油田開發中的光纖傳感技術

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光纖傳感器技術是隨著光纖實用化和光通信技術的發展而形成的，在20世紀90年代得到飛速發展。光纖傳感器與傳統的電學傳感器相比有著許多優點，如結構簡單、體積小、靈敏度高、電絕緣、耐酸堿腐蝕、抗電磁干擾能力強、可實現分布式實時在線檢測以及對被測物質干擾小等。光纖傳感器的這些優點特別符合油田發展的需求，得到了石油行業科技工作者的廣泛重視，在油田上得到了廣泛開發和應用，用于各種參數測量的光纖傳感器相繼被研究和推廣。

技術研發歷程

光纖傳感器技術研究最早開始于1977 年。早期的光纖傳感器因為存在價格昂貴、技術不夠成熟等問題，在工程上沒有得到廣泛的應用。光纖傳感技術可進行溫度、壓力、形變、震動等參數的精確監測，光纖傳感技術具有極高的靈敏度和精度，良好的抗電磁干擾能力，高絕緣強度以及耐高溫、耐腐蝕、體積小、輕質、柔韌等優點。近年來隨著光纖傳感器技術的發展和工藝水平的提高，光纖傳感器的應用得到了大力推廣，很多國家不遺余力地加大對光纖傳感器的研究力度。光纖傳感器在機械、電子儀器儀表、航空航天、石油、化工、生物醫學、食品等工業領域的生產過程自動控制、在線檢測、故障診斷等方面有著廣泛的應用。

目前國內外在油氣井監測領域已經得到應用的光纖傳感技術包括：光纖溫度壓力計（點式）、光纖分布式溫度監測系統，以及二者復合使用。應用過程中油氣井生產部門發現光纖傳感技術具有壽命長、傳輸與監測距離長、耐高溫高壓、不受電磁干擾、可靠性高、井下無電等技術優點，并且經過了長期運行驗證。因此，在上述兩種光纖監測技術得到應用推廣的同時，光纖分布式聲波傳感技術應用于井下監測開始得到重視，多個國內外光纖研發機構開始投入研發，并于近年來取得了一定成果。

多彩的光纖傳感技術

1.溫度測量

采用純石英作為傳感光纖的纖芯材料，可有效防止氫氣的影響，耐溫高達300℃。采用純石英光纖芯，具有良好的耐高溫和抗氫性的光纖傳感裝置，可以成功地對油井內各產油層的情況進行實時監控，獲得巨大的經濟利益。

井溫是測井作業中的重要測量參數之一，準確的井溫測量對于地質資料解釋和油井生產情況監測都具有十分重要的意義。稠油開采是我國油田開發后期的重要增油措施，通過向地層注入高溫蒸汽進行蒸汽吞吐、蒸汽驅油是稠油開采的主要方法之一，實時在線監測井內溫度的變化對提高稠油開采效率和作業安全保障具有重要的意義。常規的電學測溫傳感器主要由于電阻發熱等原因，無法在高溫、高壓、強腐蝕環境下實現對井下溫度的永久性、分布式、實時在線監測。特別是在稠油開采中，300℃的井下高溫嚴重制約了傳統電學溫度傳感器的性能發揮。光纖溫度傳感器體積小、壽命長、柔韌性好、對被測溫度場干擾小、方便在空間結構復雜的井內安置，得到了廣大油田科研工作者的廣泛重視。

國內科研單位也對DTS測溫系統進行了相關的研究，并取得了可喜的成果。北京航空航天大學介紹了DTS2000分布式光纖測溫系統在石油測井中的應用，該系統的測溫精度達到±1℃ ，空間分辨率達到1m。遼河油田的科研工作者通過利用光纖測溫技術提高了稠油開采的效益。山東大學也對分布式光纖油井測溫傳感器進行了高溫測試試驗，并對信號去噪問題進行了專門的研究。

