分布式声学传感在石油和天然气行业的应用分析

分布式声学传感（DAS）是一种基于瑞利散射的光纤系统。光纤光缆充当传感元件，进行测量、处理和分析以传递关键数据，我们将在下文探讨其中的一些示例。 

DAS系统能够监测声频应变信号，有时可以在远距离甚至极端环境下进行监测。基于瑞利散射的传感是通过沿光纤发送激光脉冲实现的，该激光脉冲在光纤内散射，使光纤充当一个标距长度大约等于脉冲长度的分布式干涉仪。反射光的强度被测量为激光脉冲传输后的时间函数。在下一个激光脉冲沿着光纤发送之前，脉冲在整个光纤长度上传播并返回。该系统对应变和温度极其敏感，因此读数非常准确。

DAS是一项服务于许多应用的技术，有利于提高石油和天然气行业的生产质量和效率。它通常用于管道的连续监测，检查干扰、阻塞、泄漏和故障；用于测量私人边界；在油井监测应用中，实时监测对生产至关重要。由于该技术能够以极高的灵敏度和精度在具有挑战性的环境下工作，其潜力是无可比拟的，以下是在石油和天然气行业投资光纤的八大突出原因：

一、地震拖缆

由于海洋面积广阔且条件艰苦，很难监测，因此需要专业的方法来传递准确的数据。地震拖缆是监测海洋的海面光缆，对于了解沿海和海洋动态、不同时间和空间尺度的漏洞以及解释全球和当地环境的影响是必不可少的。油气行业的海洋监测中一项基本功能是查明和定位精确定位石油钻探的最佳区域。 

现在比以往任何时候都更需要进行海洋监测。由于温室气体排放增加、海岸污染、过度捕捞、沿海开发以及人口增长带来的压力，世界海洋、海岸和海洋生态系统正在面临重大改变与挑战。石油钻探人员需要准确地监测海洋，确定最佳钻井位置，并尽可能降低对海洋生态系统造成危害的风险。而对海洋的准确监测可以防止危险的错误发生。 

地震拖缆是连接水听器的海面光缆。水听器有一个传感器网络，可以捕捉陆上重物撞击地面时引起的振动响应。传感器可以将数据传递到部署了地震拖缆的地震记录船上。地震数据是同一地区不同时间采集到的三维数据，它用于监测每个随时间发生的变化，包括流体运移、饱和度、压力和温度的变化。 

分布式声学传感（DAS）技术可以将海洋光缆转换为地震检波器。带海洋光缆设计的光纤光缆可生成海底及下伏地质构造的地震图像。这些图像是通过从检波器和船体反射的信号中中继的回声生成的。从DAS获取的地震图像可以用于支持地质灾害分析和其他地下勘探活动。 

图1 地震拖缆的海上作业情况

二、海底光缆

海洋占据了地球表面的大部分且现在正面临着最严苛的环境挑战；因此，探索和监测海洋对于我们了解世界是至关重要的同时，也极其困难。除了监测环境具有挑战性外，海底的庞大体积还带来了另一个挑战：要求设备能够在大范围内运行并具有弹性（能够复原）。 

当我们更了解海洋情况，我们可以增进对海洋地质学、近海地震、洋流、海浪、沉积物运移和海洋哺乳动物等诸多活动的认识。此外，通过探测海洋环境的变化，我们最终可以创建一幅先前未知的断层系统图，并监测海底动态过程。 

具有分布式声学传感（DAS）功能的海底光缆（也称为水下光缆或洋底光缆）是安装在海底的光纤光缆，能够记录地震数据并将数据传输到记录船。水下光纤网络能够通过分析海底长途光缆的应力、应变和压力来预测海浪、海啸和地震。

DAS 利用光纤作为传感器，将海底通信光缆转变为强大的地震检波器，用于勘测海底。与其他测量方法相比，DAS 测量因其可以在海洋环境中评估数据的质量，具有显著优势。此外，具有分布式声学传感功能的海底光缆（可以快速传输大量信息）通常长达数千公里。因此，能够制造更长距离的光纤金属保护管（FIMT，一种使光缆能够在具有挑战性的恶劣环境下运行的保护元件）是一种至关重要的优势。 

最近，NBG公司通过建造一条长达50公里的新型FIMT护套线，在制造连续长度更长的FIMT方面取得了重大飞跃，这也使该公司在海底光缆行业的优势更加突出。而因为NBG公司的光纤金属保护管（FIMT）所需的拼接更少，在使用长度更长的FIMT时，NBG公司能为其客户节省大量资金（这对工程来说可以节省下一笔相当可观的费用）。

