分布式聲學(xué)傳感（DAS）是一種基于瑞利散射的光纖系統(tǒng)。光纖光纜充當(dāng)傳感元件，進(jìn)行測(cè)量、處理和分析以傳遞關(guān)鍵數(shù)據(jù)，我們將在下文探討其中的一些示例。?

DAS系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)聲頻應(yīng)變信號(hào)，有時(shí)可以在遠(yuǎn)距離甚至極端環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。基于瑞利散射的傳感是通過沿光纖發(fā)送激光脈沖實(shí)現(xiàn)的，該激光脈沖在光纖內(nèi)散射，使光纖充當(dāng)一個(gè)標(biāo)距長(zhǎng)度大約等于脈沖長(zhǎng)度的分布式干涉儀。反射光的強(qiáng)度被測(cè)量為激光脈沖傳輸后的時(shí)間函數(shù)。在下一個(gè)激光脈沖沿著光纖發(fā)送之前，脈沖在整個(gè)光纖長(zhǎng)度上傳播并返回。該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變和溫度極其敏感，因此讀數(shù)非常準(zhǔn)確。

DAS是一項(xiàng)服務(wù)于許多應(yīng)用的技術(shù)，有利于提高石油和天然氣行業(yè)的生產(chǎn)質(zhì)量和效率。它通常用于管道的連續(xù)監(jiān)測(cè)，檢查干擾、阻塞、泄漏和故障；用于測(cè)量私人邊界；在油井監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)生產(chǎn)至關(guān)重要。由于該技術(shù)能夠以極高的靈敏度和精度在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境下工作，其潛力是無(wú)可比擬的，以下是在石油和天然氣行業(yè)投資光纖的八大突出原因：

一、地震拖纜

由于海洋面積廣闊且條件艱苦，很難監(jiān)測(cè)，因此需要專業(yè)的方法來傳遞準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。地震拖纜是監(jiān)測(cè)海洋的海面光纜，對(duì)于了解沿海和海洋動(dòng)態(tài)、不同時(shí)間和空間尺度的漏洞以及解釋全球和當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響是必不可少的。油氣行業(yè)的海洋監(jiān)測(cè)中一項(xiàng)基本功能是查明和定位精確定位石油鉆探的最佳區(qū)域。?

現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更需要進(jìn)行海洋監(jiān)測(cè)。由于溫室氣體排放增加、海岸污染、過度捕撈、沿海開發(fā)以及人口增長(zhǎng)帶來的壓力，世界海洋、海岸和海洋生態(tài)系統(tǒng)正在面臨重大改變與挑戰(zhàn)。石油鉆探人員需要準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)海洋，確定最佳鉆井位置，并盡可能降低對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成危害的風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)海洋的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可以防止危險(xiǎn)的錯(cuò)誤發(fā)生。?

地震拖纜是連接水聽器的海面光纜。水聽器有一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以捕捉陸上重物撞擊地面時(shí)引起的振動(dòng)響應(yīng)。傳感器可以將數(shù)據(jù)傳遞到部署了地震拖纜的地震記錄船上。地震數(shù)據(jù)是同一地區(qū)不同時(shí)間采集到的三維數(shù)據(jù)，它用于監(jiān)測(cè)每個(gè)隨時(shí)間發(fā)生的變化，包括流體運(yùn)移、飽和度、壓力和溫度的變化。?

分布式聲學(xué)傳感（DAS）技術(shù)可以將海洋光纜轉(zhuǎn)換為地震檢波器。帶海洋光纜設(shè)計(jì)的光纖光纜可生成海底及下伏地質(zhì)構(gòu)造的地震圖像。這些圖像是通過從檢波器和船體反射的信號(hào)中中繼的回聲生成的。從DAS獲取的地震圖像可以用于支持地質(zhì)災(zāi)害分析和其他地下勘探活動(dòng)。?

圖1 地震拖纜的海上作業(yè)情況

二、海底光纜

海洋占據(jù)了地球表面的大部分且現(xiàn)在正面臨著最嚴(yán)苛的環(huán)境挑戰(zhàn)；因此，探索和監(jiān)測(cè)海洋對(duì)于我們了解世界是至關(guān)重要的同時(shí)，也極其困難。除了監(jiān)測(cè)環(huán)境具有挑戰(zhàn)性外，海底的龐大體積還帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)：要求設(shè)備能夠在大范圍內(nèi)運(yùn)行并具有彈性（能夠復(fù)原）。?