2.多相流參數測量

油井的不同層段或同一層段的不同部位，可能產出不同性質的流體。準確判斷井下任意深度流體的性質和流場參數，對于預測儲層產能、評價產層的性質具有非常重要的意義。

通過在一根光纖上集成多個FBG傳感單元，可以測量出光纖附近的壓強擾動信息。再運用聲吶處理技術就可以得到聲音在油井進液和出液中的傳播速度和對流壓強擾動的速度。根據聲速可推斷出流體的密度，再結合測得的溫度、壓強等信息就可以推斷出被測處油水混合物的組分比例和速度等信息。這也是光纖流量計發展的主線。在此鉆井環境下，傳感器可以實時向地面傳送高精度的井內流速、持水率、壓力和溫度等信息。

3.壓力測量

油藏壓力監測是測井中的一項重要內容，及時準確地獲得油井內的壓力信息對提高開采效率、預防可能發生的災難事故、維護油井作業安全等具有重要的意義。傳統的井下壓力監測傳感器主要是應變壓力計和石英晶體壓力計。由于井下復雜的工作環境，嚴重影響了這兩類傳感器的測量精度和長期可靠性。基于光纖的壓力傳感器因其本身的優越性特別適合在油井測溫中使用。

光纖光柵周圍的壓力變化可以調制光柵反射波長的大小，這是光纖光柵壓力傳感器的作用原理。傳感系統已經商業化。

4.聲波檢測

光纖聲波傳感器主要以光作為載體進行信號的采集和傳輸，可有效抵抗電磁波的干擾，因此得到了廣大科研工作者的廣泛重視。水聽器在海底石油勘探中起到重要作用，傳統的水聽器基于壓電陶瓷材料，輸出阻抗高，需要進行阻抗變換后才能與信號采集設備的輸入端匹配。且壓電陶瓷感應的地震信號非常微弱，無法遠距離傳輸，必須每隔幾個傳感器就設置一個采集站，或者采用對每個壓電傳感器進行原位數模轉換的方案?；诠饫w技術的水聽器采用光做信號的載體，線路損耗低，耐海水腐蝕且不需考慮短路的問題，非常適合在海洋石油勘探開發中應用。

光纖傳感器在油田勘探開發的其他方面也得到了大量的應用，比如各種易燃易爆有毒危險性氣體的檢測、pH值、濕度、核測試等。核測試技術能夠快速分析和確定巖石及其孔隙流體中各種化學元素的含量，在油田勘探開發中發揮了巨大的作用。光纖核傳感器的研究得到了國內外科研機構的廣泛關注。俄羅斯也開展了相關的基礎研究工作。我國自1993年開始，中科院聲學所、清華大學開展了激光光纖核探測器的預研工作。

前途廣闊的光纖技術

光纖技術在陸上油田的勘探開采、海上油田的勘探開采、冶煉化工、儲存運輸等方面都得到了大量的應用。油井內檢測方面，國際上已經有實用化的光纖傳感器。光纖傳感器的大量應用，造就了蓬勃的市場，石油行業對光纖傳感器的市場需求增長迅速。光纖傳感器在油田工業中的巨大市場前景和優良特性，使相關科研工作者意識到光纖傳感器的應用將會對石油工業產生革命性的推進，并提出了光學油田的概念。隨著光纖傳感器在石油工業中的大量應用，對實現整個油田的智能化網絡管理奠定了基礎。在智能網絡化油田中光纖傳感器可以實現對石油勘探、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，在控制室內管理人員根據采集到的信息就可以實時對整個工業區進行高效的統一管理。

光纖分布式聲波傳感技術可以很方便地將光纖溫度壓力計（點式）、光纖分布式溫度監測技術集成到一條光纜上。此光纜作為一個可擴展的技術平臺，同時完成溫度壓力單點測量、分布式測溫、分布式聲波等的測量，達到一纜多用的目的，增加了監測系統應用的靈活性。2016年1月，基于分布式光纖聲波傳感的井下多相流實時監測系統中海油深圳分公司西江23-1油田平臺A20H1井成功下井應用，初步驗證了其可行性。隨著技術和工藝的改進，該技術會取得更廣泛的應用。

光纖傳感器的優良特性也引起了國內廣大科研工作者的關注，這些相關的研究已經引起了人們對光纖傳感器在石油行業中應用的極大興趣和廣泛重視，在廣大科研工作者的共同努力下，國內對應用于石油行業的光纖傳感器的研究勢必會迅速發展并取得重大進步，為我國能源安全建設提供有力保障。