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隨著石油價格的上漲，能源公司正在傾向于使用光纖傳感器監(jiān)測井下石油以及地熱環(huán)境的溫度和壓力，以實現(xiàn)最大化的資源開采。

      作者：Gail Overton，資深編輯

       能源供應商正不斷探索新方法，以提高油井的產量，最大限度地開采現(xiàn)有的能源資源。^[1,2]光纖傳感器是用于井下石油和地熱儲層、油井以及管道監(jiān)測的一種既定方法，其能夠提供相關的溫度和壓力信息（很快也能提供化學分析），以便最大限度地開采資源。

不幸的是，井下惡劣的環(huán)境使得光學元件很難使用：極高的溫度與壓力、強烈的振動以及腐蝕性化學物質的充斥，在一定程度上限制了光學元件和相關的前端測量設備的使用。然而，一些光學技術正在向環(huán)境苛刻的井下傳感應用發(fā)起挑戰(zhàn)。

圖1：隨著可用的能源資源的深度不斷增加，井下的溫度和壓力也會隨之增加，需要采用新的技術來開采資源，如用于油砂資源復原的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術。在該項技術中，用光纖監(jiān)視溫度和壓力以優(yōu)化燃料復原過程。

苛刻的條件

“盡管人們在20世紀80年代就已經(jīng)開始使用了一些小型試驗裝置，但是在現(xiàn)有的數(shù)以萬計的陸地、海岸以及海底石油和天然氣井中，光學傳感器的安裝數(shù)量還相對較少。”Qorex LLC公司創(chuàng)始人山兼技術市場營銷與業(yè)務開發(fā)負責人Paul Sanders說道。^[3]但是，隨著一些油井的干涸，能源供應商正在寄希望于從巖頁油和含油砂中開采出可用油，這通常需要向這些資源中直接注入熱量、蒸汽和/或化學物質，以實現(xiàn)其表面可用的石油和天然氣的復原（見圖1、圖2）。

圖2：位于加拿大的一個蒸汽輔助重力泄油（SAGD）井正在部署井下傳感器，光纜與一個大型繞管和其他傳感器集成在一起。整個傳感器“串”用服務鉆機注入井下。

“光學傳感器在高溫、熱恢復（thermal recovery）應用中是至關重要的，其能幫助人們更加清晰地了解到地表以下的情況，以優(yōu)化資源開采，并確保油井的完好無損，這主要是出于安全和環(huán)境方面的考慮。”Sanders說道，“用于現(xiàn)場瀝青復原的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）等處理過程，正在驅動光學傳感器的采用，這些傳感器能在250~300℃之間的高溫下工作。此時，光​​纖傳感技術比傳統(tǒng)的傳感技術變得更加引人注目。”

“除了千巴的壓力和超高的溫度外，擴散到玻璃傳感光纖核心的氫氣（這種現(xiàn)象被稱為氫變黑）多年來一直在阻礙著光纖傳感系統(tǒng)在井下的實際使用。”Intelligent Fiber Optic Systems公司總裁Fereydoun Faridian說道，“幸運的是，現(xiàn)代的純硅光纖幾乎不會產生上述現(xiàn)象，而且其改善的密封涂層和包裝技術，可使光纖在高達700℃的溫度下工作。”
 

傳感方法

“大多數(shù)井下光學傳感系統(tǒng)使用拉曼分布式溫度傳感（DTS）技術。”Faridian說，“在一個光子和一個物質分子之間的非彈性拉曼相互作用中，物質分子可能從光子處獲得能量（斯托克斯散射），也可能將能量釋放給光子（反斯托克斯散射）。后一種情況的出現(xiàn)對溫度有具有更多的依賴性，并用于沿著光纖的長度測量溫度，光纖能夠深入到井下幾公里處，測量的深度誤差為1m米，溫度分辨率為1℃。知道了溫度梯度可以告訴你，你在哪里處于蒸汽（或熱水）輔助的生產井中（見圖3）。此外，溫度梯度的沿著井深的意外變化，可以查明套管斷上存在的故障。”
      

