油氣行業(yè)中分布式光纖傳感器的應(yīng)用實(shí)例

油氣行業(yè)可以分為三大部門，即上游、中游和下游（如圖1所示），目前各個(gè)部門面臨著不同的運(yùn)營挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化和控制三個(gè)部門內(nèi)的各種應(yīng)用，對(duì)諸如溫度、振動(dòng)、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)控是有必要的。本文將簡要介紹一些具有代表性的技術(shù)實(shí)例來說明碳?xì)浠衔锏墓艿肋\(yùn)輸以及井下的挑戰(zhàn)。

圖1 石油和天然氣行業(yè)的上、中、下游部門

在儲(chǔ)層評(píng)估的早期測量中，可以使用分布式聲學(xué)傳感系統(tǒng)（DAS系統(tǒng)）記錄所獲取鉆孔地震數(shù)據(jù)。這是通過執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)電纜作業(yè)的同時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)有線電纜（包含附加光纖）實(shí)現(xiàn)DAS數(shù)據(jù)的記錄。DAS鉆孔地震采集可以在井的早期提供數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)地表地震圖像的深度，從而影響完井策略。

在石油和天然氣的生產(chǎn)過程中，需要考慮井下發(fā)生的動(dòng)態(tài)過程以減少水的產(chǎn)出。在生產(chǎn)井的有效期，越來越多的水進(jìn)入井筒占用了石油和天然氣的流動(dòng)空間，導(dǎo)致了水產(chǎn)量增加，碳?xì)浠衔锏漠a(chǎn)量減少。而將DAS與分布式溫度傳感（DTS）在井下相結(jié)合使用，就能夠識(shí)別進(jìn)入的水源。DAS可以用來確定聲速（壓力波在流體中傳播的速度），而聲速是根據(jù)油管內(nèi)流動(dòng)的油、水和氣體的比例而變化，例如：水中的聲速比油中的聲速快。因此，可以利用DAS技術(shù)獲得流動(dòng)相并確定進(jìn)水口位置。此外，由于流體從儲(chǔ)層壓力轉(zhuǎn)變到井筒壓力會(huì)引起壓力降，這將產(chǎn)生冷卻效應(yīng)（如果游離氣體進(jìn)入井筒）和摩擦加熱效應(yīng)（如果流體進(jìn)入井筒），以及考慮到油、氣和水的熱性質(zhì)變化，使用DTS系統(tǒng)提供的連續(xù)溫度剖面就可以定位進(jìn)水點(diǎn)。

在運(yùn)輸過程中，管道是至關(guān)重要的，因?yàn)樗鼈兿驘捰蛷S提供原始油氣的長途運(yùn)輸，并分別向中游和下游部門的終端用戶提供石油產(chǎn)品。相較于鐵路、卡車和船舶，管道能提供更大容量的碳?xì)浠衔锏倪B續(xù)運(yùn)輸，且更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)。因此，強(qiáng)烈建議通過監(jiān)測管道沿線的泄漏、變形和侵入來確保管道的完整性。而由于使用監(jiān)控?cái)z像頭和人工監(jiān)督都難以監(jiān)控長達(dá)數(shù)千公里的管道，因此應(yīng)該優(yōu)先采用分布式傳感技術(shù)來監(jiān)控管道。

上述的典型例子證實(shí)了感知油氣行業(yè)中各種參數(shù)的必要性。然而，所使用的傳感器必須經(jīng)過設(shè)計(jì)才能適應(yīng)該行業(yè)惡劣的環(huán)境條件。這是因?yàn)樵诰碌臏囟群蛪毫梢苑謩e達(dá)到200℃和2000 bar。在其他情況下，比如當(dāng)向井筒注入蒸汽（為了降低重油的粘度并提高回收率）時(shí)，井下溫度會(huì)超過300℃。此外，井下傳感器還可能會(huì)暴露在振動(dòng)、沖擊、腐蝕性化學(xué)物質(zhì)和流體浸泡中。而且，管道還可能向沙漠、深海海底和極地輸送石油和天然氣。

雖然電子傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于石油和天然氣行業(yè)，可電子設(shè)備卻被認(rèn)為是導(dǎo)致永久性井下測量和控制系統(tǒng)失效的重要原因之一。這是由于油氣井電子設(shè)備的可靠性會(huì)隨著井下溫度升高而逐步下降，而且石油和天然氣行業(yè)的預(yù)期產(chǎn)品壽命通常是5年或更長久，因此，在許多石油應(yīng)用中根本不可能使用電子傳感器。此外，電子傳感器是一種有源設(shè)備，需要消耗電能才可以運(yùn)行，這會(huì)引起了石油和天然氣行業(yè)的安全問題。

相比之下，得益于光纖的固有特性，光纖傳感器已經(jīng)在許多石油和天然氣應(yīng)用中得到部署并取得成功。其中一個(gè)重要特點(diǎn)是光纖能夠在惡劣的條件下有效地運(yùn)行，這非常適合應(yīng)用于井下傳感（通過將光纖延申到井下并在地表鋪設(shè)光電傳感設(shè)備）。此外，光纖尺寸小，具有抗電磁干擾能力且傳感位置不需要電流，非常符合油氣行業(yè)的安全要求。另外，光纖還具有遠(yuǎn)距離監(jiān)測物理參數(shù)的能力（管道監(jiān)測和井下傳感所必需的能力）。

光纖傳感器可分為三類：單點(diǎn)傳感器、準(zhǔn)分布式傳感器和分布式傳感器。最初，光纖傳感器是作為點(diǎn)式傳感器被開發(fā)的，它沿著光纖監(jiān)測一個(gè)位置的環(huán)境參數(shù)。后來各種類型的單點(diǎn)光纖傳感器被推廣，包括基于光柵的傳感器（布拉格光柵FBG、長周期光柵LPG等）和干涉?zhèn)鞲衅鳎ǚú祭?珀羅、馬赫-森德等）。

