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隨著石油價(jià)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?zé)岘h(huán)境的溫度和壓力，以實(shí)現(xiàn)最大化的資源開采。

      作者：Gail Overton，資深編輯

       能源供應(yīng)商正不斷探索新方法，以提高油井的產(chǎn)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?zé)醿?chǔ)層、油井以及管道監(jiān)測的一種既定方法，其能夠提供相關(guān)的溫度和壓力信息（很快也能提供化學(xué)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(xué)元件很難使用：極高的溫度與壓力、強(qiáng)烈的振動(dòng)以及腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的充斥，在一定程度上限制了光學(xué)元件和相關(guān)的前端測量設(shè)備的使用。然而，一些光學(xué)技術(shù)正在向環(huán)境苛刻的井下傳感應(yīng)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(huì)隨之增加，需要采用新的技術(shù)來開采資源，如用于油砂資源復(fù)原的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）技術(shù)。在該項(xiàng)技術(shù)中，用光纖監(jiān)視溫度和壓力以優(yōu)化燃料復(fù)原過程。

苛刻的條件

“盡管人們?cè)?0世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始使用了一些小型試驗(yàn)裝置，但是在現(xiàn)有的數(shù)以萬計(jì)的陸地、海岸以及海底石油和天然氣井中，光學(xué)傳感器的安裝數(shù)量還相對(duì)較少。”Qorex LLC公司創(chuàng)始人山兼技術(shù)市場營銷與業(yè)務(wù)開發(fā)負(fù)責(zé)人Paul Sanders說道。^[3]但是，隨著一些油井的干涸，能源供應(yīng)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(xué)物質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)其表面可用的石油和天然氣的復(fù)原（見圖1、圖2）。

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

“光學(xué)傳感器在高溫、熱恢復(fù)（thermal recovery）應(yīng)用中是至關(guān)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(fù)原的蒸汽輔助重力泄油（SAGD）等處理過程，正在驅(qū)動(dòng)光學(xué)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(shí)，光​​纖傳感技術(shù)比傳統(tǒng)的傳感技術(shù)變得更加引人注目。”

“除了千巴的壓力和超高的溫度外，擴(kuò)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(shí)際使用。”Intelligent Fiber Optic Systems公司總裁Fereydoun Faridian說道，“幸運(yùn)的是，現(xiàn)代的純硅光纖幾乎不會(huì)產(chǎn)生上述現(xiàn)象，而且其改善的密封涂層和包裝技術(shù)，可使光纖在高達(dá)700℃的溫度下工作。”
 

傳感方法

“大多數(shù)井下光學(xué)傳感系統(tǒng)使用拉曼分布式溫度傳感（DTS）技術(shù)。”Faridian說，“在一個(gè)光子和一個(gè)物質(zhì)分子之間的非彈性拉曼相互作用中，物質(zhì)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(duì)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(chǎn)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(gè)水平的熱回收井中具備的獨(dú)特的時(shí)間、溫度、位置數(shù)據(jù)能力。沒有其他傳感器技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)、全面的井筒監(jiān)測。

“拉曼DTS、布里淵分布式溫度與應(yīng)變傳感（DTSS）以及光纖布拉格光柵（FBG）光學(xué)傳感器，都可以提供分布式溫度、應(yīng)力、流量和壓力傳感，”GE全球研究中心的高級(jí)光電系統(tǒng)工程師和物理學(xué)家Hua Xia說，“其中最常見的是拉曼系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈儗?duì)應(yīng)力不敏感。布里淵DTSS測量反向散射信號(hào)的頻移和強(qiáng)度，以監(jiān)測應(yīng)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(yīng)FBG的溫度和應(yīng)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(zhǔn)分布式傳感，空間分辨率精確到0.01m。”