圖3：圖中顯示了光纖分布式溫度傳感在一個水平的熱回收井中具備的獨特的時間、溫度、位置數(shù)據(jù)能力。沒有其他傳感器技術能夠提供實時、全面的井筒監(jiān)測。

“拉曼DTS、布里淵分布式溫度與應變傳感（DTSS）以及光纖布拉格光柵（FBG）光學傳感器，都可以提供分布式溫度、應力、流量和壓力傳感，”GE全球研究中心的高級光電系統(tǒng)工程師和物理學家Hua Xia說，“其中最常見的是拉曼系統(tǒng)，因為它們對應力不敏感。布里淵DTSS測量反向散射信號的頻移和強度，以監(jiān)測應力和溫度。FBG測量滿足布拉格共振條件的反射光的波長。反射的峰值波長響應FBG的溫度和應力的變化。^[4] 拉曼和布里淵提供連續(xù)的傳感，空間分辨率為0.1~1m，而FBG提供分布式或準分布式傳感，空間分辨率精確到0.01m。”

這些傳感技術不僅在功能上有所不同，而且在價格和復雜性方面也各不相同。“拉曼系統(tǒng)的價格為5~10萬美元，布里淵DTSS系統(tǒng)的價格為10~15萬美元，F(xiàn)BG系統(tǒng)的價格為1.5~2.5萬美元。”Xia說“由于光纖本身就是傳感器，光纜就是拉曼系統(tǒng)和布里淵系統(tǒng)需要的所有東西。然而，F(xiàn)BG傳感器必須要在光纖內刻線，然后將每個FBG封裝為壓力、溫度、流量、震動或應力傳感器。制造一個具有多個封裝的FBG傳感器的光纜相對比較復雜，并且需要耗費更多的精力和資金。”

 為期兩年的由美國能源部（DoE）資助的一個為期兩年的價值260萬美元的項目，該項目于2010年1月發(fā)起，的項目，Xia是該項目組的一個成員。該項目旨在開發(fā)一個光學傳感器套件，用于測量地熱井的分布式溫度和壓力。^[5]該系統(tǒng)必須在高溫（374℃）和高壓（220巴）環(huán)境下策略，并且在深度達10km的井下測量，要求壓力測量精度小于1%，長期漂移小于1%。
 

 商業(yè)選擇

“拉曼DTS被光纖光柵技術追隨，作為下一個最先進的井下環(huán)境中使用的光學傳感器技術。”Sanders說，“FBG用于兩個基本情況中：作為點應力和溫度傳感元件，F(xiàn)BG是眾所周知的，并且建造主要用于應力和聲換能器的干涉?zhèn)鞲衅�。最近，為了井下應用進行了改善，F(xiàn)BG被用作分布式多點傳感器，以監(jiān)控關鍵的生產間隔和海底海床設施。”幸運的是，使用一臺掃描激光器（來自Micron Optics公司）的FBG詢問儀器，例如，也可以受惠于來自Alphion等公司的半導體光放大器（SOA）。SOA能夠為距離頭端50英里（盡管很多井下傳感器的深度小于5英里）遠處的數(shù)百個分布式FBG傳感器的同步、高采樣率測量放大激光輸入信號。

由加拿大OZ Optics公司提供的光學布里淵光時域分析（BOTDA）系統(tǒng)，使用一條雙向光路中的兩個反向傳播的光束的受激布里淵散射（SBS），能夠同時測量應力和溫度，這一點與點對點FBG傳感器不同。布里淵獲得± 2μstrain的精度和± 0.1℃的溫度精度，以及0.1m的空間分辨率。相比之下，分布式FBG系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)分別為±1μstrain和±0.4℃。

“我們的Raman-OFDR（光頻域反射計）已經(jīng)在2200多個系統(tǒng)中安裝使用，而且其也是目前市場上唯一的頻域DTS系統(tǒng)，同時它也是目前最具成本效益的系統(tǒng)。”德國LIOS公司石油和天然氣上游部門大客戶經(jīng)理Daan Van Laar說。Raman-OFDR采用一臺可調制到不同頻率的連續(xù)波（CW）激光器，而不是使用在Raman-OTDR中使用的脈沖激光器。通過在一定頻率范圍內測量反斯托克斯（anti-Stokes）和斯托克斯拉曼（Stokes Raman）信號的振幅和相位，進而產生頻率分布（Frequency profiles），因此，對頻率分布進行傅立葉逆變后，便獲得了與時間和距離相關的拉曼信號。然后，這些信號將用于計算沿光纖分布的空間溫度profiles。“Raman-OFDR的主要優(yōu)點是：采用連續(xù)波激光器能在中等激光峰值功率下實現(xiàn)高信號水平，這不但有助于延長激光器的使用壽命，同時也是非常經(jīng)濟的外差檢測方案。”Van Laar補充說。