當(dāng)我們更了解海洋情況，我們可以增進(jìn)對(duì)海洋地質(zhì)學(xué)、近海地震、洋流、海浪、沉積物運(yùn)移和海洋哺乳動(dòng)物等諸多活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。此外，通過探測(cè)海洋環(huán)境的變化，我們最終可以創(chuàng)建一幅先前未知的斷層系統(tǒng)圖，并監(jiān)測(cè)海底動(dòng)態(tài)過程。?

具有分布式聲學(xué)傳感（DAS）功能的海底光纜（也稱為水下光纜或洋底光纜）是安裝在海底的光纖光纜，能夠記錄地震數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接涗洿Ｋ鹿饫w網(wǎng)絡(luò)能夠通過分析海底長(zhǎng)途光纜的應(yīng)力、應(yīng)變和壓力來預(yù)測(cè)海浪、海嘯和地震。

DAS 利用光纖作為傳感器，將海底通信光纜轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)大的地震檢波器，用于勘測(cè)海底。與其他測(cè)量方法相比，DAS 測(cè)量因其可以在海洋環(huán)境中評(píng)估數(shù)據(jù)的質(zhì)量，具有顯著優(yōu)勢(shì)。此外，具有分布式聲學(xué)傳感功能的海底光纜（可以快速傳輸大量信息）通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)千公里。因此，能夠制造更長(zhǎng)距離的光纖金屬保護(hù)管（FIMT，一種使光纜能夠在具有挑戰(zhàn)性的惡劣環(huán)境下運(yùn)行的保護(hù)元件）是一種至關(guān)重要的優(yōu)勢(shì)。?

最近，NBG公司通過建造一條長(zhǎng)達(dá)50公里的新型FIMT護(hù)套線，在制造連續(xù)長(zhǎng)度更長(zhǎng)的FIMT方面取得了重大飛躍，這也使該公司在海底光纜行業(yè)的優(yōu)勢(shì)更加突出。而因?yàn)镹BG公司的光纖金屬保護(hù)管（FIMT）所需的拼接更少，在使用長(zhǎng)度更長(zhǎng)的FIMT時(shí)，NBG公司能為其客戶節(jié)省大量資金（這對(duì)工程來說可以節(jié)省下一筆相當(dāng)可觀的費(fèi)用）。

圖2 海底光纜作業(yè)情況

三、井下地震勘測(cè)

在油氣行業(yè)，井下地震勘測(cè)用于石油和天然氣開發(fā)的勘探階段，查明地下物質(zhì)組成。因此，對(duì)于開采項(xiàng)目來說，勘探人員需要在鉆探之前盡可能多地了解地下組成部分的性質(zhì)。?

通常使用三種主要方法來尋找地下的碳?xì)浠衔铮旱厍蛭锢怼⑦b感和野外勘探。選擇最佳方法將有助于查明資源最豐富的區(qū)域，從而獲得豐厚的投資回報(bào)。??

可以通過井下地震勘測(cè)來評(píng)估縱波和橫波速度隨深度的變化，其中速度數(shù)據(jù)可以用于輔助特定地點(diǎn)的地震地質(zhì)響應(yīng)。?

具有分布式聲學(xué)傳感功能的光纖傳感器光纜被用作地震檢波器，用于分析土壤和巖石力學(xué)與結(jié)構(gòu)。震源位于地面，光纖傳感器光纜位于井下。收集到的數(shù)據(jù)是（由光纖傳感器光纜測(cè)量的）縱波和橫波從位于地面的震源穿過井眼的傳播時(shí)間。?

分布式聲學(xué)傳感能夠?qū)崟r(shí)地提供最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，具有卓越的價(jià)值。??

井下地震勘測(cè)的諸多優(yōu)點(diǎn)包括：?

1.計(jì)算彈性模量和巖土動(dòng)力特性?

2.地震場(chǎng)地分類的30計(jì)算?

3.斷層、剪切帶和空隙的監(jiān)測(cè)?

4.在二維或三維中診斷問題域?

5.灌漿前和灌漿后的勘測(cè)?

6.構(gòu)造恢復(fù)時(shí)的質(zhì)量控制?

