一個(gè)基于光纖傳感技術(shù)的聲學(xué)和超大孔徑天線

總部位于美國(guó)加州的公共事業(yè)公司Pacific Gas and Electric（PG&E）需要一個(gè)準(zhǔn)確可靠的系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)大型地下儲(chǔ)氣庫（UGS），于是它與先進(jìn)的傳感技術(shù)公司Paulsson合作并尋求加州能源委員會(huì)（CEC）的研究經(jīng)費(fèi)，以開發(fā)并實(shí)地測(cè)驗(yàn)一個(gè)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。CEC批準(zhǔn)了該提案，并于2020年中期啟動(dòng)了該項(xiàng)為期三年的研究。

Paulsson公司以發(fā)明、設(shè)計(jì)、制造和部署全光傳感器到深度、高溫、高壓鉆孔而聞名。在這個(gè)例子中，它的解決方案是一個(gè)基于光纖傳感技術(shù)的聲學(xué)和超大孔徑天線，使用來自Fotech公司（英國(guó)石油公司）的分布式聲學(xué)傳感技術(shù)（DAS）。

自安裝以來，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井內(nèi)和地層中氣體流量的實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，這在該類應(yīng)用領(lǐng)域?qū)偈澜缡讋?chuàng)。該系統(tǒng)還記錄了來自附近斷層以及遠(yuǎn)至日本和秘魯?shù)亩啻涡⌒秃痛笮偷卣穑@些天然近震源和遠(yuǎn)震源為UGS地層性質(zhì)提供了寶貴信息。

準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的必要性

PG&E公司是美國(guó)最大的公用事業(yè)公司之一，其擁有并維護(hù)超過6000英里的傳輸管道、42000英里的運(yùn)輸管道和三個(gè)天然氣儲(chǔ)存設(shè)施。

PG&E公司最大的儲(chǔ)氣庫位于加利福尼亞的薩克拉門托-圣華金河三角洲的麥克唐納島，其最大容量為82BCF，可以在冬季高峰日為北加州提供25%的燃?xì)庑栌昧?。那里共設(shè)井87口（81口注采井，6口觀測(cè)井），當(dāng)需求較低時(shí)，天然氣會(huì)被注入地下設(shè)施來儲(chǔ)存。當(dāng)冬季、干旱年或炎炎夏日交流電達(dá)到峰值時(shí)，再抽取天然氣來發(fā)電。

儲(chǔ)氣庫的監(jiān)測(cè)對(duì)于確保當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和環(huán)境的安全、盡可能地優(yōu)化使用、使天然氣資源多樣化以及保護(hù)股東和納稅人免受中斷和事故帶來的損失等方面，都至關(guān)重要。這家加州的公用事業(yè)公司認(rèn)識(shí)到，該領(lǐng)域需要一種可靠而準(zhǔn)確的方式來監(jiān)測(cè)儲(chǔ)氣庫，并和Paulsson公司一同推出并測(cè)試這方面的解決方案。

Paulsson公司通過使用光纖聲矢量地震傳感器，以及分布式溫度傳感器（DTS）和分布式應(yīng)變傳感器（DSS）技術(shù)來提供極其精確的地下測(cè)量和監(jiān)測(cè)解決方案。該公司擁有多年的開發(fā)、部署和處理來自高溫高壓的非電子全光傳感器陣列數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)，這些陣列能夠在高達(dá)25,000 psi的壓力和高達(dá)600°華氏度（320°C）的溫度下，在垂直和水平鉆孔中工作。

在獲得加州能源委員會(huì)與PG&E和Fotech公司的150萬美元聯(lián)合撥款后，Paulsson公司開始在PG&E公司的麥克唐納島的UGS油田設(shè)計(jì)、建造、安裝和監(jiān)測(cè)傳感器陣列。該系統(tǒng)的核心是Fotech公司的基于瑞利散射的解調(diào)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)使用了Paulsson公司設(shè)計(jì)的增強(qiáng)型分布式聲學(xué)傳感器陣列（EDAS）。

Bj?rnPaulsson博士（Paulsson公司的執(zhí)行總裁）說：“Fotech公司的DAS技術(shù)值得信賴，它的設(shè)備將為這個(gè)應(yīng)用程序提供最好的監(jiān)測(cè)。DAS系統(tǒng)表現(xiàn)非常好，提供了為期8個(gè)月的可靠且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，記錄了超過400TB的變革性數(shù)據(jù)?！?/p>

DAS如何工作

Fotech公司的Helios DAS技術(shù)本質(zhì)上是將一條沿著水平天然氣管道（或垂直天然氣、或地?zé)峋┻\(yùn)行的光纖光纜轉(zhuǎn)換成數(shù)千個(gè)振動(dòng)傳感器，使其能夠監(jiān)測(cè)到沿管道或井套管長(zhǎng)度的任何干擾。

