油氣行業(yè)可以分為三大部門，即上游、中游和下游（如圖1所示），目前各個部門面臨著不同的運營挑戰(zhàn)。為了優(yōu)化和控制三個部門內(nèi)的各種應用，對諸如溫度、振動、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)控是有必要的。本文將簡要介紹一些具有代表性的技術實例來說明碳氫化合物的管道運輸以及井下的挑戰(zhàn)。

圖1 石油和天然氣行業(yè)的上、中、下游部門

在儲層評估的早期測量中，可以使用分布式聲學傳感系統(tǒng)（DAS系統(tǒng)）記錄所獲取鉆孔地震數(shù)據(jù)。這是通過執(zhí)行標準電纜作業(yè)的同時，使用標準有線電纜（包含附加光纖）實現(xiàn)DAS數(shù)據(jù)的記錄。DAS鉆孔地震采集可以在井的早期提供數(shù)據(jù)來校準地表地震圖像的深度，從而影響完井策略。

在石油和天然氣的生產(chǎn)過程中，需要考慮井下發(fā)生的動態(tài)過程以減少水的產(chǎn)出。在生產(chǎn)井的有效期，越來越多的水進入井筒占用了石油和天然氣的流動空間，導致了水產(chǎn)量增加，碳氫化合物的產(chǎn)量減少。而將DAS與分布式溫度傳感（DTS）在井下相結合使用，就能夠識別進入的水源。DAS可以用來確定聲速（壓力波在流體中傳播的速度），而聲速是根據(jù)油管內(nèi)流動的油、水和氣體的比例而變化，例如：水中的聲速比油中的聲速快。因此，可以利用DAS技術獲得流動相并確定進水口位置。此外，由于流體從儲層壓力轉變到井筒壓力會引起壓力降，這將產(chǎn)生冷卻效應（如果游離氣體進入井筒）和摩擦加熱效應（如果流體進入井筒），以及考慮到油、氣和水的熱性質(zhì)變化，使用DTS系統(tǒng)提供的連續(xù)溫度剖面就可以定位進水點。

在運輸過程中，管道是至關重要的，因為它們向煉油廠提供原始油氣的長途運輸，并分別向中游和下游部門的終端用戶提供石油產(chǎn)品。相較于鐵路、卡車和船舶，管道能提供更大容量的碳氫化合物的連續(xù)運輸，且更加安全、環(huán)保、經(jīng)濟。因此，強烈建議通過監(jiān)測管道沿線的泄漏、變形和侵入來確保管道的完整性。而由于使用監(jiān)控攝像頭和人工監(jiān)督都難以監(jiān)控長達數(shù)千公里的管道，因此應該優(yōu)先采用分布式傳感技術來監(jiān)控管道。

上述的典型例子證實了感知油氣行業(yè)中各種參數(shù)的必要性。然而，所使用的傳感器必須經(jīng)過設計才能適應該行業(yè)惡劣的環(huán)境條件。這是因為在井下的溫度和壓力可以分別達到200℃和2000 bar。在其他情況下，比如當向井筒注入蒸汽（為了降低重油的粘度并提高回收率）時，井下溫度會超過300℃。此外，井下傳感器還可能會暴露在振動、沖擊、腐蝕性化學物質(zhì)和流體浸泡中。而且，管道還可能向沙漠、深海海底和極地輸送石油和天然氣。

雖然電子傳感器已經(jīng)被廣泛應用于石油和天然氣行業(yè)，可電子設備卻被認為是導致永久性井下測量和控制系統(tǒng)失效的重要原因之一。這是由于油氣井電子設備的可靠性會隨著井下溫度升高而逐步下降，而且石油和天然氣行業(yè)的預期產(chǎn)品壽命通常是5年或更長久，因此，在許多石油應用中根本不可能使用電子傳感器。此外，電子傳感器是一種有源設備，需要消耗電能才可以運行，這會引起了石油和天然氣行業(yè)的安全問題。

相比之下，得益于光纖的固有特性，光纖傳感器已經(jīng)在許多石油和天然氣應用中得到部署并取得成功。其中一個重要特點是光纖能夠在惡劣的條件下有效地運行，這非常適合應用于井下傳感（通過將光纖延申到井下并在地表鋪設光電傳感設備）。此外，光纖尺寸小，具有抗電磁干擾能力且傳感位置不需要電流，非常符合油氣行業(yè)的安全要求。另外，光纖還具有遠距離監(jiān)測物理參數(shù)的能力（管道監(jiān)測和井下傳感所必需的能力）。

光纖傳感器可分為三類：單點傳感器、準分布式傳感器和分布式傳感器。最初，光纖傳感器是作為點式傳感器被開發(fā)的，它沿著光纖監(jiān)測一個位置的環(huán)境參數(shù)。后來各種類型的單點光纖傳感器被推廣，包括基于光柵的傳感器（布拉格光柵FBG、長周期光柵LPG等）和干涉?zhèn)鞲衅鳎ǚú祭?珀羅、馬赫-森德等）。

