分布式光纤在井下管柱腐蚀检测中的应用

周坤 仲华 张黎黎 陈雨霖

摘要：光纤传感技术是近些年来的研究热门，因为抗干扰、传输快等优点使其在各个领域都有广泛的应用，现如今井下管柱的腐蚀检测也将引入光纤传感技术。本文对分布式光纤在井下管柱腐蚀监测中的应用的理论依据和发展情况进行综述，并展望未来的发展前景。

关键词：光纤传感器；管道腐蚀；实时监测

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）07-0211-02

一、引言

随着国家油田不断的开发生产，国家对管道运输和储存的投入也不断加大，从而地下的管道网络不断扩大。但随之而来的管道保护问题也被多次提起，其中管道腐蚀最为严重。FOX-TEK公司研发的光纤传感器（FOS）技术能检测局部管壁变薄的情况和监测管壁已知裂纹扩展状况。首先采用智能型管道缺陷检测器在线检测并结合数据分析以定位裂纹，然后将光线传感器系统安装在需要周期性或连续监测的区域。井下管柱的腐蚀也会引起周围环境温度的变化。通过分布式光纤温度传感器可连续测量沿管柱的温度分布情况，可以检测出管柱沿途的腐蚀发生情况。这个方法在国际上已经有了很大的进步，但是由于加热井下管柱周围环境会形成一个温度场，腐蚀产生的温度变化不会很明显，因而基于背向散射温度测量系统光纤检漏方法不能检出微小的腐蚀。井下管柱沿途环境比较复杂，该系统不能识别管道沿途温度变化的情况。另外，该方法检测距离较短，不适用于长距离运输的腐蚀检测。

近年来随着光纤传感技术研究的不断深入以及在航空航天、结构健康监测、桥梁监测等领域中成功应用，这种技术也逐渐地被引入到管道的监测中。光纤传感器检测管道腐蚀具备传统检测方式所没有的优点，光纤即为传感，‘传‘感合一，分布式安装，覆盖面积大，无测量盲区，同时具有直径小、柔韧性好、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、传输频带宽等特点，适合在高温高压的环境下工作。结合光纤传感器的优点和需要监测管道的特点，提出采用光纤传感器来进行井下管柱防腐检测，只要将光纤传感器系统安装在需要周期性或连续监测的区域，便可实时监测管道的腐蚀情况。

二、现场腐蚀调查

管道腐蚀是平时采油过程中最常见的问题，它普遍存在于每一口井中。近年来随着二氧化碳吞吐、二氧化碳驱等措施实施以来，油管腐蚀日趋严重，初步估计0.23%左右油井存在油套管腐蚀情况。腐蚀原因主要是酸化作业、碳酸、微生物。油管腐蚀在全井段都有，点腐蚀、面腐蚀都有。套管腐蚀一般以泵以下居多，此井段有流体流动。以往的井下管柱腐蚀一般通过井下下腐蚀环、测多臂井径和电磁探伤来监测、检查。这些检测方法有许多的局限性，耗时长，一般在腐蚀结束后将数据传输回来，然后地面作业人员将油套管拉出地面进行修复弥补工作。油管腐蚀主要处理方式是检管，工期3—7天，费用8—12万每井而套管的处理难度较大，通常需要上大修取换套、套管补贴、二固等。工期视套管损坏长度、井段、与生产层的位置、破损程度而定，一般20—60天。费用70—150万。这就需要将大量的人力与财力投入进去。

三、光纤传感器

光纤传感器通常由光源、入射光纤、出射光纤、传感元件或调制区、光探测器等组成，由于可以测量的光的参量有很多，例如振幅、相位、光强、波长、偏振态等。这些参量在光纤受到外界环境的影响时会发生变化，例如温度、压力、位移等，光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测相应物理量的大小。光纤传感器按照其检测方法不同又可分为两种类型：强度型和相位型，强度型光纤传感器是利用传感对象和光纤中传输光波的光强关系来检测相关物理量的，通常采用多模光纤，结构简单可靠，相位型光纤传感器是利用传输对象的光纤中传输的光波的相位变化关系，通过干涉的方法测得相位位移，从而检测相关的物理量，通常采用单模光纤组成双光路，结构相对复杂，但灵敏度高。此外还有光频率调制型和光偏振调制型等类型光纤传感器。其中马赫-曾德光纤传感器属于相位型光纤传感器，马赫-曾德干涉仪有两条单模光纤构成，激光从光源中射出，经过耦合器1时分成两束光，其中一束在信号臂中传播，另一条在参考臂中传播，外界物理量作用在信号臂上，两束光在耦合器2处耦合形成干涉。