图2 海底光缆作业情况

三、井下地震勘测

在油气行业，井下地震勘测用于石油和天然气开发的勘探阶段，查明地下物质组成。因此，对于开采项目来说，勘探人员需要在钻探之前尽可能多地了解地下组成部分的性质。 

通常使用三种主要方法来寻找地下的碳氢化合物：地球物理、遥感和野外勘探。选择最佳方法将有助于查明资源最丰富的区域，从而获得丰厚的投资回报。  

可以通过井下地震勘测来评估纵波和横波速度随深度的变化，其中速度数据可以用于辅助特定地点的地震地质响应。 

具有分布式声学传感功能的光纤传感器光缆被用作地震检波器，用于分析土壤和岩石力学与结构。震源位于地面，光纤传感器光缆位于井下。收集到的数据是（由光纤传感器光缆测量的）纵波和横波从位于地面的震源穿过井眼的传播时间。 

分布式声学传感能够实时地提供最准确的数据，具有卓越的价值。  

井下地震勘测的诸多优点包括： 

1.计算弹性模量和岩土动力特性 

2.地震场地分类的30计算 

3.断层、剪切带和空隙的监测 

4.在二维或三维中诊断问题域 

5.灌浆前和灌浆后的勘测 

6.构造恢复时的质量控制 

7.通过地震速度分析对材料进行定量评估 

8.地震横波和纵波速度测深

9.通过估计材料的动力系数来确定岩石或混凝土的质量 

10.基岩断层和剪切带的监测 

图3 井下地震勘测

四、砂粒探测

许多形式的防砂机械系统效果不佳，导致进砂和生产效果不佳。出砂主要在以下三个方面影响管道设计和整体操作。首先，管道中的砂粒会加剧管道侵蚀；其次，需要足够高的流体速度来携带和清除流线中的砂粒，防止沙子沉积物阻塞管道内的流动；最后一个原因就是管道内的砂粒沉积可能会阻止抑制化学物质（如腐蚀化学物质）接触管壁，使化学物质的作用失效。

无效的防砂措施会导致井的完整性受损。储层段的砂体侵入会导致碳氢化合物产量减少。克服这个问题将极大地提高产品质量， 同时允许维护应用程序的使用周期变得更加容易。

分布式声学传感技术是井下探砂的主要候选技术。基于光纤的声学传感系统作为传感元件，使用注入光纤的后向散射光来监测的整个光纤的声学扰动。  

分布式声学传感能够在源头实时地处理数据，允许在以下场景应用： 

1.监测出砂流线 

2.监测生产过程中的进砂情况 

3.增加碳氢化合物产量 

4.通知并实施有针对性的堵漏作业 

5.在增产和生产作业期间，控制和管理与砂相关的风险 

6.石油生产的优化 

7.评估生产过程中防砂设备的可靠性，有助于改进未来的设计 

图4 砂粒探测

五、井筒周边入侵监测系统（PIDS）

井筒是油气行业的一项资产，需要对其进行保护以维持井筒的安全性和生产的完整性。如果选择了无效的安全方法，该场地的生产很容易受到影响，从而造成负面财务影响。 

如果可以确定井筒位置周边存在入侵者，那么就能够更好地确保生产的完整性。因此，使用一个能够承受住所有条件，性能却未降低的入侵系统是有必要的。而在选择入侵监测方法时，必须考虑且优先考虑的因素是：在入侵试图进入之前就监测到入侵，并在尽可能早的阶段向控制中心发出警报。 

周边入侵监测系统（PIDS）是一个通用术语，涵盖了各种技术，这些技术用于监测试图进入安全区域的不受欢迎的入侵者。PIDS对于任何高安全性站点都至关重要，它们使组织工作完全安全并降低运营风险。 

PIDS并不会取代监控摄像机，它们与现有的监控系统一起运作，提供实时的早期入侵监测。此外，该技术主要是被动的，而且在受电磁干扰或极端天气条件下，抗干扰能力强，结实、可复原。 

与传统的监视手段相比，光纤技术具有许多优势。例如，只需要埋在地下（或者安装在墙壁上、栅栏上）的单个检测单元就可以为各种规模的区域提供完全可扩展且强大的安全性。此外，与竞争对手的技术相比，光纤监控系统是更具成本效益的解决方案，并且它能够提供更低的终生拥有成本。 

图5 井筒周边入侵监测系统

由于周边入侵监测系统是NBG公司的核心专业领域之一，其可提供的服务包括： 

1.井筒现场监测解决方案 

2.任意长度周长的解决方案 

3.符合客户要求的面向未来技术 

4.一个软件平台 

5.可以与现有安全系统集成的系统 

6.适用于不同地形：土壤、沙子和砾石 

NBG公司采用创新技术和弹性材料，为井筒现场提供具有最高安全性的光纤监控系统，即使在最具挑战性的环境中也能发挥作用。 

六、裂缝监测

自1940 年以来，水力压裂法一直是一种可行的地面钻探天然气的方法。不管怎样，由于寻找地下自然资源的难度增加，它最近才开始流行起来。美国的传统天然气资源正在枯竭，水力压裂仍被视为一种有吸引力且可盈利的方法。 

