油气行业中分布式光纤传感器的应用实例

油气行业可以分为三大部门，即上游、中游和下游（如图1所示），目前各个部门面临着不同的运营挑战。为了优化和控制三个部门内的各种应用，对诸如温度、振动、压力、流量等参数的监控是有必要的。本文将简要介绍一些具有代表性的技术实例来说明碳氢化合物的管道运输以及井下的挑战。

图1 石油和天然气行业的上、中、下游部门

在储层评估的早期测量中，可以使用分布式声学传感系统（DAS系统）记录所获取钻孔地震数据。这是通过执行标准电缆作业的同时，使用标准有线电缆（包含附加光纤）实现DAS数据的记录。DAS钻孔地震采集可以在井的早期提供数据来校准地表地震图像的深度，从而影响完井策略。

在石油和天然气的生产过程中，需要考虑井下发生的动态过程以减少水的产出。在生产井的有效期，越来越多的水进入井筒占用了石油和天然气的流动空间，导致了水产量增加，碳氢化合物的产量减少。而将DAS与分布式温度传感（DTS）在井下相结合使用，就能够识别进入的水源。DAS可以用来确定声速（压力波在流体中传播的速度），而声速是根据油管内流动的油、水和气体的比例而变化，例如：水中的声速比油中的声速快。因此，可以利用DAS技术获得流动相并确定进水口位置。此外，由于流体从储层压力转变到井筒压力会引起压力降，这将产生冷却效应（如果游离气体进入井筒）和摩擦加热效应（如果流体进入井筒），以及考虑到油、气和水的热性质变化，使用DTS系统提供的连续温度剖面就可以定位进水点。

在运输过程中，管道是至关重要的，因为它们向炼油厂提供原始油气的长途运输，并分别向中游和下游部门的终端用户提供石油产品。相较于铁路、卡车和船舶，管道能提供更大容量的碳氢化合物的连续运输，且更加安全、环保、经济。因此，强烈建议通过监测管道沿线的泄漏、变形和侵入来确保管道的完整性。而由于使用监控摄像头和人工监督都难以监控长达数千公里的管道，因此应该优先采用分布式传感技术来监控管道。

上述的典型例子证实了感知油气行业中各种参数的必要性。然而，所使用的传感器必须经过设计才能适应该行业恶劣的环境条件。这是因为在井下的温度和压力可以分别达到200℃和2000 bar。在其他情况下，比如当向井筒注入蒸汽（为了降低重油的粘度并提高回收率）时，井下温度会超过300℃。此外，井下传感器还可能会暴露在振动、冲击、腐蚀性化学物质和流体浸泡中。而且，管道还可能向沙漠、深海海底和极地输送石油和天然气。

虽然电子传感器已经被广泛应用于石油和天然气行业，可电子设备却被认为是导致永久性井下测量和控制系统失效的重要原因之一。这是由于油气井电子设备的可靠性会随着井下温度升高而逐步下降，而且石油和天然气行业的预期产品寿命通常是5年或更长久，因此，在许多石油应用中根本不可能使用电子传感器。此外，电子传感器是一种有源设备，需要消耗电能才可以运行，这会引起了石油和天然气行业的安全问题。

相比之下，得益于光纤的固有特性，光纤传感器已经在许多石油和天然气应用中得到部署并取得成功。其中一个重要特点是光纤能够在恶劣的条件下有效地运行，这非常适合应用于井下传感（通过将光纤延申到井下并在地表铺设光电传感设备）。此外，光纤尺寸小，具有抗电磁干扰能力且传感位置不需要电流，非常符合油气行业的安全要求。另外，光纤还具有远距离监测物理参数的能力（管道监测和井下传感所必需的能力）。

光纤传感器可分为三类：单点传感器、准分布式传感器和分布式传感器。最初，光纤传感器是作为点式传感器被开发的，它沿着光纤监测一个位置的环境参数。后来各种类型的单点光纤传感器被推广，包括基于光栅的传感器（布拉格光栅FBG、长周期光栅LPG等）和干涉传感器（法布里-珀罗、马赫-森德等）。