7.通過地震速度分析對(duì)材料進(jìn)行定量評(píng)估?

8.地震橫波和縱波速度測(cè)深

9.通過估計(jì)材料的動(dòng)力系數(shù)來確定巖石或混凝土的質(zhì)量?

10.基巖斷層和剪切帶的監(jiān)測(cè)?

圖3 井下地震勘測(cè)

四、砂粒探測(cè)

許多形式的防砂機(jī)械系統(tǒng)效果不佳，導(dǎo)致進(jìn)砂和生產(chǎn)效果不佳。出砂主要在以下三個(gè)方面影響管道設(shè)計(jì)和整體操作。首先，管道中的砂粒會(huì)加劇管道侵蝕；其次，需要足夠高的流體速度來攜帶和清除流線中的砂粒，防止沙子沉積物阻塞管道內(nèi)的流動(dòng)；最后一個(gè)原因就是管道內(nèi)的砂粒沉積可能會(huì)阻止抑制化學(xué)物質(zhì)（如腐蝕化學(xué)物質(zhì)）接觸管壁，使化學(xué)物質(zhì)的作用失效。

無(wú)效的防砂措施會(huì)導(dǎo)致井的完整性受損。儲(chǔ)層段的砂體侵入會(huì)導(dǎo)致碳?xì)浠衔锂a(chǎn)量減少。克服這個(gè)問題將極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量，?同時(shí)允許維護(hù)應(yīng)用程序的使用周期變得更加容易。

分布式聲學(xué)傳感技術(shù)是井下探砂的主要候選技術(shù)。基于光纖的聲學(xué)傳感系統(tǒng)作為傳感元件，使用注入光纖的后向散射光來監(jiān)測(cè)的整個(gè)光纖的聲學(xué)擾動(dòng)。??

分布式聲學(xué)傳感能夠在源頭實(shí)時(shí)地處理數(shù)據(jù)，允許在以下場(chǎng)景應(yīng)用：?

1.監(jiān)測(cè)出砂流線?

2.監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程中的進(jìn)砂情況?

3.增加碳?xì)浠衔锂a(chǎn)量?

4.通知并實(shí)施有針對(duì)性的堵漏作業(yè)?

5.在增產(chǎn)和生產(chǎn)作業(yè)期間，控制和管理與砂相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)?

6.石油生產(chǎn)的優(yōu)化?

7.評(píng)估生產(chǎn)過程中防砂設(shè)備的可靠性，有助于改進(jìn)未來的設(shè)計(jì)?

圖4 砂粒探測(cè)

五、井筒周邊入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PIDS）

井筒是油氣行業(yè)的一項(xiàng)資產(chǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)以維持井筒的安全性和生產(chǎn)的完整性。如果選擇了無(wú)效的安全方法，該場(chǎng)地的生產(chǎn)很容易受到影響，從而造成負(fù)面財(cái)務(wù)影響。?

如果可以確定井筒位置周邊存在入侵者，那么就能夠更好地確保生產(chǎn)的完整性。因此，使用一個(gè)能夠承受住所有條件，性能卻未降低的入侵系統(tǒng)是有必要的。而在選擇入侵監(jiān)測(cè)方法時(shí)，必須考慮且優(yōu)先考慮的因素是：在入侵試圖進(jìn)入之前就監(jiān)測(cè)到入侵，并在盡可能早的階段向控制中心發(fā)出警報(bào)。?

周邊入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（PIDS）是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，涵蓋了各種技術(shù)，這些技術(shù)用于監(jiān)測(cè)試圖進(jìn)入安全區(qū)域的不受歡迎的入侵者。PIDS對(duì)于任何高安全性站點(diǎn)都至關(guān)重要，它們使組織工作完全安全并降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。?

PIDS并不會(huì)取代監(jiān)控?cái)z像機(jī)，它們與現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)一起運(yùn)作，提供實(shí)時(shí)的早期入侵監(jiān)測(cè)。此外，該技術(shù)主要是被動(dòng)的，而且在受電磁干擾或極端天氣條件下，抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)實(shí)、可復(fù)原。?

