分布式聲學傳感在石油和天然氣行業的應用分析

分布式聲學傳感（DAS）是一種基于瑞利散射的光纖系統。光纖光纜充當傳感元件，進行測量、處理和分析以傳遞關鍵數據，我們將在下文探討其中的一些示例。?

DAS系統能夠監測聲頻應變信號，有時可以在遠距離甚至極端環境下進行監測?；谌鹄⑸涞膫鞲惺峭ㄟ^沿光纖發送激光脈沖實現的，該激光脈沖在光纖內散射，使光纖充當一個標距長度大約等于脈沖長度的分布式干涉儀。反射光的強度被測量為激光脈沖傳輸后的時間函數。在下一個激光脈沖沿著光纖發送之前，脈沖在整個光纖長度上傳播并返回。該系統對應變和溫度極其敏感，因此讀數非常準確。

DAS是一項服務于許多應用的技術，有利于提高石油和天然氣行業的生產質量和效率。它通常用于管道的連續監測，檢查干擾、阻塞、泄漏和故障；用于測量私人邊界；在油井監測應用中，實時監測對生產至關重要。由于該技術能夠以極高的靈敏度和精度在具有挑戰性的環境下工作，其潛力是無可比擬的，以下是在石油和天然氣行業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，很難監測，因此需要專業的方法來傳遞準確的數據。地震拖纜是監測海洋的海面光纜，對于了解沿海和海洋動態、不同時間和空間尺度的漏洞以及解釋全球和當地環境的影響是必不可少的。油氣行業的海洋監測中一項基本功能是查明和定位精確定位石油鉆探的最佳區域。?

現在比以往任何時候都更需要進行海洋監測。由于溫室氣體排放增加、海岸污染、過度捕撈、沿海開發以及人口增長帶來的壓力，世界海洋、海岸和海洋生態系統正在面臨重大改變與挑戰。石油鉆探人員需要準確地監測海洋，確定最佳鉆井位置，并盡可能降低對海洋生態系統造成危害的風險。而對海洋的準確監測可以防止危險的錯誤發生。?

地震拖纜是連接水聽器的海面光纜。水聽器有一個傳感器網絡，可以捕捉陸上重物撞擊地面時引起的振動響應。傳感器可以將數據傳遞到部署了地震拖纜的地震記錄船上。地震數據是同一地區不同時間采集到的三維數據，它用于監測每個隨時間發生的變化，包括流體運移、飽和度、壓力和溫度的變化。?

分布式聲學傳感（DAS）技術可以將海洋光纜轉換為地震檢波器。帶海洋光纜設計的光纖光纜可生成海底及下伏地質構造的地震圖像。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災害分析和其他地下勘探活動。?

圖1 地震拖纜的海上作業情況

二、海底光纜

海洋占據了地球表面的大部分且現在正面臨著最嚴苛的環境挑戰；因此，探索和監測海洋對于我們了解世界是至關重要的同時，也極其困難。除了監測環境具有挑戰性外，海底的龐大體積還帶來了另一個挑戰：要求設備能夠在大范圍內運行并具有彈性（能夠復原）。?

當我們更了解海洋情況，我們可以增進對海洋地質學、近海地震、洋流、海浪、沉積物運移和海洋哺乳動物等諸多活動的認識。此外，通過探測海洋環境的變化，我們最終可以創建一幅先前未知的斷層系統圖，并監測海底動態過程。?

具有分布式聲學傳感（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，能夠記錄地震數據并將數據傳輸到記錄船。水下光纖網絡能夠通過分析海底長途光纜的應力、應變和壓力來預測海浪、海嘯和地震。

DAS 利用光纖作為傳感器，將海底通信光纜轉變為強大的地震檢波器，用于勘測海底。與其他測量方法相比，DAS 測量因其可以在海洋環境中評估數據的質量，具有顯著優勢。此外，具有分布式聲學傳感功能的海底光纜（可以快速傳輸大量信息）通常長達數千公里。因此，能夠制造更長距離的光纖金屬保護管（FIMT，一種使光纜能夠在具有挑戰性的惡劣環境下運行的保護元件）是一種至關重要的優勢。?

最近，NBG公司通過建造一條長達50公里的新型FIMT護套線，在制造連續長度更長的FIMT方面取得了重大飛躍，這也使該公司在海底光纜行業的優勢更加突出。而因為NBG公司的光纖金屬保護管（FIMT）所需的拼接更少，在使用長度更長的FIMT時，NBG公司能為其客戶節省大量資金（這對工程來說可以節省下一筆相當可觀的費用）。

圖2 海底光纜作業情況

三、井下地震勘測

在油氣行業，井下地震勘測用于石油和天然氣開發的勘探階段，查明地下物質組成。因此，對于開采項目來說，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。?

