□ 王 躍 薛詩(shī)桂

光纖傳感技術(shù)打開(kāi)“光學(xué)油田”之門

□ 王 躍 薛詩(shī)桂

光纖傳感器技術(shù)是改變石油產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則的關(guān)鍵技術(shù)，“光學(xué)油田”是未來(lái)油田發(fā)展的必然趨勢(shì)。

□ 歷經(jīng)改造的第一套流化催化裂化裝置。陳香生 攝

超聲地震物理模擬實(shí)驗(yàn)，是石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的重要手段之一，屬油氣勘探的相關(guān)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。更高精度的三維地震模型技術(shù)發(fā)展的要求，促使人們?cè)噲D在目前廣泛使用的壓電傳感技術(shù)之外，尋找和采用品質(zhì)相對(duì)更高的傳感技術(shù)，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中精確接收探測(cè)信號(hào)的能力。于是，一種稱之為光纖光柵的傳感技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入研究人員的視野。

物探院積極研究光纖傳感在地震物理領(lǐng)域的應(yīng)用

相對(duì)于傳統(tǒng)電學(xué)傳感器，光纖傳感器以其體積小、靈敏度高、耐酸堿腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、不產(chǎn)生電火花，以及可實(shí)現(xiàn)分布式、實(shí)時(shí)在線、永久性監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，引起眾多科研工作者的廣泛關(guān)注。

目前，將光纖光柵傳感振動(dòng)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于超聲地震物理模擬領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)先例。

2013年初，物探院在清華大學(xué)精儀系的技術(shù)支持下，在該院近30年地震物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，率先將該技術(shù)引入超聲地震物理模擬技術(shù)領(lǐng)域：利用光纖傳感器制作了可用于超聲檢測(cè)的振動(dòng)探針系統(tǒng)；攻克了多項(xiàng)基于光纖光柵傳感的超聲振動(dòng)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)；結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)，構(gòu)建了光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，探索了一種新型的多點(diǎn)多通道網(wǎng)格式的數(shù)據(jù)采集方式，獲得了寬頻帶、高靈敏度的超聲地震物理模擬實(shí)驗(yàn)記錄；實(shí)現(xiàn)了地震物理模型的超聲連續(xù)采集，從根本上突破了傳統(tǒng)壓電傳感的限制，形成了領(lǐng)先全球的基于光纖光柵傳感的超聲地震物理模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

今年4月，物探院承擔(dān)的“基于光纖光柵傳感的超聲地震物理模擬技術(shù)”項(xiàng)目，通過(guò)中國(guó)石化科技部鑒定委員會(huì)技術(shù)成果鑒定，獲得“整體研究達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”評(píng)價(jià)。承擔(dān)該項(xiàng)目的技術(shù)人員，今年已圍繞該技術(shù)申請(qǐng)國(guó)家專利7項(xiàng)，申請(qǐng)專有技術(shù)1項(xiàng)。該技術(shù)有望在油氣勘探開(kāi)發(fā)的多個(gè)領(lǐng)域如油井監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)等進(jìn)行推廣應(yīng)用。

光纖怎么傳“感”

廣義上講，傳感器是一種能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的裝置，它由感知元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。如溫度傳感器，它的功能就是將傳感器的熱敏感知元件與被測(cè)體接觸，再將從被測(cè)體獲得的溫度變化由轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換為可用的電信號(hào)，從而精確實(shí)時(shí)地獲取被測(cè)體的溫度值。感知元件據(jù)其感知功能可分為熱敏、光敏、氣敏、力敏、磁敏、濕敏、聲敏、放射線敏、色敏和味敏等十大類元件。而轉(zhuǎn)換元件的輸出形態(tài)通常只有一種，就是電信號(hào)。

光纖技術(shù)是人類21世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。通常，人們只知道光纖可以傳“信”（如網(wǎng)絡(luò)通信），傳“光”（如醫(yī)療內(nèi)窺鏡技術(shù)），其實(shí)它還有傳“能”（如將電能轉(zhuǎn)換成激光能，通過(guò)光纖輸入到另一端的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換器）和傳“感”等功能。

