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随着石油价格的上涨，能源公司正在倾向于使用光纤传感器监测井下石油以及地热环境的温度和压力，以实现最大化的资源开采。

      作者：Gail Overton，资深编辑

       能源供应商正不断探索新方法，以提高油井的产量，最大限度地开采现有的能源资源。^[1,2]光纤传感器是用于井下石油和地热储层、油井以及管道监测的一种既定方法，其能够提供相关的温度和压力信息（很快也能提供化学分析），以便最大限度地开采资源。

不幸的是，井下恶劣的环境使得光学元件很难使用：极高的温度与压力、强烈的振动以及腐蚀性化学物质的充斥，在一定程度上限制了光学元件和相关的前端测量设备的使用。然而，一些光学技术正在向环境苛刻的井下传感应用发起挑战。

图1：随着可用的能源资源的深度不断增加，井下的温度和压力也会随之增加，需要采用新的技术来开采资源，如用于油砂资源复原的蒸汽辅助重力泄油（SAGD）技术。在该项技术中，用光纤监视温度和压力以优化燃料复原过程。

苛刻的条件

“尽管人们在20世纪80年代就已经开始使用了一些小型试验装置，但是在现有的数以万计的陆地、海岸以及海底石油和天然气井中，光学传感器的安装数量还相对较少。”Qorex LLC公司创始人山兼技术市场营销与业务开发负责人Paul Sanders说道。^[3]但是，随着一些油井的干涸，能源供应商正在寄希望于从岩页油和含油砂中开采出可用油，这通常需要向这些资源中直接注入热量、蒸汽和/或化学物质，以实现其表面可用的石油和天然气的复原（见图1、图2）。

图2：位于加拿大的一个蒸汽辅助重力泄油（SAGD）井正在部署井下传感器，光缆与一个大型绕管和其他传感器集成在一起。整个传感器“串”用服务钻机注入井下。

“光学传感器在高温、热恢复（thermal recovery）应用中是至关重要的，其能帮助人们更加清晰地了解到地表以下的情况，以优化资源开采，并确保油井的完好无损，这主要是出于安全和环境方面的考虑。”Sanders说道，“用于现场沥青复原的蒸汽辅助重力泄油（SAGD）等处理过程，正在驱动光学传感器的采用，这些传感器能在250~300℃之间的高温下工作。此时，光​​纤传感技术比传统的传感技术变得更加引人注目。”

“除了千巴的压力和超高的温度外，扩散到玻璃传感光纤核心的氢气（这种现象被称为氢变黑）多年来一直在阻碍着光纤传感系统在井下的实际使用。”Intelligent Fiber Optic Systems公司总裁Fereydoun Faridian说道，“幸运的是，现代的纯硅光纤几乎不会产生上述现象，而且其改善的密封涂层和包装技术，可使光纤在高达700℃的温度下工作。”
 

传感方法

“大多数井下光学传感系统使用拉曼分布式温度传感（DTS）技术。”Faridian说，“在一个光子和一个物质分子之间的非弹性拉曼相互作用中，物质分子可能从光子处获得能量（斯托克斯散射），也可能将能量释放给光子（反斯托克斯散射）。后一种情况的出现对温度有具有更多的依赖性，并用于沿着光纤的长度测量温度，光纤能够深入到井下几公里处，测量的深度误差为1m米，温度分辨率为1℃。知道了温度梯度可以告诉你，你在哪里处于蒸汽（或热水）辅助的生产井中（见图3）。此外，温度梯度的沿着井深的意外变化，可以查明套管断上存在的故障。”
      

图3：图中显示了光纤分布式温度传感在一个水平的热回收井中具备的独特的时间、温度、位置数据能力。没有其他传感器技术能够提供实时、全面的井筒监测。

“拉曼DTS、布里渊分布式温度与应变传感（DTSS）以及光纤布拉格光栅（FBG）光学传感器，都可以提供分布式温度、应力、流量和压力传感，”GE全球研究中心的高级光电系统工程师和物理学家Hua Xia说，“其中最常见的是拉曼系统，因为它们对应力不敏感。布里渊DTSS测量反向散射信号的频移和强度，以监测应力和温度。FBG测量满足布拉格共振条件的反射光的波长。反射的峰值波长响应FBG的温度和应力的变化。^[4] 拉曼和布里渊提供连续的传感，空间分辨率为0.1~1m，而FBG提供分布式或准分布式传感，空间分辨率精确到0.01m。”

这些传感技术不仅在功能上有所不同，而且在价格和复杂性方面也各不相同。“拉曼系统的价格为5~10万美元，布里渊DTSS系统的价格为10~15万美元，FBG系统的价格为1.5~2.5万美元。”Xia说“由于光纤本身就是传感器，光缆就是拉曼系统和布里渊系统需要的所有东西。然而，FBG传感器必须要在光纤内刻线，然后将每个FBG封装为压力、温度、流量、震动或应力传感器。制造一个具有多个封装的FBG传感器的光缆相对比较复杂，并且需要耗费更多的精力和资金。”