該技術(shù)每秒鐘沿著光纖光纜發(fā)送數(shù)千個(gè)光脈沖，監(jiān)測(cè)向光線散射回來的精細(xì)圖案。當(dāng)聲學(xué)或振動(dòng)能量（比如由井內(nèi)或地層中的氣體流動(dòng)所產(chǎn)生的能量）對(duì)光纖產(chǎn)生微小的應(yīng)變時(shí)，這就會(huì)改變背散射光的圖案。通過使用先進(jìn)的算法和處理技術(shù)，DAS通過記錄這些變化來對(duì)干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別和分類，從而進(jìn)行及時(shí)的處理解釋工作，并在必要進(jìn)行校正。

Fotech公司的首席技術(shù)官Steve Cammish表示：“每種類型的干擾都有自己的特征，該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)地告訴作業(yè)者發(fā)生了什么，以及發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間。更重要的是，DAS能夠提供的是長(zhǎng)達(dá)100公里的沿管道（或沿著靠近鉆孔最深的井）的全天候監(jiān)測(cè)?！?/p>

PG&E公司用的解決方案是將一根光纖光纜連接到外徑4.5英寸的生產(chǎn)管（在85/8″套管下入井筒約2公里），該陣列的有效構(gòu)成包括大約2500個(gè)傳感器，通過DAS的使用為其提供精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，讓實(shí)時(shí)處理、解釋和操作成為可能。

有了足夠多的傳感器，Paulsson公司能夠有效地創(chuàng)建一個(gè)大孔的聲學(xué)天線，如此一來，氣田井內(nèi)和儲(chǔ)存天然氣的地質(zhì)構(gòu)造中的流動(dòng)以及任何其他事件，都可以在1米范圍內(nèi)被監(jiān)測(cè)到并精確定位。DAS還使Paulsson公司能夠區(qū)分高滲透砂巖層和低滲透頁巖的情況下，建立儲(chǔ)氣田形成的動(dòng)態(tài)模型。

Paulsson公司表示：“這是我們首次在離井遠(yuǎn)的儲(chǔ)層中成功探測(cè)到氣體流動(dòng)，這是非常令人興奮的一次飛躍。由于DAS卓越的準(zhǔn)確性和連續(xù)監(jiān)測(cè)能力，它不僅為我們提供了靜態(tài)數(shù)據(jù)，它還允許我們實(shí)時(shí)地觀看流體（氣體和液體）注入對(duì)儲(chǔ)氣庫的影響。這意味著來自DAS的數(shù)據(jù)將允許我們創(chuàng)建鉆孔周圍地面1-2公里的3D圖像，為我們的客戶PG&E公司提供了完整地層和動(dòng)態(tài)流動(dòng)的可見性?！?/p>

傳統(tǒng)上，將在空間上間隔約15米（50英尺）或更多的地方應(yīng)用地震檢波器，但鉆孔中的條件非?？量蹋哂懈邏汉透邷?。另一個(gè)關(guān)鍵的方面是需要能夠記錄在風(fēng)化/帶以下的地下表面中發(fā)現(xiàn)的高地震頻率。

因?yàn)楣饫w即使是在地?zé)釡囟认乱部梢猿惺軜O端的環(huán)境，因此DAS更適合應(yīng)用在鉆孔這樣極具有挑戰(zhàn)性的條件下。DAS技術(shù)是第一個(gè)能夠允許安裝許多1000秒傳感器的大陣列，并利用光學(xué)技術(shù)創(chuàng)建具有近距離空間傳感器的大孔徑高頻傳感器天線來采樣，”Paulsson公司補(bǔ)充說。

提供整體可視化的方案

Paulsson公司不僅能夠探測(cè)和監(jiān)測(cè)氣體流量，還能監(jiān)測(cè)到太平洋另一邊福島（日本）和秘魯（南美洲）的地震事件。Paulsson公司表示：“該傳感器陣列已經(jīng)接收到8000公里外，來自日本和斐濟(jì)地震發(fā)生的聲信號(hào)，這簡(jiǎn)直太棒了。能夠根據(jù)構(gòu)造地質(zhì)學(xué)探測(cè)到其他大規(guī)模的地震事件，這意味著我們可以提供許多正發(fā)生在太平洋盆地的遠(yuǎn)近斷裂帶的事件的一個(gè)清晰的畫面。因此，PG&E公司對(duì)我們公司監(jiān)控方案所提供的結(jié)果十分滿意?！?/p>

審核編輯：劉清