光纖傳感器在石油行業(yè)中的應(yīng)用

　　一、前言

　　光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的新型傳感技術(shù)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得豐碩成果，不少光纖傳感系統(tǒng)已實(shí)用化，成為替代傳統(tǒng)傳感器的商品。

　　在油田的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，人們需要知道在產(chǎn)液或注水過(guò)程中有關(guān)井內(nèi)流體的持性與狀態(tài)的詳細(xì)資料，這就要用到石油測(cè)井，其可靠性和準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的，而傳統(tǒng)的電子基傳感器無(wú)法在井下惡劣的環(huán)境諸如高溫、高壓、腐蝕、地磁地電干擾下工作。光纖傳感器可以克服這些困難，其對(duì)電磁干擾不敏感而且能承受極端條件，包括高溫、高壓（幾十兆帕以上）以及強(qiáng)烈的沖擊與振動(dòng)，可以高精度地測(cè)量井筒和井場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，同時(shí)，光纖傳感器具有分布式測(cè)量能力，可以測(cè)量被測(cè)量的空間分布，給出剖面信息。而且，光纖傳感器橫截面積小，外形短，在井筒中占據(jù)空間極小。

　　光纖傳感器在地球物理測(cè)井領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，全世界各大石油生產(chǎn)公司、測(cè)井服務(wù)公司以及各種光纖傳感器研發(fā)機(jī)構(gòu)和企業(yè)都參加了研究、開(kāi)發(fā)過(guò)程。為了開(kāi)拓光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，本文綜述了光纖傳感器在地球物理測(cè)井領(lǐng)域的研究與進(jìn)展，希望其研究能夠?qū)M(jìn)一步提高石油開(kāi)發(fā)的水平作出貢獻(xiàn)。

　　二、光纖傳感器在測(cè)井上的研究進(jìn)展

　　1、儲(chǔ)層參數(shù)監(jiān)測(cè)

　?。?）壓力監(jiān)測(cè)

　　由于開(kāi)發(fā)方案的需要，對(duì)油藏壓力的管理需要特別謹(jǐn)慎，這樣做的目的是減少因在低于泡點(diǎn)壓力的狀態(tài)下開(kāi)采所造成的原油損失，減少在注氣過(guò)程中因油藏超壓將原油擠入含水層所造成的原油損失。傳統(tǒng)的井下壓力監(jiān)測(cè)采用的傳感器主要有應(yīng)變壓力計(jì)和石英晶體壓力計(jì)，應(yīng)變式壓力計(jì)受溫度影響和滯后影響，而石英壓力計(jì)會(huì)受到溫度和壓力急劇變化的影響。在壓力監(jiān)測(cè)時(shí)，這些傳感器還涉及安裝困難、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等問(wèn)題。井下光纖傳感器沒(méi)有井下電子線(xiàn)路、易于安裝、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而這些正是井下監(jiān)測(cè)所必需的。

　　美國(guó)CiDRA公司的在光纖壓力監(jiān)測(cè)研究方面處于前沿，他們的科研人員發(fā)現(xiàn)了布喇格光纖光柵傳感器對(duì)壓力的線(xiàn)性響應(yīng)。已開(kāi)發(fā)的傳感器能夠工作到175oC，200oC和稍高溫度的產(chǎn)品正在開(kāi)發(fā)，250oC是研發(fā)的下一個(gè)目標(biāo)。不同溫度和壓力下的壓力測(cè)量誤差，在測(cè)試范圍（0MPa~34.5MPa）內(nèi)，均小于±6.89kPa，相當(dāng)于電子測(cè)量系統(tǒng)的最好的水平。目前，CIDRA公司的光纖壓力傳感器的指標(biāo)為：測(cè)程0~103MPa，過(guò)壓極限129MPa，準(zhǔn)確度±41.3kPa，分辨率2.06kPa，長(zhǎng)期穩(wěn)定性±34.5kPa/yr（連續(xù)保持150oC），工作溫度范圍25oC~175oC。1999年該公司在加利福尼亞的Baker油田進(jìn)行了壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有非常高的精度，目前已經(jīng)交付商業(yè)銷(xiāo)售。2001年該公司的壓力傳感器在英國(guó)BP公司的幾口井下安裝，監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化，結(jié)果表明其具有足夠的可靠性。