與傳統(tǒng)的監(jiān)視手段相比，光纖技術(shù)具有許多優(yōu)勢(shì)。例如，只需要埋在地下（或者安裝在墻壁上、柵欄上）的單個(gè)檢測(cè)單元就可以為各種規(guī)模的區(qū)域提供完全可擴(kuò)展且強(qiáng)大的安全性。此外，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的技術(shù)相比，光纖監(jiān)控系統(tǒng)是更具成本效益的解決方案，并且它能夠提供更低的終生擁有成本。?

圖5 井筒周邊入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于周邊入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是NBG公司的核心專業(yè)領(lǐng)域之一，其可提供的服務(wù)包括：?

1.井筒現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)解決方案?

2.任意長(zhǎng)度周長(zhǎng)的解決方案?

3.符合客戶要求的面向未來技術(shù)?

4.一個(gè)軟件平臺(tái)?

5.可以與現(xiàn)有安全系統(tǒng)集成的系統(tǒng)?

6.適用于不同地形：土壤、沙子和礫石?

NBG公司采用創(chuàng)新技術(shù)和彈性材料，為井筒現(xiàn)場(chǎng)提供具有最高安全性的光纖監(jiān)控系統(tǒng)，即使在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中也能發(fā)揮作用。?

六、裂縫監(jiān)測(cè)

自1940 年以來，水力壓裂法一直是一種可行的地面鉆探天然氣的方法。不管怎樣，由于尋找地下自然資源的難度增加，它最近才開始流行起來。美國(guó)的傳統(tǒng)天然氣資源正在枯竭，水力壓裂仍被視為一種有吸引力且可盈利的方法。?

在地下數(shù)百米處開鑿一個(gè)豎井，然后在含油和（或）含氣巖石中鉆一個(gè)水平孔。接下來，使用高性能泵將壓裂液輸送到地下，穿透巖層并產(chǎn)生裂縫。在此過程中，沙子也被泵入巖層（其作用是防止裂縫閉合），這樣石油或天然氣就可以很容易地從巖石中產(chǎn)出。??

如果使用得當(dāng)，水力壓裂法將有助于滿足低成本能源的需求。此外，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)油井狀況進(jìn)行準(zhǔn)確部署，將大大降低污染水源的可能性，這是也水力壓裂作業(yè)最迫切的問題之一。而且成功的光纖部署還將防止有害和有毒物質(zhì)（包括溫室氣體）在無(wú)意中釋放到環(huán)境中。?

光纖監(jiān)測(cè)能夠從分布式溫度傳感（DTS）和分布式聲學(xué)傳感（DAS）獲得的數(shù)據(jù)中提供實(shí)時(shí)和有意義的見解。具有這種洞察力的作業(yè)者將能夠更好且全面地了解地下情況，并做出有助于確定最佳裂縫位置和應(yīng)用性能的決策和調(diào)整。

實(shí)施DAS和DTS的結(jié)果是一個(gè)更精確的過程，可以產(chǎn)生更好的結(jié)果并減少作業(yè)效率低下和出錯(cuò)的可能性。

圖6 裂縫監(jiān)測(cè)

七、水力壓裂過程中的壓裂沖擊

井在水力壓裂中產(chǎn)生的壓力會(huì)影響附近的井（無(wú)論是水平井還是垂直井），這被稱為“壓裂沖擊”。盡管它們的強(qiáng)度不等，但兩口井之間的連通會(huì)導(dǎo)致壓力峰值，在抵消側(cè)出現(xiàn)出砂問題，這對(duì)生產(chǎn)來說是災(zāi)難性的。??

以下因素將決定壓裂沖擊的嚴(yán)重程度：

1.井距：舊井與正在壓裂的新井有多近？?

2.地層特征：儲(chǔ)層中流體（流動(dòng)的地層）的滲透性如何？井里有裂縫嗎？?

3.壓力枯竭：如果壓力下降，則可以為新裂縫創(chuàng)建一個(gè)壓力降。鉆井時(shí)間越長(zhǎng)，壓裂效果越明顯。

4.子母井：鉆井時(shí)間越長(zhǎng)，壓裂效果越明顯，這被稱為母井。

對(duì)抗“壓裂沖擊”的影響

首先，與母井的所有者溝通，并且任何工作都要告知他們。此外，作業(yè)者應(yīng)確保設(shè)備已經(jīng)過改裝，可以應(yīng)對(duì)壓裂沖擊，從而降低損壞的幾率。光纖技術(shù)在該對(duì)抗這些影響方面發(fā)揮著最重要的作用。?

