2023年油井探测光纤传感系统发展与应用综述.doc

油井探测光纤传感系统开展与应用综述 四川汇源光通信 秦要武 本文介绍了油井探测光纤传感系统，主要从光纤传感系统、传感系统用光纤、传感系统用光缆几个方面来综合论述油井探测传感系统的开展和应用现状。 关键词： 油井 探测 传感 开展 应用 引言 随着石油资源不断减少，价格的高涨，催生石油开采技术的不断开展，以提高油井的产量，最大限度开掘资源的利用率。其中用于辅助石油开采的重要技术油井探测传感光缆及系统应用市场日益受到关注，在油田的开发过程中，人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料，以及注蒸汽井的吸汽剖面测试和采油过程中的井筒热场分布状态，从而科学指导油藏开发和生产管理这就要用到油井探测，其可靠性和准确性是至关重要的，而传统的电子基传感器无法在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。光纤传感系统可以克服这些困难，其对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压〔几十兆帕以上〕以及强烈的冲击与振动，可以高精度地测量井筒和井场环境参数，同时，光纤传感系统具有分布式测量能力，可以测量被测量的空间分布，给出剖面信息。而且，光纤传感系统横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小。随着技术不断进步和成熟，光纤传感系统在油井探测领域获得广泛的应用，石油公司、测井效劳公司、光缆公司、光纤传感器公司都参加了研究、开发、应用过程。本文综述了光纤传感系统在油井探测领域的开展与应用，总结在系统逐步商用中存在的一些问题。 一 光纤传感器系统 光纤传感系统利用光纤很多优异的性能，如抗电磁干扰和原子辐射的性能，径细、质软、重量轻的机械性能，绝缘、无感应的电气性能，耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等构成一类新的传感系统，能够在人达不到的地方〔如高温区〕，或者对人有害的地区〔如核辐射区〕，起到人的耳目的作用，而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。在油井探测领域应用最多的是光纤光栅传感系统和DTS分布式光纤传感系统。 光纤光栅传感系统的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格〔Bragg〕波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。由于光纤光栅与光纤之间天然的兼容性，很容易将多个光纤光栅串联在一根光纤上构成光纤光栅阵列，实现准分布式传感，加上光纤光栅具有普通光纤的许多优点外，且本身的传感信号为波长调制，测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗不受光源功率波动和系统损耗影响的特点，因此光纤光栅传感系统能够较为准确的对油井中的温度、压力进行测试。 DTS分布式光纤传感系统最常用和技术较为成熟的是基于拉曼效应的分布式光纤传感技术，光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光．斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度的关系可由下式表示： R(T)=(λa/λs)4 e (hcv0/kT)　　　　　 (1) 式中　λa、λs分别为斯托克斯光和反斯托克斯光波长；h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数；v0为入射光频度；T为绝对温度，即： 1/T=-k/ hcv0[lnR(T)+4ln(λa/λs)] (2) 对于固定的温度(恒温槽内定标温度)有： 1/T0=-k/ hcv0[lnR(T0)+4ln(λa/λs)] (3) 由(2)，(3)式可以得到： 1/T=1/T0-k/ hcv0[lnR(T)- lnR(T0)] (4) 由(4)式可以看出探测反斯托克斯光与斯托克斯光强度之比就可得到测量温度。与光时域反射技术 (即OTDR技术)结合就可构成分布式传感器。采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响，目前最好空间分辨力和温度分辨力分别能到达1m、1℃，测量范围为4～8km。 DTS分布式传感系统和光纤光栅传感技术有所不同，DTS光纤传感系统是基于光强度信号探测，而拉曼散射中的反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，因此通过探测反斯托克斯光的强度来探测温度，在实际应用中，由于反斯托克斯光非常微弱，因此需要足够的光强度和百万数量级的采样次数才能探测到温度，由于光在光纤中的传输速度是无法改变的，因此采用DTS传感系统测温在考虑定位精度、测温精度、反响灵敏度、空间分辨率等方面必须综合考虑，在反响时间和测温精度方面DTS技术较光纤光栅传感技术要稍显劣势，但是DTS技术可以连续大长度上分布式进行测试，这是即使多套光纤光栅串联构成的准分布式系统也无法比较的，还有DTS技术不需要解决光栅与光缆的连接密封技术难题，直接利用多层不锈钢管密封构成的光缆作为传感器以抵御井下高温、高压、高酸腐蚀等恶劣环境并保持长期工作。