随着光的多路复用技术发展，如波长复用、时间复用和空间复用，离散的单点传感器阵列可以沿着光纤进行多路复用，形成一个准分布式光纤传感器。在石油和天然气行业，单点和准分布式光纤传感器已应用于许多领域，主要需要对沿管道或井下的声学、温度和（或）压力进行离散监测，例如管理井压降和井内压力测量，以确保完井有效性、提供压力累积数据、层间生产分配、生产率指数确定以及在井上升过程的监测。

然而，在技术和成本方面，单点和准分布式光纤传感器都不适用于需要连续空间传感的石油应用（类似于碳氢化合物流的井下监测、流体注入、蜡堆积和管道泄漏的监测）。相比之下，因为光纤本身就是传感器，分布式光纤传感器可以通过监测整个光纤长度的环境参数来提供丰富的信息。除了上述优点外，分布式光纤传感器还可以连续且实时地测量数十公里范围的传感参数，这大大降低了整体传感成本。

在上游部门（图1中负责勘探和生产的部门），通过在井下安装光纤来传递有关井和储层的数据，分布式光纤传感器可被应用于多个领域，如地震剖面、水力裂缝分析、流量监控、套管泄漏检测、气举优化设计与诊断等（如图2）。

另一方面，分布式光纤传感器可以通过将光纤连接或者靠近管道表面，监测管道的入侵、泄漏和变形情况（如图3）。

图3 沿管道的分布式光纤传感器应用实例

被广泛应用于油气行业的分布式光纤传感器，其工作原理主要是基于光学散射（瑞利散射、布里渊散射或拉曼散射等）。一般来说，光散射是一个发生在所有角方向上的随机统计过程。光纤中自发光散射的典型光谱（如图4），包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。

图4 自发光散射的典型光谱

在光纤制造过程中，二氧化硅分子以熔融状态移动，然后随机冻结，导致了沿光纤的密度波动。密度涨落在小于光学波长的尺度上引起折射率的随机变化，从而引发了瑞利散射。瑞利散射是一种弹性现象，即入射光不将能量传递到玻璃上，且入射光与散射光之间没有频移。与之相反，布里渊和拉曼散射是由光子-声子相互作用产生的，因此声学（光学）声子参与了布里渊（拉曼）散射，二者都是非弹性现象，即散射光的频率与入射光的频率发生偏移（见图4）。

在瑞利峰的中心，布里渊散射和拉曼散射的下移和上移光谱分量，分别称为斯托克斯分量和反斯托克斯分量。在图4中，可以观察到的最后一个散射现象是瑞利散射，由散射介质的各向异性分子取向的波动产生。

根据介质在散射过程中光学性质的变化，光学散射可分为自发散射和受激散射。自发散射不会改变介质的光学性质，通常发生在低水平的入射光强度。当入射光的强度增大到改变介质的光学性质时，散射就会受到刺激。换句话说，从自发散射到受激散射的转变，对应着介质从线性光学体系到非线性光学体系的变化，二者都为用于石油和天然气工业以及其他应用的分布式光纤传感器提供了各种功能。

通过此部分内容，我们回顾了分布式光纤传感器在石油和天然气行业中的部署，重点介绍了广泛应用于油气行业的光纤瑞利散射的 DAS和拉曼散射DTS的工作原理及石油应用。然后，我们将描述一个我们设计的基于多模光纤（MMF）的混合DAS-DTS系统。在这个混合系统中，使用了单一讯问传感器，首次在油井中同时测量振动位置和频率以及温度剖面。接下来，我们将简要介绍光纤布里渊分布式温度和应变传感（DTSS）的工作原理和石油应用（与DAS和DTS相比，DTSS在油气行业中使用较少）。

该综述进一步阐明了服务于石油和天然气行业的商用光纤DAS、DTS和DTSS产品。最后，我们将指出阻碍油气行业分布式光纤传感器市场发展的主要挑战，并进一步讨论该传感技术的未来发展方向。

编辑：黄飞