　　美國(guó)斯倫貝謝油田服務(wù)公司Doll研究中心的TsutomuYamate等人對(duì)用布喇格光纖光柵傳感器實(shí)行井下監(jiān)測(cè)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，他們研制成一種對(duì)溫度不敏感的側(cè)孔布喇格光纖光柵傳感器，最高工作溫度為300oC，最高測(cè)量壓力82MPa，在最高測(cè)量壓力下，對(duì)溫度的靈敏度極小，可以適用于井下的壓力監(jiān)測(cè)。

　?。?）溫度監(jiān)測(cè)

　　分布式光纖溫度傳感器具有通過(guò)沿整個(gè)完井長(zhǎng)度連續(xù)性采集溫度資料來(lái)提供一條監(jiān)測(cè)生產(chǎn)和油層的新途徑的潛力。因?yàn)榫臏囟绕拭娴淖兓梢耘c其它地面采集的資料（流量、含水、井口壓力等）以及裸眼測(cè)井曲線(xiàn)對(duì)比，從而為操作者提供有關(guān)出現(xiàn)在井下的變化的定性和定量信息。傳統(tǒng)的測(cè)溫工具只能在任何給定時(shí)間內(nèi)測(cè)量某個(gè)點(diǎn)的溫度，要測(cè)試全范圍的溫度，點(diǎn)式傳感器只能在井中來(lái)回移動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)，不可避免地對(duì)井內(nèi)環(huán)境平衡造成影響。光纖分布式溫度傳感器的優(yōu)勢(shì)在于光纖無(wú)須在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)來(lái)回移動(dòng)，能保證井內(nèi)的溫度平衡狀態(tài)不受影響。而且由于光纖被置于毛細(xì)鋼管內(nèi)，因此凡毛細(xì)鋼管能通達(dá)的地方都可進(jìn)行光纖分布式溫度傳感器測(cè)試。

　　最廣泛地應(yīng)用于井下監(jiān)測(cè)應(yīng)用的光纖傳感器之一就是喇曼反向散射分布式溫度探測(cè)器，這種方法已經(jīng)在測(cè)量井筒溫度剖面（特別是在蒸汽驅(qū)井）中，得到了廣泛的應(yīng)用。分布式溫度傳感器要綜合考慮測(cè)量的點(diǎn)數(shù)和連接器衰減，遇到的問(wèn)題和解決方法為：

　　a.光纖以及連接器對(duì)信號(hào)的衰減問(wèn)題，解決的方法為盡量減少連接器的數(shù)目、采用布喇格光纖光柵傳感器以及改進(jìn)連接器的性能；

　　b.井下安裝時(shí)容易損壞，解決的方法為配備熟練工人、光纖傳感器需要外部保護(hù)層、減小應(yīng)力（包括射孔和溫度引起的應(yīng)力）。對(duì)于光纖分布式溫度傳感器系統(tǒng)，英國(guó)Sensa公司一直處于技術(shù)領(lǐng)先地位，有一系列產(chǎn)品問(wèn)世，而且與各大石油公司合作，積極探索光纖分布式溫度傳感器在石油井下的應(yīng)用。CiDRA公司也一直在研究光纖溫度傳感器，目前該公司的溫度傳感器技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量范圍0℃~175℃，準(zhǔn)確度±1℃，分辨率0.1℃，長(zhǎng)期穩(wěn)定性±1℃/yr（150℃下連續(xù)使用）。

　　目前的光纖溫度、壓力傳感器的最主要的缺點(diǎn)之一就是溫度壓力交叉敏感特性，如何消除或者利用這種交叉敏感特性是研究的熱點(diǎn)。

　?。?）多相流監(jiān)測(cè)

　　為了做好油藏監(jiān)控和油田管理，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是獲得生產(chǎn)井和注水井穩(wěn)定可信的總流量剖面和各相流體的持率。然而，大多數(shù)油井分層開(kāi)采，每層含水量不同，而且有時(shí)流速較大，給利用常規(guī)生產(chǎn)測(cè)井設(shè)備測(cè)量和分析油井的生產(chǎn)狀況帶來(lái)了巨大的困難。液體在油管中的摩阻和從油藏中向井筒內(nèi)的噴射使得壓差密度儀器無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，電子探頭更是無(wú)法探測(cè)到液體中的小油氣泡。

