光纖傳感技術打開“光學油田”之門

□ 王 躍 薛詩桂

光纖傳感技術打開“光學油田”之門

□ 王 躍 薛詩桂

光纖傳感器技術是改變石油產業游戲規則的關鍵技術，“光學油田”是未來油田發展的必然趨勢。

□ 歷經改造的第一套流化催化裂化裝置。陳香生 攝

超聲地震物理模擬實驗，是石油勘探開發技術的重要手段之一，屬油氣勘探的相關基礎研究領域。更高精度的三維地震模型技術發展的要求，促使人們試圖在目前廣泛使用的壓電傳感技術之外，尋找和采用品質相對更高的傳感技術，以增強實驗中精確接收探測信號的能力。于是，一種稱之為光纖光柵的傳感技術開始進入研究人員的視野。

物探院積極研究光纖傳感在地震物理領域的應用

相對于傳統電學傳感器，光纖傳感器以其體積小、靈敏度高、耐酸堿腐蝕、抗電磁干擾能力強、不產生電火花，以及可實現分布式、實時在線、永久性監測等特點，引起眾多科研工作者的廣泛關注。

目前，將光纖光柵傳感振動探測技術應用于超聲地震物理模擬領域，國內外尚無先例。

2013年初，物探院在清華大學精儀系的技術支持下，在該院近30年地震物理模擬實驗技術發展的基礎上，率先將該技術引入超聲地震物理模擬技術領域：利用光纖傳感器制作了可用于超聲檢測的振動探針系統；攻克了多項基于光纖光柵傳感的超聲振動測量關鍵技術；結合波分復用技術，構建了光纖光柵傳感網絡，探索了一種新型的多點多通道網格式的數據采集方式，獲得了寬頻帶、高靈敏度的超聲地震物理模擬實驗記錄；實現了地震物理模型的超聲連續采集，從根本上突破了傳統壓電傳感的限制，形成了領先全球的基于光纖光柵傳感的超聲地震物理模擬實驗技術。

今年4月，物探院承擔的“基于光纖光柵傳感的超聲地震物理模擬技術”項目，通過中國石化科技部鑒定委員會技術成果鑒定，獲得“整體研究達到國際領先水平”評價。承擔該項目的技術人員，今年已圍繞該技術申請國家專利7項，申請專有技術1項。該技術有望在油氣勘探開發的多個領域如油井監測、應力應變和溫度監測等進行推廣應用。

光纖怎么傳“感”

廣義上講，傳感器是一種能感知外界信息并能按一定規律將這些信息轉換成可用信號的裝置，它由感知元件和轉換元件兩部分組成。如溫度傳感器，它的功能就是將傳感器的熱敏感知元件與被測體接觸，再將從被測體獲得的溫度變化由轉換元件轉換為可用的電信號，從而精確實時地獲取被測體的溫度值。感知元件據其感知功能可分為熱敏、光敏、氣敏、力敏、磁敏、濕敏、聲敏、放射線敏、色敏和味敏等十大類元件。而轉換元件的輸出形態通常只有一種，就是電信號。

光纖技術是人類21世紀最偉大的發明之一。通常，人們只知道光纖可以傳“信”（如網絡通信），傳“光”（如醫療內窺鏡技術），其實它還有傳“能”（如將電能轉換成激光能，通過光纖輸入到另一端的太陽能轉換器）和傳“感”等功能。

光纖怎么傳感？研究人員在一根石英制成的光纖上，用紫外光在其橫向上像切香腸一樣切出一組組橫疊成串的“香腸片”（光柵刻寫）。由于這種橫切是一種納米級的激光光刻裁切，因此從外形上看，整個光纖體并沒有因此斷開成片狀，但在實際使用中，它的物理特性已經發生了變化。當用一束光從光纖一端穿過這一疊密密排列的“香腸片”（10mm的光纖光柵含有10000個在纖芯中規則分布的微小的反射鏡面）時，會形成光學上的光柵效應。當外界的溫度、應變等物理因素作用在這種光纖光柵體上時，光柵的柵距（“香腸片”間的距離）會隨之呈微小的線性變化，進而使得投射在光柵反射鏡面上的光的反射波的波長隨柵距變化而發生相應地放大了的線性變化。也就是說，光纖光柵反射光的中心波長取決于光柵的條紋間距，光柵的條紋間距又取決于外界的溫度或施加的應變。這種超敏感的由溫度或應變壓力等引起光柵反射光的中心波長變化的效應，就是我們用來傳感的原理，由此發展出的一門技術就是所謂的光纖光柵傳感技術。

光纖的直徑大約在100微米左右，因此光纖傳感器的體積非常小，可實現高精度定位；光纖光柵可以實現納米應變量級的測量，具有非常高的探測靈敏度。同時，與普通機械、電子類傳感器相比，光纖光柵具有抗電磁干擾，響應頻譜寬，電絕緣性能好，耐腐蝕，體積小，質量輕，幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，測量范圍廣（可測量溫度、壓強、應變、應力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度等）等許多優點。特別是相對壓電式傳感器，光纖光柵在低頻范圍具有更好更平坦的相移。基于光纖光柵的超聲波測量技術可望減少超聲地震物理模型的測量時間，提高測量靈敏度、定位精度和數據采集效率。光纖傳感器的寬頻帶、高精度、大動態范圍等特點，對改進未來地震物理模型，使其更加接近野外實際勘探條件起著重要推動作用。

“光學油田”是未來油田發展的必然趨勢

物探院將光纖光柵傳感技術應用于地震物理模型實驗，只是光纖傳感技術成功應用的一個側面。

光纖傳感器因其優良的品質，幾乎可應用于石油工業的各個環節，包括陸上油田和海上油田的勘探開采，以及石油的冶煉、化工、儲存、運輸。光纖傳感器在油田工業中的巨大市場前景和優良特性，使人們意識到它將對石油工業產生革命性的推進，因此有人提出了“光學油田”的概念。

所謂“光學油田”，就是利用光纖的傳“信”傳“光”，特別是傳“感”等性能，實現整個油田的智能化網絡綜合管理。在智能網絡化油田中，光纖傳感器可以實現對石油勘探的開采、冶煉、運輸、基建，以及后勤設施的實時在線監控，并把信號通過光纖傳輸到中央控制室中，在控制室內管理人員根據采集到的信息可以實時對整個工業區進行高效的統一管理。

光纖傳感器的優點，蓬勃發展的市場和美好的應用前景，引起了一些國際著名石油公司的密切關注，他們投入了巨大的人力、物力進行油田用光纖傳感器的開發，促進了石油生產的進步和發展。未來科技的發展將會把油田中所有傳統的基于電學的傳感器轉換為光學傳感器。光纖傳感器技術是改變石油產業游戲規則的關鍵技術，“光學油田”是未來油田發展的必然趨勢。

（作者單位：物探院）