通常使用三種主要方法來尋找地下的碳氫化合物：地球物理、遙感和野外勘探。選擇最佳方法將有助于查明資源最豐富的區域，從而獲得豐厚的投資回報。??

可以通過井下地震勘測來評估縱波和橫波速度隨深度的變化，其中速度數據可以用于輔助特定地點的地震地質響應。?

具有分布式聲學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與結構。震源位于地面，光纖傳感器光纜位于井下。收集到的數據是（由光纖傳感器光纜測量的）縱波和橫波從位于地面的震源穿過井眼的傳播時間。?

分布式聲學傳感能夠實時地提供最準確的數據，具有卓越的價值。??

井下地震勘測的諸多優點包括：?

1.計算彈性模量和巖土動力特性?

2.地震場地分類的30計算?

3.斷層、剪切帶和空隙的監測?

4.在二維或三維中診斷問題域?

5.灌漿前和灌漿后的勘測?

6.構造恢復時的質量控制?

7.通過地震速度分析對材料進行定量評估?

8.地震橫波和縱波速度測深

9.通過估計材料的動力系數來確定巖石或混凝土的質量?

10.基巖斷層和剪切帶的監測?

圖3 井下地震勘測

四、砂粒探測

許多形式的防砂機械系統效果不佳，導致進砂和生產效果不佳。出砂主要在以下三個方面影響管道設計和整體操作。首先，管道中的砂粒會加劇管道侵蝕；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的流動；最后一個原因就是管道內的砂粒沉積可能會阻止抑制化學物質（如腐蝕化學物質）接觸管壁，使化學物質的作用失效。

無效的防砂措施會導致井的完整性受損。儲層段的砂體侵入會導致碳氫化合物產量減少?？朔@個問題將極大地提高產品質量，?同時允許維護應用程序的使用周期變得更加容易。

分布式聲學傳感技術是井下探砂的主要候選技術?；诠饫w的聲學傳感系統作為傳感元件，使用注入光纖的后向散射光來監測的整個光纖的聲學擾動。??

分布式聲學傳感能夠在源頭實時地處理數據，允許在以下場景應用：?

1.監測出砂流線?

2.監測生產過程中的進砂情況?

3.增加碳氫化合物產量?

4.通知并實施有針對性的堵漏作業?

5.在增產和生產作業期間，控制和管理與砂相關的風險?

6.石油生產的優化?

7.評估生產過程中防砂設備的可靠性，有助于改進未來的設計?

圖4 砂粒探測

五、井筒周邊入侵監測系統（PIDS）

井筒是油氣行業的一項資產，需要對其進行保護以維持井筒的安全性和生產的完整性。如果選擇了無效的安全方法，該場地的生產很容易受到影響，從而造成負面財務影響。?

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的完整性。因此，使用一個能夠承受住所有條件，性能卻未降低的入侵系統是有必要的。而在選擇入侵監測方法時，必須考慮且優先考慮的因素是：在入侵試圖進入之前就監測到入侵，并在盡可能早的階段向控制中心發出警報。?

周邊入侵監測系統（PIDS）是一個通用術語，涵蓋了各種技術，這些技術用于監測試圖進入安全區域的不受歡迎的入侵者。PIDS對于任何高安全性站點都至關重要，它們使組織工作完全安全并降低運營風險。?

PIDS并不會取代監控攝像機，它們與現有的監控系統一起運作，提供實時的早期入侵監測。此外，該技術主要是被動的，而且在受電磁干擾或極端天氣條件下，抗干擾能力強，結實、可復原。?

與傳統的監視手段相比，光纖技術具有許多優勢。例如，只需要埋在地下（或者安裝在墻壁上、柵欄上）的單個檢測單元就可以為各種規模的區域提供完全可擴展且強大的安全性。此外，與競爭對手的技術相比，光纖監控系統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 井筒周邊入侵監測系統

由于周邊入侵監測系統是NBG公司的核心專業領域之一，其可提供的服務包括：?

1.井筒現場監測解決方案?

2.任意長度周長的解決方案?

3.符合客戶要求的面向未來技術?

4.一個軟件平臺?

5.可以與現有安全系統集成的系統?