　　光纖測(cè)量多相流有兩種方法，第一種是美國(guó)斯倫貝謝公司的持氣率光纖傳感儀，該儀器能直接測(cè)量多相流中持氣率。其四個(gè)光纖探頭均勻地分布在井筒的橫剖面中，其空間取向方位可用一個(gè)集成化的相對(duì)方位傳感器準(zhǔn)確測(cè)量，在氣液混合物中，通過(guò)探頭反射的光信號(hào)來(lái)確定持氣率和泡沫數(shù)量（這二者與氣體流量相關(guān)聯(lián)）。此外，利用每個(gè)探頭的測(cè)量值來(lái)建立一種井中氣體流動(dòng)的圖像，這些圖像資料特別適用于斜井和水平井，可以更好地了解多相流流型以及解釋在傾斜條件下這些流型固有的相分離。最近，這種儀器已在世界各地成功地進(jìn)行了測(cè)井實(shí)驗(yàn)。它提供的資料能直接測(cè)定和量化多相混合物中氣體和液體，能準(zhǔn)確診斷井眼問(wèn)題，并有助于生產(chǎn)調(diào)整。儀器通過(guò)了三口井的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

　　第二種是通過(guò)測(cè)量聲速來(lái)確定兩相混合流的相組分，因?yàn)榛旌狭黧w的聲速與各單相流體的聲速和密度具有相關(guān)性，而這個(gè)相關(guān)性普遍存在于兩相氣/液和液/液混合流體系統(tǒng)中，同時(shí)也適用于多相混合流系統(tǒng)。根據(jù)混合流體的聲速確定各相流體的體積分?jǐn)?shù)，就是測(cè)量流過(guò)流量計(jì)的各單相體積分?jǐn)?shù)（即持率測(cè)量）。某一流體相持率是否等于該相流動(dòng)體積分?jǐn)?shù)，取決于該相相對(duì)于其它相是否存在嚴(yán)重的滑脫現(xiàn)象。對(duì)于不存在嚴(yán)重滑脫的油水兩相混合流系統(tǒng)，可以用均勻流動(dòng)模型進(jìn)行分析；對(duì)于存在嚴(yán)重滑脫現(xiàn)象的流動(dòng)狀態(tài)，則必須應(yīng)用更完善的滑脫模型來(lái)解釋流量計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)，才能準(zhǔn)確地確定各相的流量。經(jīng)流動(dòng)循環(huán)實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)于油水混合流體，流量計(jì)的長(zhǎng)波長(zhǎng)聲速測(cè)量可以確定各相體積分?jǐn)?shù)（即持率），而不受流動(dòng)非均質(zhì)性（如層狀流動(dòng)）的影響。

　　CiDRA公司挖掘了光纖傳感器內(nèi)在的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了井下光相多相流傳感器。目前的樣品只局限在測(cè)量準(zhǔn)均勻流體：如油、水兩相或油、水、氣三相（氣相體積份數(shù)小于20%）。為了考察這種新型的光纖多相流傳感器在生產(chǎn)井中測(cè)量油/水/氣三相的性能，CiDRA最近在一口測(cè)試井進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在測(cè)試井中混合了油、水和氣體，混合物包括粘度為32API的油、 7%礦化度的水和礦廠(chǎng)天然氣（甲烷），測(cè)試溫度100oF，壓力《2.75MPa。在0%~100%含水率范圍內(nèi)，儀器測(cè)量誤差小于±5%，精度滿(mǎn)足要求。該流量計(jì)能夠確定原油和鹽水混合物中的持水率，在持水率全量程中其誤差為±5%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。而且除了能夠測(cè)量持水率之外，該儀器還測(cè)試了三相中氣體的體積含量，只是測(cè)試中油水的比例已知。結(jié)果表明，該儀器能夠求出以泡沫流流出型出現(xiàn)的液體中的氣體體積百分?jǐn)?shù)。

　　2、聲波測(cè)量

　　與過(guò)去相比，勘探開(kāi)發(fā)公司如今面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)和更復(fù)雜的鉆井環(huán)境，因此獲得準(zhǔn)確的地層構(gòu)造圖和油藏機(jī)理具有重要意義。目前使用的地震測(cè)量方法，如拖曳等浮電纜檢波器組、臨時(shí)海底布放地震檢波器和井下電纜布放地震檢波器等，能提供目的產(chǎn)油區(qū)域的測(cè)量，但這些方法具有相對(duì)高的作業(yè)費(fèi)用，不能下入井內(nèi)或受環(huán)境條件的限制等，而且提供的圖像不全面、不連續(xù)，分辨率不是很高，因此難于實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)油藏動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　基于光纖的井下地震檢波器系統(tǒng)能夠解決這些問(wèn)題，它能提供整個(gè)油井壽命期間永久高分辨率四維油藏圖像，極大方便了油藏管理。這種井下地震加速度檢波器能接收地震波，并將其處理成地層和流體前緣圖像。