四、实时监测

光纤传感器检测井下管柱的优点很多，其中实时监测最为重要。在以往的腐蚀监测当中，总是定时检修管柱，这样只能检出管柱是否腐蚀，无法得到管柱腐蚀时间的反馈，依然会造成一定规模的损失。而光纤传感器可以完美解决这个问题，分布式的安装在井下管柱便可以实时监测到管柱的腐蚀状况。利用马赫-曾德光纤干涉仪组成的光纤传感系统，由于被测的能量场的变化，纤的长度，直径，折射率都还发生改变，转变为光纤中传播的光波的相位变化，光由同一光源分割出来两束光波经不同传输路径在不同的时刻到达同一空间点进行叠加时，只有当两束光波振动之间的光程差小于光波振动波列长度时才能观察到干涉效应，再用干涉将相位变化转化为光强的变化，从而检测出待测的物理量，进而分析得到腐蚀情况。在腐蚀发生的同时，因为马赫—曾德光纤传感器的灵敏度很高，光纤传感器感知到周围能量场一些细微的变化，通过光纤反馈到工作人员，便可进行管道腐蚀的修补工作。

五、总结和期望

光纤传感器近年来发展迅速，在多个领域中都有应用，同时也是管道检测的一大热门。因为光纤传感器卓越的特性，使它在管道检测相较于传统方法有着无可比拟的优势，具有精度高、抗干扰、测量距离远、连续分布式测量、安全可靠等优点。对井下管柱不会产生破坏或影响其正常生产，在腐蚀一发生时便可通过远程监测，实时准确地定位到管柱发生腐蚀的区域。同时光纤传感器的抗干扰和绝缘、耐腐蚀等特点，使其更加适用于油气运输这种易燃易爆、强电磁干扰等环境中。

光纤传感器的应用范围很广，而在管道腐蚀监测中尚在探索阶段，实际上還有很多需要改进的地方，如何在减少传感器个数的同时实现多参量测量，如何避免相邻传感器之间的影响，还有光纤传感器在各个过程中的元件都是理想化的，如何在现实中最大程度实现出来等。虽然困难重重，但无法否认分布式光纤传感器在井下管柱的检测中有着广泛的前景，从这项技术萌芽到现如今三十多年间一直在进步。从一开始的理论阶段到如今的实用阶段，从一开始单一的传感原理到如今多种原理百花齐放。相信不久的将来，我们会创造出更简便，更实用的方法。

参考文献：

[1]李琼玮.光纤传感器在管道腐蚀监测中的应用[J].石油石化节能，2009，（6）：25.

[2]张在宣.Raman散射型分布式光纤温度测量方法的研究[J].2011，（6）.

[3]周琰.分布式光纤管道安全监测技术研究[D].天津：天津大学，2006.

[4]凌强.光纤腐蚀传感器研究进展[J].光学技术，2016，（1）：50-55.

[5]曹立军.分布式光纤温度测量及数据处理技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2006.

[6]卢一鑫，杨璐娜.光纤传感器的应用现狀及未来发展趋势[J].机械与电子，2011，（3）：113-114.

[7]郑宏军，黎昕，杨恒新.两种典型的光纤传感器研究现状与发展趋势[N].传感技术学报，2001，（4）：281-283.

[8]Parker T R，Farhadiroushan M，Handerek V A.et al.A Fully distributed simultaneous strain and temperature sensor using spontaneous Brillouin back scatter[J].IEEE Photonics Technology Letters，1997，9（7）：979-981.

[9]孙学军.基于全光纤马赫-泽德尔干涉仪的温度传感器的研究[D].济南：山东大学，2007.

[10]H.R.Vanaei；A.Eslami.A.Egbewande A review on pipeline corrosion，in-line inspection （ILI），and corrosion growth rate models.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2017，（1）：15.

[11]Wei Yan；JinGen Deng；XiaoRong Li；XingLiang Dong；ChunYang.Effects of silty sand on CO 2 corrosion behavior of low-Cr tubing steel Chinese Science Bulletin 2012，（03）：15.