

　　（2）因為應用了光致發(fā)光效應，可使探頭位于千米的井下，而光電倍增管由傳輸光纜相連置于井上，遠離了惡劣的井下環(huán)境（高溫高壓），從而延長其的使用壽命。

　?。?）光纖具有高速率、大容量傳輸能力，還能搭載其他井下儀器信號。

　　然而，激光光纖核探測器也有缺點，主要表現(xiàn)在耐高溫和承受高壓的保護涂層、傳輸光纜的機械強度以及耐輻射的傳輸光纜低衰減損耗。

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　　三、結(jié)論與展望

　　從本文的分析可以看出，光纖傳感器以其獨特的優(yōu)勢，可以廣泛應用于石油天然氣井下的儲層參數(shù)監(jiān)測（包括溫度、壓力和多相流）、聲波檢測和激光光纖核測井之中，極大地豐富了石油和天然氣公司對儲層的了解，便于優(yōu)化油氣田開采和維護。值得一提的是，該系統(tǒng)能夠及時得到注采的注水壓力和溫度，從而判斷壓力是否超標，從而預防由于壓力超標導致的套管損壞，這是一個全新的領域，國內(nèi)外關于此方面尚未有報道和介紹。

　　到目前為止，全世界各大石油生產(chǎn)和服務公司都投入了巨資來研究和開發(fā)光纖傳感器在儲層評價中的應用，還有相當多的光纖傳感器研發(fā)機構(gòu)也致力于這一新興領域的工作?？梢栽O想，下一代光纖傳感器在克服自身的缺點和劣勢以后，將大面積推廣，能更有效地幫助實時了解油氣開采動態(tài)的水平。各大油田公司能夠充分利用這些有利的信息，實現(xiàn)和維持油田的最優(yōu)化生產(chǎn)，從而使油藏達到最高的采收率。同時，由于因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，光纖監(jiān)測的井況參數(shù)可以及時傳遞，這使得石油行業(yè)相關的生產(chǎn)和服務公司能夠更有效地分析和評價全世界的資產(chǎn)。