　　永久井下光纖3分量地震測(cè)量具有高的靈敏度和方向性，能產(chǎn)生高精度空間圖像，不僅能提供近井眼圖像，而且能提供井眼周?chē)貙訄D像，在某些情況下測(cè)量范圍能達(dá)數(shù)千英尺。它在油井的整個(gè)壽命期間運(yùn)行，能經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件（溫度達(dá)175℃，壓力達(dá)100MPa），且沒(méi)有可移動(dòng)部件和井下電子器件，被封裝在直徑2.5cm的保護(hù)外殼中，能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和振動(dòng)，可安裝到復(fù)雜的完井管柱及小的空間內(nèi)。此外，該系統(tǒng)還具有動(dòng)態(tài)范圍大和信號(hào)頻帶寬的特點(diǎn)，其信號(hào)頻帶寬度為3Hz～800Hz，能記錄從極低到極高頻率的等效響應(yīng)。

　　3、激光光纖核測(cè)井技術(shù)

　　激光技術(shù)和光纖技術(shù)可以用于研制井下傳感器，用于在充有原油和泥漿等非透明流體的井中進(jìn)行測(cè)井。對(duì)于激光光纖核傳感器的研究在國(guó)外比較盛行，美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯和比利時(shí)等國(guó)均有大量的有關(guān)研究論文。

　　激光光纖核傳感器是在光纖通信和光纖傳感器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，它利用了光致?lián)p耗和光致發(fā)光等物理效應(yīng)，比常規(guī)核探測(cè)器具有更多的優(yōu)越性，是典型的學(xué)科交叉。光纖核測(cè)井技術(shù)，實(shí)際上就是在特定的環(huán)境下的核探測(cè)技術(shù)，其典型的優(yōu)點(diǎn)為：

　?。?）可以針對(duì)不同的核探測(cè)的能級(jí)范圍，研制在該范圍的敏感探頭。

　?。?）因?yàn)閼?yīng)用了光致發(fā)光效應(yīng)，可使探頭位于千米的井下，而光電倍增管由傳輸光纜相連置于井上，遠(yuǎn)離了惡劣的井下環(huán)境（高溫高壓），從而延長(zhǎng)其的使用壽命。

　?。?）光纖具有高速率、大容量傳輸能力，還能搭載其他井下儀器信號(hào)。

　　然而，激光光纖核探測(cè)器也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在耐高溫和承受高壓的保護(hù)涂層、傳輸光纜的機(jī)械強(qiáng)度以及耐輻射的傳輸光纜低衰減損耗。

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　　三、結(jié)論與展望

　　從本文的分析可以看出，光纖傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用于石油天然氣井下的儲(chǔ)層參數(shù)監(jiān)測(cè)（包括溫度、壓力和多相流）、聲波檢測(cè)和激光光纖核測(cè)井之中，極大地豐富了石油和天然氣公司對(duì)儲(chǔ)層的了解，便于優(yōu)化油氣田開(kāi)采和維護(hù)。值得一提的是，該系統(tǒng)能夠及時(shí)得到注采的注水壓力和溫度，從而判斷壓力是否超標(biāo)，從而預(yù)防由于壓力超標(biāo)導(dǎo)致的套管損壞，這是一個(gè)全新的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面尚未有報(bào)道和介紹。

　　到目前為止，全世界各大石油生產(chǎn)和服務(wù)公司都投入了巨資來(lái)研究和開(kāi)發(fā)光纖傳感器在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，還有相當(dāng)多的光纖傳感器研發(fā)機(jī)構(gòu)也致力于這一新興領(lǐng)域的工作?？梢栽O(shè)想，下一代光纖傳感器在克服自身的缺點(diǎn)和劣勢(shì)以后，將大面積推廣，能更有效地幫助實(shí)時(shí)了解油氣開(kāi)采動(dòng)態(tài)的水平。各大油田公司能夠充分利用這些有利的信息，實(shí)現(xiàn)和維持油田的最優(yōu)化生產(chǎn)，從而使油藏達(dá)到最高的采收率。同時(shí)，由于因特網(wǎng)的飛速發(fā)展，光纖監(jiān)測(cè)的井況參數(shù)可以及時(shí)傳遞，這使得石油行業(yè)相關(guān)的生產(chǎn)和服務(wù)公司能夠更有效地分析和評(píng)價(jià)全世界的資產(chǎn)。