这两种技术各有优劣，要根据油井具体的环境和采集数据的应用需求综合评估后再选择适宜的系统。 二 光纤传感器系统用光纤 在油井中最常用的是DTS分布式传感系统和光纤光栅传感系统这两类，在已经商用这两类系统中DTS分布式传感技术主要采用的是多模光纤，光纤光栅传感技术主要采用的是单模光纤，从技术上讲这两类传感系统单模、多模光纤均可应用，只是技术上各有优缺点，限于篇幅，不再赘述。现在系统设备技术已经很成熟了，测温测压的数据精度都很高而且很稳定，在低温〔100℃以内〕区间，光纤传感器系统获取的数据已经加载在采油系统中并对其进行自动控制。但是，受光纤技术的限制，在高温〔100℃~300℃〕和超高温〔300℃~600℃〕 的油井中，光纤传感器系统仍然处在单系统试验试用阶段。 能够应用在油井光纤传感器系统中的光纤技术在于涂层材料的耐温和防护等级上的区别，涂层材料主要分为高分子材料和金属材料两大类。常规的通信用光纤由于采用的是丙烯酸树脂做涂覆材料，应用的极限温度是100℃，在80℃下长期工作完全没问题的，采用这类光纤加载的系统，现在已经广泛采用在中国各大油田常温井的开采中。另一种高分子材料涂层的聚酰亚胺涂覆的光纤，最高使用温度可以到达300℃，技术较为成熟，生产厂家有OFS、住友等，国内也有厂家在开发试制，从目前国内的应用情况来看，这种涂层的光纤短期300℃没有问题，在长期的应用中仍然存在问题，主要原因一是高温井中异常活泼的化学气体浸蚀入缆中对光纤造成损坏，还有就是缆中的填充物、氧气、水蒸气在长期高温下的降解、劣变突破涂层侵入光纤包层和芯径构成侵害。另一大类的金属涂层光纤有覆铝、覆铜、覆金等，覆铝、覆金光纤主要由美国Fiberguide公司研发生产，覆铜光纤主要由英国Oxford Electronics公司研发生产，覆铝光纤厂家提供的资料显示工作温度可以到达400℃，覆铜、覆金光纤厂家提供的资料显示工作温度可以到达600℃，这两个温度等级的光纤分别对应可适用于蒸汽驱油井和火驱油井环境中，但是如此高温环境下，各种有害分子极度活泼，仅靠不到0.1mm金属涂层很难有效保护光纤SiO2芯层的，由于金属涂层加工工艺难度很大，连续大长度无缺陷的覆盖光纤SiO2芯层技术上很困难，目前金属涂层光纤厂家都很难提供超过1km以上大长度产品也从侧面印证了这类产品的技术工艺难度。目前蒸汽驱油井和火驱油井还没有光纤传感器长期应用成功的案例报道，主要是受制于高温光纤的技术可靠性以及其高昂的价格。 三 光纤传感器系统用光缆结构 在油井中超过600℃高温、100MPa高压力、高化学腐蚀的恶劣环境中应用，不但要选用相应温度等级的特种光纤，对保护光纤的光缆结构设计也显得尤为重要。因为石油开发正在逐步向完善油藏动态、实施优化采油的智能化方向开展，为了实现这一目标，一个重要的技术手段就是对油井井下的生产动态实施多参数监测，这就需要长期稳定、实时在线的井下温度压力监测系统，至少保证一年的使用寿命才有商用的意义，这就必须采用特殊光缆结构，目前最常用的是采用一层或多层304不锈钢激光连续无缝焊接钢管封装光纤，再铠装加强钢丝的结构，不锈钢管中采用特种凝胶状填充化合物或者固体无机填充物作为光纤的缓冲和保护。大致有如下几种结构，图一：不锈钢管加铠装钢丝，该结构简单，适用于酸性不高含硫量低德常温井，图二：多层不锈钢管结构，多至五层结构，中间可加塑料套管，适用于酸性高含硫量高压力高的常温或高温井，图三：多层不锈钢管夹铝管结构，适用于酸性高含硫量高压力高的常温或高温井，图四：不锈钢管夹带钢丝结构，适用于酸性高含硫量高井较深的高温井。 图一 图二 图三 图四 光缆结构设计对于传感系统在高温井中的长期工作至关重要，特别是在高温高硫的火驱油井中的应用对光缆结构要求非常高，技术难度很大。但是国内现在参与这个领域的光纤光缆企业都是拥有十几年光缆设计与制造经验的技术性队伍，完全有能力攻克这些技术难关，提供光纤传感系统长期工作的有力保障。 四 结语 光纤探测传感系统在油井监测应用领域的应用研究上已取得可喜的进步,并逐步进入商用，虽然我国在这方面的研究很多，但核心的自主知识产权技术较少，应加大根底研究，在关键技术上力争突破，降低光纤探测传感系统综合本钱，由单参数系统到组合化多参数系统 ，特别是多参数的油井永久监测及其网络化智能化传感监控系统是当前以及今后一段时间所面临的主要问题和攻关目标，最终的目的是对油井进行动态监测、优化油藏开采方案、提高采收率，形成现代高技术油气开采的有力科技支撑。 参考文献： [1]谭廷栋，中国石油测井学科开展及展望 [J]．确实物理学报，1997，40〔增刊〕；344~350； [2] 王玉田，光电子学与光纤传感器技术[M].北京国防工业出版社，2023； [3]刘建胜，李铮，张其善．基于拉曼散射的光纤分布式温度测量系统的空间分辨力[J]．光学学报，1999； [4]张义强，杜永欣，吴国伟，等．油井分布式光线测温系统研究与应用[J]．石油机械，2023，31(6)：6—9． [5]刘建胜，李铮．光纤拉曼测温系统的温度标定及设计考虑[J]．光学学报，2023，23(10)：26—27．