一个基于光纤传感技术的声学和超大孔径天线

总部位于美国加州的公共事业公司Pacific Gas and Electric（PG&E）需要一个准确可靠的系统来监测大型地下储气库（UGS），于是它与先进的传感技术公司Paulsson合作并寻求加州能源委员会（CEC）的研究经费，以开发并实地测验一个全天候实时监测系统。CEC批准了该提案，并于2020年中期启动了该项为期三年的研究。

Paulsson公司以发明、设计、制造和部署全光传感器到深度、高温、高压钻孔而闻名。在这个例子中，它的解决方案是一个基于光纤传感技术的声学和超大孔径天线，使用来自Fotech公司（英国石油公司）的分布式声学传感技术（DAS）。

自安装以来，该系统实现了井内和地层中气体流量的实时检测和监测，这在该类应用领域属世界首创。该系统还记录了来自附近断层以及远至日本和秘鲁的多次小型和大型地震，这些天然近震源和远震源为UGS地层性质提供了宝贵信息。

准确监测的必要性

PG&E公司是美国最大的公用事业公司之一，其拥有并维护超过6000英里的传输管道、42000英里的运输管道和三个天然气储存设施。

PG&E公司最大的储气库位于加利福尼亚的萨克拉门托-圣华金河三角洲的麦克唐纳岛，其最大容量为82BCF，可以在冬季高峰日为北加州提供25%的燃气需用量。那里共设井87口（81口注采井，6口观测井），当需求较低时，天然气会被注入地下设施来储存。当冬季、干旱年或炎炎夏日交流电达到峰值时，再抽取天然气来发电。

储气库的监测对于确保当地社区和环境的安全、尽可能地优化使用、使天然气资源多样化以及保护股东和纳税人免受中断和事故带来的损失等方面，都至关重要。这家加州的公用事业公司认识到，该领域需要一种可靠而准确的方式来监测储气库，并和Paulsson公司一同推出并测试这方面的解决方案。

Paulsson公司通过使用光纤声矢量地震传感器，以及分布式温度传感器（DTS）和分布式应变传感器（DSS）技术来提供极其精确的地下测量和监测解决方案。该公司拥有多年的开发、部署和处理来自高温高压的非电子全光传感器阵列数据的经验，这些阵列能够在高达25,000 psi的压力和高达600°华氏度（320°C）的温度下，在垂直和水平钻孔中工作。

在获得加州能源委员会与PG&E和Fotech公司的150万美元联合拨款后，Paulsson公司开始在PG&E公司的麦克唐纳岛的UGS油田设计、建造、安装和监测传感器阵列。该系统的核心是Fotech公司的基于瑞利散射的解调技术，该项技术使用了Paulsson公司设计的增强型分布式声学传感器阵列（EDAS）。

Björn Paulsson博士（Paulsson公司的执行总裁）说：“Fotech公司的DAS技术值得信赖，它的设备将为这个应用程序提供最好的监测。DAS系统表现非常好，提供了为期8个月的可靠且准确的数据，记录了超过400TB的变革性数据。”

DAS如何工作

Fotech公司的Helios DAS技术本质上是将一条沿着水平天然气管道（或垂直天然气、或地热井）运行的光纤光缆转换成数千个振动传感器，使其能够监测到沿管道或井套管长度的任何干扰。

该技术每秒钟沿着光纤光缆发送数千个光脉冲，监测向光线散射回来的精细图案。当声学或振动能量（比如由井内或地层中的气体流动所产生的能量）对光纤产生微小的应变时，这就会改变背散射光的图案。通过使用先进的算法和处理技术，DAS通过记录这些变化来对干扰进行实时识别和分类，从而进行及时的处理解释工作，并在必要进行校正。

Fotech公司的首席技术官Steve Cammish表示：“每种类型的干扰都有自己的特征，该项技术可以实时地告诉作业者发生了什么，以及发生的地点和时间。更重要的是，DAS能够提供的是长达100公里的沿管道（或沿着靠近钻孔最深的井）的全天候监测。”

PG&E公司用的解决方案是将一根光纤光缆连接到外径4.5英寸的生产管（在85/8″套管下入井筒约2公里），该阵列的有效构成包括大约2500个传感器，通过DAS的使用为其提供精确的实时监测，让实时处理、解释和操作成为可能。

有了足够多的传感器，Paulsson公司能够有效地创建一个大孔的声学天线，如此一来，气田井内和储存天然气的地质构造中的流动以及任何其他事件，都可以在1米范围内被监测到并精确定位。DAS还使Paulsson公司能够区分高渗透砂岩层和低渗透页岩的情况下，建立储气田形成的动态模型。

Paulsson公司表示：“这是我们首次在离井远的储层中成功探测到气体流动，这是非常令人兴奋的一次飞跃。由于DAS卓越的准确性和连续监测能力，它不仅为我们提供了静态数据，它还允许我们实时地观看流体（气体和液体）注入对储气库的影响。这意味着来自DAS的数据将允许我们创建钻孔周围地面1-2公里的3D图像，为我们的客户PG&E公司提供了完整地层和动态流动的可见性。”

传统上，将在空间上间隔约15米（50英尺）或更多的地方应用地震检波器，但钻孔中的条件非常苛刻，具有高压和高温。另一个关键的方面是需要能够记录在风化/带以下的地下表面中发现的高地震频率。

因为光纤即使是在地热温度下也可以承受极端的环境，因此DAS更适合应用在钻孔这样极具有挑战性的条件下。DAS技术是第一个能够允许安装许多1000秒传感器的大阵列，并利用光学技术创建具有近距离空间传感器的大孔径高频传感器天线来采样，”Paulsson公司补充说。

提供整体可视化的方案

Paulsson公司不仅能够探测和监测气体流量，还能监测到太平洋另一边福岛（日本）和秘鲁（南美洲）的地震事件。Paulsson公司表示：“该传感器阵列已经接收到8000公里外，来自日本和斐济地震发生的声信号，这简直太棒了。能够根据构造地质学探测到其他大规模的地震事件，这意味着我们可以提供许多正发生在太平洋盆地的远近断裂带的事件的一个清晰的画面。因此，PG&E公司对我们公司监控方案所提供的结果十分满意。”

审核编辑：刘清