隨著光的多路復(fù)用技術(shù)發(fā)展，如波長復(fù)用、時(shí)間復(fù)用和空間復(fù)用，離散的單點(diǎn)傳感器陣列可以沿著光纖進(jìn)行多路復(fù)用，形成一個(gè)準(zhǔn)分布式光纖傳感器。在石油和天然氣行業(yè)，單點(diǎn)和準(zhǔn)分布式光纖傳感器已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，主要需要對(duì)沿管道或井下的聲學(xué)、溫度和（或）壓力進(jìn)行離散監(jiān)測，例如管理井壓降和井內(nèi)壓力測量，以確保完井有效性、提供壓力累積數(shù)據(jù)、層間生產(chǎn)分配、生產(chǎn)率指數(shù)確定以及在井上升過程的監(jiān)測。

然而，在技術(shù)和成本方面，單點(diǎn)和準(zhǔn)分布式光纖傳感器都不適用于需要連續(xù)空間傳感的石油應(yīng)用（類似于碳?xì)浠衔锪鞯木卤O(jiān)測、流體注入、蠟堆積和管道泄漏的監(jiān)測）。相比之下，因?yàn)楣饫w本身就是傳感器，分布式光纖傳感器可以通過監(jiān)測整個(gè)光纖長度的環(huán)境參數(shù)來提供豐富的信息。除了上述優(yōu)點(diǎn)外，分布式光纖傳感器還可以連續(xù)且實(shí)時(shí)地測量數(shù)十公里范圍的傳感參數(shù)，這大大降低了整體傳感成本。

在上游部門（圖1中負(fù)責(zé)勘探和生產(chǎn)的部門），通過在井下安裝光纖來傳遞有關(guān)井和儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)，分布式光纖傳感器可被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如地震剖面、水力裂縫分析、流量監(jiān)控、套管泄漏檢測、氣舉優(yōu)化設(shè)計(jì)與診斷等（如圖2）。

另一方面，分布式光纖傳感器可以通過將光纖連接或者靠近管道表面，監(jiān)測管道的入侵、泄漏和變形情況（如圖3）。

圖3 沿管道的分布式光纖傳感器應(yīng)用實(shí)例

被廣泛應(yīng)用于油氣行業(yè)的分布式光纖傳感器，其工作原理主要是基于光學(xué)散射（瑞利散射、布里淵散射或拉曼散射等）。一般來說，光散射是一個(gè)發(fā)生在所有角方向上的隨機(jī)統(tǒng)計(jì)過程。光纖中自發(fā)光散射的典型光譜（如圖4），包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。

圖4 自發(fā)光散射的典型光譜

在光纖制造過程中，二氧化硅分子以熔融狀態(tài)移動(dòng)，然后隨機(jī)凍結(jié)，導(dǎo)致了沿光纖的密度波動(dòng)。密度漲落在小于光學(xué)波長的尺度上引起折射率的隨機(jī)變化，從而引發(fā)了瑞利散射。瑞利散射是一種彈性現(xiàn)象，即入射光不將能量傳遞到玻璃上，且入射光與散射光之間沒有頻移。與之相反，布里淵和拉曼散射是由光子-聲子相互作用產(chǎn)生的，因此聲學(xué)（光學(xué)）聲子參與了布里淵（拉曼）散射，二者都是非彈性現(xiàn)象，即散射光的頻率與入射光的頻率發(fā)生偏移（見圖4）。

在瑞利峰的中心，布里淵散射和拉曼散射的下移和上移光譜分量，分別稱為斯托克斯分量和反斯托克斯分量。在圖4中，可以觀察到的最后一個(gè)散射現(xiàn)象是瑞利散射，由散射介質(zhì)的各向異性分子取向的波動(dòng)產(chǎn)生。

根據(jù)介質(zhì)在散射過程中光學(xué)性質(zhì)的變化，光學(xué)散射可分為自發(fā)散射和受激散射。自發(fā)散射不會(huì)改變介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)，通常發(fā)生在低水平的入射光強(qiáng)度。當(dāng)入射光的強(qiáng)度增大到改變介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)時(shí)，散射就會(huì)受到刺激。換句話說，從自發(fā)散射到受激散射的轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)著介質(zhì)從線性光學(xué)體系到非線性光學(xué)體系的變化，二者都為用于石油和天然氣工業(yè)以及其他應(yīng)用的分布式光纖傳感器提供了各種功能。

通過此部分內(nèi)容，我們回顧了分布式光纖傳感器在石油和天然氣行業(yè)中的部署，重點(diǎn)介紹了廣泛應(yīng)用于油氣行業(yè)的光纖瑞利散射的 DAS和拉曼散射DTS的工作原理及石油應(yīng)用。然后，我們將描述一個(gè)我們?cè)O(shè)計(jì)的基于多模光纖（MMF）的混合DAS-DTS系統(tǒng)。在這個(gè)混合系統(tǒng)中，使用了單一訊問傳感器，首次在油井中同時(shí)測量振動(dòng)位置和頻率以及溫度剖面。接下來，我們將簡要介紹光纖布里淵分布式溫度和應(yīng)變傳感（DTSS）的工作原理和石油應(yīng)用（與DAS和DTS相比，DTSS在油氣行業(yè)中使用較少）。

該綜述進(jìn)一步闡明了服務(wù)于石油和天然氣行業(yè)的商用光纖DAS、DTS和DTSS產(chǎn)品。最后，我們將指出阻礙油氣行業(yè)分布式光纖傳感器市場發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，并進(jìn)一步討論該傳感技術(shù)的未來發(fā)展方向。

編輯：黃飛

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