油田开发中的光纤传感技术

■ 激扬

光纤传感器技术是随着光纤实用化和光通信技术的发展而形成的，在20世纪90年代得到飞速发展。光纤传感器与传统的电学传感器相比有着许多优点，如结构简单、体积小、灵敏度高、电绝缘、耐酸碱腐蚀、抗电磁干扰能力强、可实现分布式实时在线检测以及对被测物质干扰小等。光纤传感器的这些优点特别符合油田发展的需求，得到了石油行业科技工作者的广泛重视，在油田上得到了广泛开发和应用，用于各种参数测量的光纤传感器相继被研究和推广。

技术研发历程

光纤传感器技术研究最早开始于1977 年。早期的光纤传感器因为存在价格昂贵、技术不够成熟等问题，在工程上没有得到广泛的应用。光纤传感技术可进行温度、压力、形变、震动等参数的精确监测，光纤传感技术具有极高的灵敏度和精度，良好的抗电磁干扰能力，高绝缘强度以及耐高温、耐腐蚀、体积小、轻质、柔韧等优点。近年来随着光纤传感器技术的发展和工艺水平的提高，光纤传感器的应用得到了大力推广，很多国家不遗余力地加大对光纤传感器的研究力度。光纤传感器在机械、电子仪器仪表、航空航天、石油、化工、生物医学、食品等工业领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面有着广泛的应用。

目前国内外在油气井监测领域已经得到应用的光纤传感技术包括：光纤温度压力计（点式）、光纤分布式温度监测系统，以及二者复合使用。应用过程中油气井生产部门发现光纤传感技术具有寿命长、传输与监测距离长、耐高温高压、不受电磁干扰、可靠性高、井下无电等技术优点，并且经过了长期运行验证。因此，在上述两种光纤监测技术得到应用推广的同时，光纤分布式声波传感技术应用于井下监测开始得到重视，多个国内外光纤研发机构开始投入研发，并于近年来取得了一定成果。

多彩的光纤传感技术

1.温度测量

采用纯石英作为传感光纤的纤芯材料，可有效防止氢气的影响，耐温高达300℃。采用纯石英光纤芯，具有良好的耐高温和抗氢性的光纤传感装置，可以成功地对油井内各产油层的情况进行实时监控，获得巨大的经济利益。

井温是测井作业中的重要测量参数之一，准确的井温测量对于地质资料解释和油井生产情况监测都具有十分重要的意义。稠油开采是我国油田开发后期的重要增油措施，通过向地层注入高温蒸汽进行蒸汽吞吐、蒸汽驱油是稠油开采的主要方法之一，实时在线监测井内温度的变化对提高稠油开采效率和作业安全保障具有重要的意义。常规的电学测温传感器主要由于电阻发热等原因，无法在高温、高压、强腐蚀环境下实现对井下温度的永久性、分布式、实时在线监测。特别是在稠油开采中，300℃的井下高温严重制约了传统电学温度传感器的性能发挥。光纤温度传感器体积小、寿命长、柔韧性好、对被测温度场干扰小、方便在空间结构复杂的井内安置，得到了广大油田科研工作者的广泛重视。

国内科研单位也对DTS测温系统进行了相关的研究，并取得了可喜的成果。北京航空航天大学介绍了DTS2000分布式光纤测温系统在石油测井中的应用，该系统的测温精度达到±1℃ ，空间分辨率达到1m。辽河油田的科研工作者通过利用光纤测温技术提高了稠油开采的效益。山东大学也对分布式光纤油井测温传感器进行了高温测试试验，并对信号去噪问题进行了专门的研究。

2.多相流参数测量

油井的不同层段或同一层段的不同部位，可能产出不同性质的流体。准确判断井下任意深度流体的性质和流场参数，对于预测储层产能、评价产层的性质具有非常重要的意义。

通过在一根光纤上集成多个FBG传感单元，可以测量出光纤附近的压强扰动信息。再运用声呐处理技术就可以得到声音在油井进液和出液中的传播速度和对流压强扰动的速度。根据声速可推断出流体的密度，再结合测得的温度、压强等信息就可以推断出被测处油水混合物的组分比例和速度等信息。这也是光纤流量计发展的主线。在此钻井环境下，传感器可以实时向地面传送高精度的井内流速、持水率、压力和温度等信息。