 为期两年的由美国能源部（DoE）资助的一个为期两年的价值260万美元的项目，该项目于2010年1月发起，的项目，Xia是该项目组的一个成员。该项目旨在开发一个光学传感器套件，用于测量地热井的分布式温度和压力。^[5]该系统必须在高温（374℃）和高压（220巴）环境下策略，并且在深度达10km的井下测量，要求压力测量精度小于1%，长期漂移小于1%。
 

 商业选择

“拉曼DTS被光纤光栅技术追随，作为下一个最先进的井下环境中使用的光学传感器技术。”Sanders说，“FBG用于两个基本情况中：作为点应力和温度传感元件，FBG是众所周知的，并且建造主要用于应力和声换能器的干涉传感器。最近，为了井下应用进行了改善，FBG被用作分布式多点传感器，以监控关键的生产间隔和海底海床设施。”幸运的是，使用一台扫描激光器（来自Micron Optics公司）的FBG询问仪器，例如，也可以受惠于来自Alphion等公司的半导体光放大器（SOA）。SOA能够为距离头端50英里（尽管很多井下传感器的深度小于5英里）远处的数百个分布式FBG传感器的同步、高采样率测量放大激光输入信号。

由加拿大OZ Optics公司提供的光学布里渊光时域分析（BOTDA）系统，使用一条双向光路中的两个反向传播的光束的受激布里渊散射（SBS），能够同时测量应力和温度，这一点与点对点FBG传感器不同。布里渊获得± 2μstrain的精度和± 0.1℃的温度精度，以及0.1m的空间分辨率。相比之下，分布式FBG系统获得的数据分别为±1μstrain和±0.4℃。

“我们的Raman-OFDR（光频域反射计）已经在2200多个系统中安装使用，而且其也是目前市场上唯一的频域DTS系统，同时它也是目前最具成本效益的系统。”德国LIOS公司石油和天然气上游部门大客户经理Daan Van Laar说。Raman-OFDR采用一台可调制到不同频率的连续波（CW）激光器，而不是使用在Raman-OTDR中使用的脉冲激光器。通过在一定频率范围内测量反斯托克斯（anti-Stokes）和斯托克斯拉曼（Stokes Raman）信号的振幅和相位，进而产生频率分布（Frequency profiles），因此，对频率分布进行傅立叶逆变后，便获得了与时间和距离相关的拉曼信号。然后，这些信号将用于计算沿光纤分布的空间温度profiles。“Raman-OFDR的主要优点是：采用连续波激光器能在中等激光峰值功率下实现高信号水平，这不但有助于延长激光器的使用寿命，同时也是非常经济的外差检测方案。”Van Laar补充说。

“受益于光纤传感的一个主要应用是井下泵的监视，”加拿大Photon Control公司首席技术官Ivan Melnyk说，“泵被放置在垂直井段的尽头，以将原油泵出来。除了极其恶劣的压力和温度条件，沙粒也会阻塞管道，导致泵的过早老化。泵的更换是一个非常昂贵的过程，除了泵本身高昂的成本外，它们的搬运也要耗时耗力，并将导致工作的中断。”对于泵现场的温度和压力监测，Photon Control公司采用基于白光干涉的专利技术，其能使用光学方法测量5km远处、温度高达300℃环境下的两个平行表面的一个微小位移。使用Photon Control公司的光谱分析仪，井下测量使用专利的光谱检波技术，测量范围750~800nm。

“在井下应用中，光学传感的一个最重要的优势是：能够在高温下工作，使用寿命能与井的寿命相当，能够在超出电子测量仪器竞争能力的环境中永久性的部署光学传感系统。”Weatherford公司光学传感系统研发经理Domino Taverner说。Weatherford公司提供拉曼DTS、FBG压力/温度点传感器，以及干涉多相流量计和地震系统。“这些传感系统可以在一个1/4英寸的光缆中的多种配置中实现复用，为恶劣环境中的多个区域提供多参数传感器的永久性部署。这些不同的光学传感技术的结合，为客户提供了最有用的信息和价值。”

 超越石油

“IFOS已经致力于为我们的石油和天然气客户开发三个系统：拉曼DTS系统、实时宽带光纤光栅压力传感器、以及用于定向钻井和钻井作业测量的光纤陀螺仪。”Faridian说，“但是我们的FyberSpace侧面抛光技术平台，实现了许多物理、化学、甚至是生物光学传感器的制造，同时也实现了诸如tap耦合器和偏光器等光学元件的制造。我们正在与美国航天局和国防部做一些独特的工作，但同样令人兴奋的是，我们与DoE合作，进行风力涡轮机叶片健康监测与优化。然而，最具挑战性的工作是小型化光学传感器，并将它们装配到活检针和医用导管中，以在影像辅助手术中用于插入动脉和静脉。”

Faridian总结说：“不管是进入到5km的油井中，还是进入到5cm的恶性肿瘤中，面临的挑战都是一样的：既要让光学传感器工作，并且工程又要创造特性和好处，其能为领先的行业用户提供一个可持续发展的应用优势。” 

       参考文献

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).