6.適用于不同地形：土壤、沙子和礫石?

NBG公司采用創新技術和彈性材料，為井筒現場提供具有最高安全性的光纖監控系統，即使在最具挑戰性的環境中也能發揮作用。?

六、裂縫監測

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。美國的傳統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。?

在地下數百米處開鑿一個豎井，然后在含油和（或）含氣巖石中鉆一個水平孔。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出。??

如果使用得當，水力壓裂法將有助于滿足低成本能源的需求。此外，能夠對監測油井狀況進行準確部署，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（包括溫室氣體）在無意中釋放到環境中。?

光纖監測能夠從分布式溫度傳感（DTS）和分布式聲學傳感（DAS）獲得的數據中提供實時和有意義的見解。具有這種洞察力的作業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用性能的決策和調整。

實施DAS和DTS的結果是一個更精確的過程，可以產生更好的結果并減少作業效率低下和出錯的可能性。

圖6 裂縫監測

七、水力壓裂過程中的壓裂沖擊

井在水力壓裂中產生的壓力會影響附近的井（無論是水平井還是垂直井），這被稱為“壓裂沖擊”。盡管它們的強度不等，但兩口井之間的連通會導致壓力峰值，在抵消側出現出砂問題，這對生產來說是災難性的。??

以下因素將決定壓裂沖擊的嚴重程度：

1.井距：舊井與正在壓裂的新井有多近？?

2.地層特征：儲層中流體（流動的地層）的滲透性如何？井里有裂縫嗎？?

3.壓力枯竭：如果壓力下降，則可以為新裂縫創建一個壓力降。鉆井時間越長，壓裂效果越明顯。

4.子母井：鉆井時間越長，壓裂效果越明顯，這被稱為母井。

對抗“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，作業者應確保設備已經過改裝，可以應對壓裂沖擊，從而降低損壞的幾率。光纖技術在該對抗這些影響方面發揮著最重要的作用。?

減輕甚至消除壓裂影響的最有效方法是測繪技術：光纖微地震監測。通過監測井壓，作業者可以評估壓裂沖擊發生的時間與嚴重程度。對油井產量的監測也預示著即將發生的壓裂沖擊（即將發生壓裂沖擊的標志是產量迅速下降），增加的水量表明，新壓裂井的液體正在進入已經生產的井。

光纖是一種提供改進診斷方法的工具。分布式聲學傳感（DAS）甚至分布式溫度傳感（DTS）可以測量關鍵數據，以確定井的狀況。DAS提供了有關裂縫與鄰近井相互作用時應變響應的重要數據，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間序列，并揭示了裂縫網絡。微地震分析是一種經濟高效的解決方案，可讓作業者獲得必要的信息。?

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

圖7 水力壓裂過程中的壓裂沖擊

八、管道監測

管道監測是中游油氣應用中的一項重要措施，可防止代價高昂的泄漏對環境、財產和人員造成潛在的災難性后果。光纖傳感技術代表了最高效可靠的方法；管道監測中的分布式聲學傳感（DAS）通過即時泄漏監測和精確定位泄漏源，保證了整個下游過程中管道和產品的完整性。?

NBG公司的FIMT（光纖金屬護套線）是管道監測的理想選擇，因為它可以覆蓋至很遠的距離，在惡劣的條件下也具有彈性和耐用性，現場安裝后幾乎不需要維護，并且在各種氣象條件下都表現良好。能夠在惡劣環境下運作是重工業的絕對先決條件，例如，石油和天然氣行業的流程復雜，涉及大型和重型產品、設備和設施。而NBG公司的光纖金屬護套線（FIMT）是使光纖能夠在世界上某些極惡劣環境下工作的保護元件。?

FIMT 中的光纖用作傳感器，能夠在長達數百米的管道中監測到溫度和聲學信息。使用該技術監控管道，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現，并在米級精度內定位。

通過使用光纖監測系統，管道內的其他事件也可以監測到，例如：負壓波 （NPW）、由于結蠟或水合物形成、鏟運機、清管器和液體積聚導致的流體收縮。DAS和DTS技術可以單獨實施，也可以在同一根光纜內實施，在所有操作環境下（流體、氣體和多相流態），為陸上和海上管道提供全面的管道泄漏監測和連續監測。?

在不使用光纖監控，管理長達數百米的管道是一項不可能完成的任務。此外，未能識別泄漏或無法監測泄漏的確切位置會帶來巨大的財產損失和環境后果。?

圖8 管道監測

編輯：黃飛

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