光纖怎么傳感？研究人員在一根石英制成的光纖上，用紫外光在其橫向上像切香腸一樣切出一組組橫疊成串的“香腸片”（光柵刻寫）。由于這種橫切是一種納米級(jí)的激光光刻裁切，因此從外形上看，整個(gè)光纖體并沒(méi)有因此斷開(kāi)成片狀，但在實(shí)際使用中，它的物理特性已經(jīng)發(fā)生了變化。當(dāng)用一束光從光纖一端穿過(guò)這一疊密密排列的“香腸片”（10mm的光纖光柵含有10000個(gè)在纖芯中規(guī)則分布的微小的反射鏡面）時(shí)，會(huì)形成光學(xué)上的光柵效應(yīng)。當(dāng)外界的溫度、應(yīng)變等物理因素作用在這種光纖光柵體上時(shí)，光柵的柵距（“香腸片”間的距離）會(huì)隨之呈微小的線性變化，進(jìn)而使得投射在光柵反射鏡面上的光的反射波的波長(zhǎng)隨柵距變化而發(fā)生相應(yīng)地放大了的線性變化。也就是說(shuō)，光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)取決于光柵的條紋間距，光柵的條紋間距又取決于外界的溫度或施加的應(yīng)變。這種超敏感的由溫度或應(yīng)變壓力等引起光柵反射光的中心波長(zhǎng)變化的效應(yīng)，就是我們用來(lái)傳感的原理，由此發(fā)展出的一門技術(shù)就是所謂的光纖光柵傳感技術(shù)。

光纖的直徑大約在100微米左右，因此光纖傳感器的體積非常小，可實(shí)現(xiàn)高精度定位；光纖光柵可以實(shí)現(xiàn)納米應(yīng)變量級(jí)的測(cè)量，具有非常高的探測(cè)靈敏度。同時(shí)，與普通機(jī)械、電子類傳感器相比，光纖光柵具有抗電磁干擾，響應(yīng)頻譜寬，電絕緣性能好，耐腐蝕，體積小，質(zhì)量輕，幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，測(cè)量范圍廣（可測(cè)量溫度、壓強(qiáng)、應(yīng)變、應(yīng)力、流量、流速、電流、電壓、液位、液體濃度等）等許多優(yōu)點(diǎn)。特別是相對(duì)壓電式傳感器，光纖光柵在低頻范圍具有更好更平坦的相移?；诠饫w光柵的超聲波測(cè)量技術(shù)可望減少超聲地震物理模型的測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量靈敏度、定位精度和數(shù)據(jù)采集效率。光纖傳感器的寬頻帶、高精度、大動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，對(duì)改進(jìn)未來(lái)地震物理模型，使其更加接近野外實(shí)際勘探條件起著重要推動(dòng)作用。

“光學(xué)油田”是未來(lái)油田發(fā)展的必然趨勢(shì)

物探院將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于地震物理模型實(shí)驗(yàn)，只是光纖傳感技術(shù)成功應(yīng)用的一個(gè)側(cè)面。

光纖傳感器因其優(yōu)良的品質(zhì)，幾乎可應(yīng)用于石油工業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括陸上油田和海上油田的勘探開(kāi)采，以及石油的冶煉、化工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸。光纖傳感器在油田工業(yè)中的巨大市場(chǎng)前景和優(yōu)良特性，使人們意識(shí)到它將對(duì)石油工業(yè)產(chǎn)生革命性的推進(jìn)，因此有人提出了“光學(xué)油田”的概念。

所謂“光學(xué)油田”，就是利用光纖的傳“信”傳“光”，特別是傳“感”等性能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)油田的智能化網(wǎng)絡(luò)綜合管理。在智能網(wǎng)絡(luò)化油田中，光纖傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石油勘探的開(kāi)采、冶煉、運(yùn)輸、基建，以及后勤設(shè)施的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，并把信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)街醒肟刂剖抑?，在控制室?nèi)管理人員根據(jù)采集到的信息可以實(shí)時(shí)對(duì)整個(gè)工業(yè)區(qū)進(jìn)行高效的統(tǒng)一管理。

光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)，蓬勃發(fā)展的市場(chǎng)和美好的應(yīng)用前景，引起了一些國(guó)際著名石油公司的密切關(guān)注，他們投入了巨大的人力、物力進(jìn)行油田用光纖傳感器的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了石油生產(chǎn)的進(jìn)步和發(fā)展。未來(lái)科技的發(fā)展將會(huì)把油田中所有傳統(tǒng)的基于電學(xué)的傳感器轉(zhuǎn)換為光學(xué)傳感器。光纖傳感器技術(shù)是改變石油產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則的關(guān)鍵技術(shù)，“光學(xué)油田”是未來(lái)油田發(fā)展的必然趨勢(shì)。

（作者單位：物探院）