油田開發(fā)中的光纖傳感技術(shù)

■ 激揚

光纖傳感器技術(shù)是隨著光纖實用化和光通信技術(shù)的發(fā)展而形成的，在20世紀90年代得到飛速發(fā)展。光纖傳感器與傳統(tǒng)的電學傳感器相比有著許多優(yōu)點，如結(jié)構(gòu)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(xiàn)分布式實時在線檢測以及對被測物質(zhì)干擾小等。光纖傳感器的這些優(yōu)點特別符合油田發(fā)展的需求，得到了石油行業(yè)科技工作者的廣泛重視，在油田上得到了廣泛開發(fā)和應用，用于各種參數(shù)測量的光纖傳感器相繼被研究和推廣。

技術(shù)研發(fā)歷程

光纖傳感器技術(shù)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(shù)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(shù)可進行溫度、壓力、形變、震動等參數(shù)的精確監(jiān)測，光纖傳感技術(shù)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(zhì)、柔韌等優(yōu)點。近年來隨著光纖傳感器技術(shù)的發(fā)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(yī)學、食品等工業(yè)領域的生產(chǎn)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(nèi)外在油氣井監(jiān)測領域已經(jīng)得到應用的光纖傳感技術(shù)包括：光纖溫度壓力計（點式）、光纖分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)，以及二者復合使用。應用過程中油氣井生產(chǎn)部門發(fā)現(xiàn)光纖傳感技術(shù)具有壽命長、傳輸與監(jiān)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(shù)優(yōu)點，并且經(jīng)過了長期運行驗證。因此，在上述兩種光纖監(jiān)測技術(shù)得到應用推廣的同時，光纖分布式聲波傳感技術(shù)應用于井下監(jiān)測開始得到重視，多個國內(nèi)外光纖研發(fā)機構(gòu)開始投入研發(fā)，并于近年來取得了一定成果。

多彩的光纖傳感技術(shù)

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(nèi)各產(chǎn)油層的情況進行實時監(jiān)控，獲得巨大的經(jīng)濟利益。

井溫是測井作業(yè)中的重要測量參數(shù)之一，準確的井溫測量對于地質(zhì)資料解釋和油井生產(chǎn)情況監(jiān)測都具有十分重要的意義。稠油開采是我國油田開發(fā)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(qū)油是稠油開采的主要方法之一，實時在線監(jiān)測井內(nèi)溫度的變化對提高稠油開采效率和作業(yè)安全保障具有重要的意義。常規(guī)的電學測溫傳感器主要由于電阻發(fā)熱等原因，無法在高溫、高壓、強腐蝕環(huán)境下實現(xiàn)對井下溫度的永久性、分布式、實時在線監(jiān)測。特別是在稠油開采中，300℃的井下高溫嚴重制約了傳統(tǒng)電學溫度傳感器的性能發(fā)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(jié)構(gòu)復雜的井內(nèi)安置，得到了廣大油田科研工作者的廣泛重視。

國內(nèi)科研單位也對DTS測溫系統(tǒng)進行了相關(guān)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(tǒng)在石油測井中的應用，該系統(tǒng)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(shù)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(shù)測量

油井的不同層段或同一層段的不同部位，可能產(chǎn)出不同性質(zhì)的流體。準確判斷井下任意深度流體的性質(zhì)和流場參數(shù)，對于預測儲層產(chǎn)能、評價產(chǎn)層的性質(zhì)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(shù)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(jù)聲速可推斷出流體的密度，再結(jié)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(fā)展的主線。在此鉆井環(huán)境下，傳感器可以實時向地面?zhèn)魉透呔鹊木畠?nèi)流速、持水率、壓力和溫度等信息。

3.壓力測量

油藏壓力監(jiān)測是測井中的一項重要內(nèi)容，及時準確地獲得油井內(nèi)的壓力信息對提高開采效率、預防可能發(fā)生的災難事故、維護油井作業(yè)安全等具有重要的意義。傳統(tǒng)的井下壓力監(jiān)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(huán)境，嚴重影響了這兩類傳感器的測量精度和長期可靠性?；诠饫w的壓力傳感器因其本身的優(yōu)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(diào)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(tǒng)已經(jīng)商業(yè)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(tǒng)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(shù)模轉(zhuǎn)換的方案?；诠饫w技術(shù)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(fā)中應用。

光纖傳感器在油田勘探開發(fā)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(shù)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(fā)中發(fā)揮了巨大的作用。光纖核傳感器的研究得到了國內(nèi)外科研機構(gòu)的廣泛關(guān)注。俄羅斯也開展了相關(guān)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(shù)

光纖技術(shù)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?shù)确矫娑嫉玫搅舜罅康膽?。油井?nèi)檢測方面，國際上已經(jīng)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(yè)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(yè)中的巨大市場前景和優(yōu)良特性，使相關(guān)科研工作者意識到光纖傳感器的應用將會對石油工業(yè)產(chǎn)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(yè)中的大量應用，對實現(xiàn)整個油田的智能化網(wǎng)絡管理奠定了基礎。在智能網(wǎng)絡化油田中光纖傳感器可以實現(xiàn)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(jiān)控，并把信號通過光纖傳輸?shù)街醒肟刂剖遥诳刂剖覂?nèi)管理人員根據(jù)采集到的信息就可以實時對整個工業(yè)區(qū)進行高效的統(tǒng)一管理。

光纖分布式聲波傳感技術(shù)可以很方便地將光纖溫度壓力計（點式）、光纖分布式溫度監(jiān)測技術(shù)集成到一條光纜上。此光纜作為一個可擴展的技術(shù)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(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(shù)和工藝的改進，該技術(shù)會取得更廣泛的應用。

光纖傳感器的優(yōu)良特性也引起了國內(nèi)廣大科研工作者的關(guān)注，這些相關(guān)的研究已經(jīng)引起了人們對光纖傳感器在石油行業(yè)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(nèi)對應用于石油行業(yè)的光纖傳感器的研究勢必會迅速發(fā)展并取得重大進步，為我國能源安全建設提供有力保障。