隨著光的多路復用技術發(fā)展，如波長復用、時間復用和空間復用，離散的單點傳感器陣列可以沿著光纖進行多路復用，形成一個準分布式光纖傳感器。在石油和天然氣行業(yè)，單點和準分布式光纖傳感器已應用于許多領域，主要需要對沿管道或井下的聲學、溫度和（或）壓力進行離散監(jiān)測，例如管理井壓降和井內(nèi)壓力測量，以確保完井有效性、提供壓力累積數(shù)據(jù)、層間生產(chǎn)分配、生產(chǎn)率指數(shù)確定以及在井上升過程的監(jiān)測。

然而，在技術和成本方面，單點和準分布式光纖傳感器都不適用于需要連續(xù)空間傳感的石油應用（類似于碳氫化合物流的井下監(jiān)測、流體注入、蠟堆積和管道泄漏的監(jiān)測）。相比之下，因為光纖本身就是傳感器，分布式光纖傳感器可以通過監(jiān)測整個光纖長度的環(huán)境參數(shù)來提供豐富的信息。除了上述優(yōu)點外，分布式光纖傳感器還可以連續(xù)且實時地測量數(shù)十公里范圍的傳感參數(shù)，這大大降低了整體傳感成本。

在上游部門（圖1中負責勘探和生產(chǎn)的部門），通過在井下安裝光纖來傳遞有關井和儲層的數(shù)據(jù)，分布式光纖傳感器可被應用于多個領域，如地震剖面、水力裂縫分析、流量監(jiān)控、套管泄漏檢測、氣舉優(yōu)化設計與診斷等（如圖2）。

另一方面，分布式光纖傳感器可以通過將光纖連接或者靠近管道表面，監(jiān)測管道的入侵、泄漏和變形情況（如圖3）。

圖3 沿管道的分布式光纖傳感器應用實例

被廣泛應用于油氣行業(yè)的分布式光纖傳感器，其工作原理主要是基于光學散射（瑞利散射、布里淵散射或拉曼散射等）。一般來說，光散射是一個發(fā)生在所有角方向上的隨機統(tǒng)計過程。光纖中自發(fā)光散射的典型光譜（如圖4），包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。

圖4 自發(fā)光散射的典型光譜

在光纖制造過程中，二氧化硅分子以熔融狀態(tài)移動，然后隨機凍結，導致了沿光纖的密度波動。密度漲落在小于光學波長的尺度上引起折射率的隨機變化，從而引發(fā)了瑞利散射。瑞利散射是一種彈性現(xiàn)象，即入射光不將能量傳遞到玻璃上，且入射光與散射光之間沒有頻移。與之相反，布里淵和拉曼散射是由光子-聲子相互作用產(chǎn)生的，因此聲學（光學）聲子參與了布里淵（拉曼）散射，二者都是非彈性現(xiàn)象，即散射光的頻率與入射光的頻率發(fā)生偏移（見圖4）。

在瑞利峰的中心，布里淵散射和拉曼散射的下移和上移光譜分量，分別稱為斯托克斯分量和反斯托克斯分量。在圖4中，可以觀察到的最后一個散射現(xiàn)象是瑞利散射，由散射介質(zhì)的各向異性分子取向的波動產(chǎn)生。

根據(jù)介質(zhì)在散射過程中光學性質(zhì)的變化，光學散射可分為自發(fā)散射和受激散射。自發(fā)散射不會改變介質(zhì)的光學性質(zhì)，通常發(fā)生在低水平的入射光強度。當入射光的強度增大到改變介質(zhì)的光學性質(zhì)時，散射就會受到刺激。換句話說，從自發(fā)散射到受激散射的轉變，對應著介質(zhì)從線性光學體系到非線性光學體系的變化，二者都為用于石油和天然氣工業(yè)以及其他應用的分布式光纖傳感器提供了各種功能。

通過此部分內(nèi)容，我們回顧了分布式光纖傳感器在石油和天然氣行業(yè)中的部署，重點介紹了廣泛應用于油氣行業(yè)的光纖瑞利散射的 DAS和拉曼散射DTS的工作原理及石油應用。然后，我們將描述一個我們設計的基于多模光纖（MMF）的混合DAS-DTS系統(tǒng)。在這個混合系統(tǒng)中，使用了單一訊問傳感器，首次在油井中同時測量振動位置和頻率以及溫度剖面。接下來，我們將簡要介紹光纖布里淵分布式溫度和應變傳感（DTSS）的工作原理和石油應用（與DAS和DTS相比，DTSS在油氣行業(yè)中使用較少）。

該綜述進一步闡明了服務于石油和天然氣行業(yè)的商用光纖DAS、DTS和DTSS產(chǎn)品。最后，我們將指出阻礙油氣行業(yè)分布式光纖傳感器市場發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，并進一步討論該傳感技術的未來發(fā)展方向。

編輯：黃飛

?