“受益于光纖傳感的一個主要應用是井下泵的監(jiān)視，”加拿大Photon Control公司首席技術官Ivan Melnyk說，“泵被放置在垂直井段的盡頭，以將原油泵出來。除了極其惡劣的壓力和溫度條件，沙粒也會阻塞管道，導致泵的過早老化。泵的更換是一個非常昂貴的過程，除了泵本身高昂的成本外，它們的搬運也要耗時耗力，并將導致工作的中斷。”對于泵現(xiàn)場的溫度和壓力監(jiān)測，Photon Control公司采用基于白光干涉的專利技術，其能使用光學方法測量5km遠處、溫度高達300℃環(huán)境下的兩個平行表面的一個微小位移。使用Photon Control公司的光譜分析儀，井下測量使用專利的光譜檢波技術，測量范圍750~800nm。

“在井下應用中，光學傳感的一個最重要的優(yōu)勢是：能夠在高溫下工作，使用壽命能與井的壽命相當，能夠在超出電子測量儀器競爭能力的環(huán)境中永久性的部署光學傳感系統(tǒng)。”Weatherford公司光學傳感系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)理Domino Taverner說。Weatherford公司提供拉曼DTS、FBG壓力/溫度點傳感器，以及干涉多相流量計和地震系統(tǒng)。“這些傳感系統(tǒng)可以在一個1/4英寸的光纜中的多種配置中實現(xiàn)復用，為惡劣環(huán)境中的多個區(qū)域提供多參數(shù)傳感器的永久性部署。這些不同的光學傳感技術的結合，為客戶提供了最有用的信息和價值。”

 超越石油

“IFOS已經(jīng)致力于為我們的石油和天然氣客戶開發(fā)三個系統(tǒng)：拉曼DTS系統(tǒng)、實時寬帶光纖光柵壓力傳感器、以及用于定向鉆井和鉆井作業(yè)測量的光纖陀螺儀。”Faridian說，“但是我們的FyberSpace側面拋光技術平臺，實現(xiàn)了許多物理、化學、甚至是生物光學傳感器的制造，同時也實現(xiàn)了諸如tap耦合器和偏光器等光學元件的制造。我們正在與美國航天局和國防部做一些獨特的工作，但同樣令人興奮的是，我們與DoE合作，進行風力渦輪機葉片健康監(jiān)測與優(yōu)化。然而，最具挑戰(zhàn)性的工作是小型化光學傳感器，并將它們裝配到活檢針和醫(yī)用導管中，以在影像輔助手術中用于插入動脈和靜脈。”

Faridian總結說：“不管是進入到5km的油井中，還是進入到5cm的惡性腫瘤中，面臨的挑戰(zhàn)都是一樣的：既要讓光學傳感器工作，并且工程又要創(chuàng)造特性和好處，其能為領先的行業(yè)用戶提供一個可持續(xù)發(fā)展的應用優(yōu)勢。” 

       參考文獻

1. "MarketBeat 4Q10," Cushman & Wakefield, http://bit.ly/gSITLQ.
2. "Oil to Reach $100 on OPEC Capacity drop, Goldman Says," BusinessWeek online, http://buswk.co/i1bTM1 (Dec. 22, 2010).
3. P. Sanders, Opt. & Photon. News (OPN), 22, 1, 36–42 (January 2011).
4. H. Xia, US Patent 7,574,075 (Aug. 11, 2009).
5. W. Challener et al., "Subsystem design and validation for optical sensors for monitoring enhanced geothermal systems," Proc. 36th Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, SGP-TR-191, http://bit.ly/hZaHft (Jan. 31–Feb. 2, 2011).