在地下数百米处开凿一个竖井，然后在含油和（或）含气岩石中钻一个水平孔。接下来，使用高性能泵将压裂液输送到地下，穿透岩层并产生裂缝。在此过程中，沙子也被泵入岩层（其作用是防止裂缝闭合），这样石油或天然气就可以很容易地从岩石中产出。  

如果使用得当，水力压裂法将有助于满足低成本能源的需求。此外，能够对监测油井状况进行准确部署，将大大降低污染水源的可能性，这是也水力压裂作业最迫切的问题之一。而且成功的光纤部署还将防止有害和有毒物质（包括温室气体）在无意中释放到环境中。 

光纤监测能够从分布式温度传感（DTS）和分布式声学传感（DAS）获得的数据中提供实时和有意义的见解。具有这种洞察力的作业者将能够更好且全面地了解地下情况，并做出有助于确定最佳裂缝位置和应用性能的决策和调整。

实施DAS和DTS的结果是一个更精确的过程，可以产生更好的结果并减少作业效率低下和出错的可能性。

图6 裂缝监测

七、水力压裂过程中的压裂冲击

井在水力压裂中产生的压力会影响附近的井（无论是水平井还是垂直井），这被称为“压裂冲击”。尽管它们的强度不等，但两口井之间的连通会导致压力峰值，在抵消侧出现出砂问题，这对生产来说是灾难性的。  

以下因素将决定压裂冲击的严重程度：

1.井距：旧井与正在压裂的新井有多近？ 

2.地层特征：储层中流体（流动的地层）的渗透性如何？井里有裂缝吗？ 

3.压力枯竭：如果压力下降，则可以为新裂缝创建一个压力降。钻井时间越长，压裂效果越明显。

4.子母井：钻井时间越长，压裂效果越明显，这被称为母井。

对抗“压裂冲击”的影响

首先，与母井的所有者沟通，并且任何工作都要告知他们。此外，作业者应确保设备已经过改装，可以应对压裂冲击，从而降低损坏的几率。光纤技术在该对抗这些影响方面发挥着最重要的作用。 

减轻甚至消除压裂影响的最有效方法是测绘技术：光纤微地震监测。通过监测井压，作业者可以评估压裂冲击发生的时间与严重程度。对油井产量的监测也预示着即将发生的压裂冲击（即将发生压裂冲击的标志是产量迅速下降），增加的水量表明，新压裂井的液体正在进入已经生产的井。

光纤是一种提供改进诊断方法的工具。分布式声学传感（DAS）甚至分布式温度传感（DTS）可以测量关键数据，以确定井的状况。DAS提供了有关裂缝与邻近井相互作用时应变响应的重要数据，这得到了光纤微震分析的支持，使该分析显示了微震事件的时间序列，并揭示了裂缝网络。微地震分析是一种经济高效的解决方案，可让作业者获得必要的信息。 

NBG公司可以提供与DAS和DTS相匹配的全面微地震解决方案，帮助作业者了解井下状况与特征。此外，光纤解决方案坚固耐用且易于部署，已成为石油和天然气行业水力压裂应用的重要组成部分。

图7 水力压裂过程中的压裂冲击

八、管道监测

管道监测是中游油气应用中的一项重要措施，可防止代价高昂的泄漏对环境、财产和人员造成潜在的灾难性后果。光纤传感技术代表了最高效可靠的方法；管道监测中的分布式声学传感（DAS）通过即时泄漏监测和精确定位泄漏源，保证了整个下游过程中管道和产品的完整性。 

NBG公司的FIMT（光纤金属护套线）是管道监测的理想选择，因为它可以覆盖至很远的距离，在恶劣的条件下也具有弹性和耐用性，现场安装后几乎不需要维护，并且在各种气象条件下都表现良好。能够在恶劣环境下运作是重工业的绝对先决条件，例如，石油和天然气行业的流程复杂，涉及大型和重型产品、设备和设施。而NBG公司的光纤金属护套线（FIMT）是使光纤能够在世界上某些极恶劣环境下工作的保护元件。 

FIMT 中的光纤用作传感器，能够在长达数百米的管道中监测到温度和声学信息。使用该技术监控管道，任何由外部影响、企图盗窃或由泄漏引起的扰乱都将被立即发现，并在米级精度内定位。

通过使用光纤监测系统，管道内的其他事件也可以监测到，例如：负压波 （NPW）、由于结蜡或水合物形成、铲运机、清管器和液体积聚导致的流体收缩。DAS和DTS技术可以单独实施，也可以在同一根光缆内实施，在所有操作环境下（流体、气体和多相流态），为陆上和海上管道提供全面的管道泄漏监测和连续监测。 

在不使用光纤监控，管理长达数百米的管道是一项不可能完成的任务。此外，未能识别泄漏或无法监测泄漏的确切位置会带来巨大的财产损失和环境后果。 

图8 管道监测

编辑：黄飞