減輕甚至消除壓裂影響的最有效方法是測(cè)繪技術(shù)：光纖微地震監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)井壓，作業(yè)者可以評(píng)估壓裂沖擊發(fā)生的時(shí)間與嚴(yán)重程度。對(duì)油井產(chǎn)量的監(jiān)測(cè)也預(yù)示著即將發(fā)生的壓裂沖擊（即將發(fā)生壓裂沖擊的標(biāo)志是產(chǎn)量迅速下降），增加的水量表明，新壓裂井的液體正在進(jìn)入已經(jīng)生產(chǎn)的井。

光纖是一種提供改進(jìn)診斷方法的工具。分布式聲學(xué)傳感（DAS）甚至分布式溫度傳感（DTS）可以測(cè)量關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以確定井的狀況。DAS提供了有關(guān)裂縫與鄰近井相互作用時(shí)應(yīng)變響應(yīng)的重要數(shù)據(jù)，這得到了光纖微震分析的支持，使該分析顯示了微震事件的時(shí)間序列，并揭示了裂縫網(wǎng)絡(luò)。微地震分析是一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，可讓作業(yè)者獲得必要的信息。?

NBG公司可以提供與DAS和DTS相匹配的全面微地震解決方案，幫助作業(yè)者了解井下狀況與特征。此外，光纖解決方案堅(jiān)固耐用且易于部署，已成為石油和天然氣行業(yè)水力壓裂應(yīng)用的重要組成部分。

圖7 水力壓裂過程中的壓裂沖擊

八、管道監(jiān)測(cè)

管道監(jiān)測(cè)是中游油氣應(yīng)用中的一項(xiàng)重要措施，可防止代價(jià)高昂的泄漏對(duì)環(huán)境、財(cái)產(chǎn)和人員造成潛在的災(zāi)難性后果。光纖傳感技術(shù)代表了最高效可靠的方法；管道監(jiān)測(cè)中的分布式聲學(xué)傳感（DAS）通過即時(shí)泄漏監(jiān)測(cè)和精確定位泄漏源，保證了整個(gè)下游過程中管道和產(chǎn)品的完整性。?

NBG公司的FIMT（光纖金屬護(hù)套線）是管道監(jiān)測(cè)的理想選擇，因?yàn)樗梢愿采w至很遠(yuǎn)的距離，在惡劣的條件下也具有彈性和耐用性，現(xiàn)場(chǎng)安裝后幾乎不需要維護(hù)，并且在各種氣象條件下都表現(xiàn)良好。能夠在惡劣環(huán)境下運(yùn)作是重工業(yè)的絕對(duì)先決條件，例如，石油和天然氣行業(yè)的流程復(fù)雜，涉及大型和重型產(chǎn)品、設(shè)備和設(shè)施。而NBG公司的光纖金屬護(hù)套線（FIMT）是使光纖能夠在世界上某些極惡劣環(huán)境下工作的保護(hù)元件。?

FIMT 中的光纖用作傳感器，能夠在長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的管道中監(jiān)測(cè)到溫度和聲學(xué)信息。使用該技術(shù)監(jiān)控管道，任何由外部影響、企圖盜竊或由泄漏引起的擾亂都將被立即發(fā)現(xiàn)，并在米級(jí)精度內(nèi)定位。

通過使用光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，管道內(nèi)的其他事件也可以監(jiān)測(cè)到，例如：負(fù)壓波 （NPW）、由于結(jié)蠟或水合物形成、鏟運(yùn)機(jī)、清管器和液體積聚導(dǎo)致的流體收縮。DAS和DTS技術(shù)可以單獨(dú)實(shí)施，也可以在同一根光纜內(nèi)實(shí)施，在所有操作環(huán)境下（流體、氣體和多相流態(tài)），為陸上和海上管道提供全面的管道泄漏監(jiān)測(cè)和連續(xù)監(jiān)測(cè)。?

在不使用光纖監(jiān)控，管理長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的管道是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。此外，未能識(shí)別泄漏或無(wú)法監(jiān)測(cè)泄漏的確切位置會(huì)帶來巨大的財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境后果。?

圖8 管道監(jiān)測(cè)

編輯：黃飛

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