這些傳感技術(shù)不僅在功能上有所不同，而且在價(jià)格和復(fù)雜性方面也各不相同。“拉曼系統(tǒng)的價(jià)格為5~10萬美元，布里淵DTSS系統(tǒng)的價(jià)格為10~15萬美元，F(xiàn)BG系統(tǒng)的價(jià)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(nèi)刻線，然后將每個(gè)FBG封裝為壓力、溫度、流量、震動(dòng)或應(yīng)力傳感器。制造一個(gè)具有多個(gè)封裝的FBG傳感器的光纜相對(duì)比較復(fù)雜，并且需要耗費(fèi)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(gè)為期兩年的價(jià)值260萬美元的項(xiàng)目，該項(xiàng)目于2010年1月發(fā)起，的項(xiàng)目，Xia是該項(xiàng)目組的一個(gè)成員。該項(xiàng)目旨在開發(fā)一個(gè)光學(xué)傳感器套件，用于測量地?zé)峋�的分布式溫度和壓力�?sup>[^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(dá)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(shù)追隨，作為下一個(gè)最先進(jìn)的井下環(huán)境中使用的光學(xué)傳感器技術(shù)。”Sanders說，“FBG用于兩個(gè)基本情況中：作為點(diǎn)應(yīng)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(yīng)力和聲換能器的干涉?zhèn)鞲衅�。最近，為了井下�?yīng)用進(jìn)行了改善，F(xiàn)BG被用作分布式多點(diǎn)傳感器，以監(jiān)控關(guān)鍵的生產(chǎn)間隔和海底海床設(shè)施。”幸運(yùn)的是，使用一臺(tái)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(dǎo)體光放大器（SOA）。SOA能夠?yàn)榫嚯x頭端50英里（盡管很多井下傳感器的深度小于5英里）遠(yuǎn)處的數(shù)百個(gè)分布式FBG傳感器的同步、高采樣率測量放大激光輸入信號(hào)。

由加拿大OZ Optics公司提供的光學(xué)布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）系統(tǒng)，使用一條雙向光路中的兩個(gè)反向傳播的光束的受激布里淵散射（SBS），能夠同時(shí)測量應(yīng)力和溫度，這一點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jì)）已經(jīng)在2200多個(gè)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(shí)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(tái)可調(diào)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(nèi)測量反斯托克斯（anti-Stokes）和斯托克斯拉曼（Stokes Raman）信號(hào)的振幅和相位，進(jìn)而產(chǎn)生頻率分布（Frequency profiles），因此，對(duì)頻率分布進(jìn)行傅立葉逆變后，便獲得了與時(shí)間和距離相關(guān)的拉曼信號(hào)。然后，這些信號(hào)將用于計(jì)算沿光纖分布的空間溫度profiles。“Raman-OFDR的主要優(yōu)點(diǎn)是：采用連續(xù)波激光器能在中等激光峰值功率下實(shí)現(xiàn)高信號(hào)水平，這不但有助于延長激光器的使用壽命，同時(shí)也是非常經(jīng)濟(jì)的外差檢測方案。”Van Laar補(bǔ)充說。

“受益于光纖傳感的一個(gè)主要應(yīng)用是井下泵的監(jiān)視，”加拿大Photon Control公司首席技術(shù)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(huì)阻塞管道，導(dǎo)致泵的過早老化。泵的更換是一個(gè)非常昂貴的過程，除了泵本身高昂的成本外，它們的搬運(yùn)也要耗時(shí)耗力，并將導(dǎo)致工作的中斷。”對(duì)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(shù)，其能使用光學(xué)方法測量5km遠(yuǎn)處、溫度高達(dá)300℃環(huán)境下的兩個(gè)平行表面的一個(gè)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(shù)，測量范圍750~800nm。

“在井下應(yīng)用中，光學(xué)傳感的一個(gè)最重要的優(yōu)勢(shì)是：能夠在高溫下工作，使用壽命能與井的壽命相當(dāng)，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(xué)傳感系統(tǒng)。”Weatherford公司光學(xué)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(diǎn)傳感器，以及干涉多相流量計(jì)和地震系統(tǒng)。“這些傳感系統(tǒng)可以在一個(gè)1/4英寸的光纜中的多種配置中實(shí)現(xiàn)復(fù)用，為惡劣環(huán)境中的多個(gè)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(xué)傳感技術(shù)的結(jié)合，為客戶提供了最有用的信息和價(jià)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(gè)系統(tǒng)：拉曼DTS系統(tǒng)、實(shí)時(shí)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(cè)面拋光技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了許多物理、化學(xué)、甚至是生物光學(xué)傳感器的制造，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了諸如tap耦合器和偏光器等光學(xué)元件的制造。我們正在與美國航天局和國防部做一些獨(dú)特的工作，但同樣令人興奮的是，我們與DoE合作，進(jìn)行風(fēng)力渦輪機(jī)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(xué)傳感器，并將它們裝配到活檢針和醫(yī)用導(dǎo)管中，以在影像輔助手術(shù)中用于插入動(dòng)脈和靜脈。”

Faridian總結(jié)說：“不管是進(jìn)入到5km的油井中，還是進(jìn)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(xué)傳感器工作，并且工程又要?jiǎng)?chuàng)造特性和好處，其能為領(lǐng)先的行業(yè)用戶提供一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。” 

       參考文獻(xiàn)

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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).