3.压力测量

油藏压力监测是测井中的一项重要内容，及时准确地获得油井内的压力信息对提高开采效率、预防可能发生的灾难事故、维护油井作业安全等具有重要的意义。传统的井下压力监测传感器主要是应变压力计和石英晶体压力计。由于井下复杂的工作环境，严重影响了这两类传感器的测量精度和长期可靠性。基于光纤的压力传感器因其本身的优越性特别适合在油井测温中使用。

光纤光栅周围的压力变化可以调制光栅反射波长的大小，这是光纤光栅压力传感器的作用原理。传感系统已经商业化。

4.声波检测

光纤声波传感器主要以光作为载体进行信号的采集和传输，可有效抵抗电磁波的干扰，因此得到了广大科研工作者的广泛重视。水听器在海底石油勘探中起到重要作用，传统的水听器基于压电陶瓷材料，输出阻抗高，需要进行阻抗变换后才能与信号采集设备的输入端匹配。且压电陶瓷感应的地震信号非常微弱，无法远距离传输，必须每隔几个传感器就设置一个采集站，或者采用对每个压电传感器进行原位数模转换的方案。基于光纤技术的水听器采用光做信号的载体，线路损耗低，耐海水腐蚀且不需考虑短路的问题，非常适合在海洋石油勘探开发中应用。

光纤传感器在油田勘探开发的其他方面也得到了大量的应用，比如各种易燃易爆有毒危险性气体的检测、pH值、湿度、核测试等。核测试技术能够快速分析和确定岩石及其孔隙流体中各种化学元素的含量，在油田勘探开发中发挥了巨大的作用。光纤核传感器的研究得到了国内外科研机构的广泛关注。俄罗斯也开展了相关的基础研究工作。我国自1993年开始，中科院声学所、清华大学开展了激光光纤核探测器的预研工作。

前途广阔的光纤技术

光纤技术在陆上油田的勘探开采、海上油田的勘探开采、冶炼化工、储存运输等方面都得到了大量的应用。油井内检测方面，国际上已经有实用化的光纤传感器。光纤传感器的大量应用，造就了蓬勃的市场，石油行业对光纤传感器的市场需求增长迅速。光纤传感器在油田工业中的巨大市场前景和优良特性，使相关科研工作者意识到光纤传感器的应用将会对石油工业产生革命性的推进，并提出了光学油田的概念。随着光纤传感器在石油工业中的大量应用，对实现整个油田的智能化网络管理奠定了基础。在智能网络化油田中光纤传感器可以实现对石油勘探、开采、冶炼、运输、基建以及后勤设施的实时、在线监控，并把信号通过光纤传输到中央控制室，在控制室内管理人员根据采集到的信息就可以实时对整个工业区进行高效的统一管理。

光纤分布式声波传感技术可以很方便地将光纤温度压力计（点式）、光纤分布式温度监测技术集成到一条光缆上。此光缆作为一个可扩展的技术平台，同时完成温度压力单点测量、分布式测温、分布式声波等的测量，达到一缆多用的目的，增加了监测系统应用的灵活性。2016年1月，基于分布式光纤声波传感的井下多相流实时监测系统中海油深圳分公司西江23-1油田平台A20H1井成功下井应用，初步验证了其可行性。随着技术和工艺的改进，该技术会取得更广泛的应用。

光纤传感器的优良特性也引起了国内广大科研工作者的关注，这些相关的研究已经引起了人们对光纤传感器在石油行业中应用的极大兴趣和广泛重视，在广大科研工作者的共同努力下，国内对应用于石油行业的光纤传感器的研究势必会迅速发展并取得重大进步，为我国能源安全建设提供有力保障。