摘要：光纖分布式測(cè)溫技術(shù)是井下石油勘探環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要組成部分。然而井下環(huán)境復(fù)雜，光纖光纜傳感器長(zhǎng)期處于高溫、高壓、富氫、高濕的環(huán)境中，小分子元素?cái)U(kuò)散帶來的光纖損耗不容忽視。 1 064nm 光纖拉曼分布式測(cè)溫技術(shù)因受井下環(huán)境影響較小，成為井下溫度長(zhǎng)期測(cè)量的優(yōu)選方案之一。首先分析了井下極端環(huán)境導(dǎo)致的光纖氫損現(xiàn)象，然后介紹了 1064nm 光纖分布式測(cè)溫技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，接著梳理了國(guó)內(nèi)外發(fā)展技術(shù)水平，最后分析了其在油井勘探的應(yīng)用情況。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)對(duì)油氣能源的需求日益增長(zhǎng)，對(duì)井下油氣開采的效率提出了更高的要求。井下溫度分布直接反映了井下油氣狀態(tài)，井下溫度的精確測(cè)量，可以提供有效數(shù)據(jù)支撐以保證更加高效的油氣開采。光纖溫度傳感技術(shù)能實(shí)現(xiàn)沿線連續(xù)的分布式溫度測(cè)量，相對(duì)于傳統(tǒng)的熱電偶傳感技術(shù)，擁有大規(guī)模集成、耐高溫、抗腐蝕等特點(diǎn)，是非常理想的井下溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)方案。

光纖分布式測(cè)溫技術(shù)最早于20世紀(jì)80年代提出，在過去的幾十年里，其技術(shù)和應(yīng)用場(chǎng)景有了顯著的改進(jìn)。近年來，基于光纖的傳感技術(shù)得益于體積小、質(zhì)量輕、本征抗電磁干擾等特性得到了迅速發(fā)展，衍生出了以光纖光柵、瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射等為代表的多種傳感技術(shù)[1]。其中，光纖光柵、瑞利散射以及布里淵散射對(duì)溫度應(yīng)變等多物理參量敏感，給工程應(yīng)用帶來困難。而拉曼散射信號(hào)只對(duì)溫度敏感，工程上較容易實(shí)現(xiàn)單參數(shù)測(cè)量。因此，光纖拉曼分布式測(cè)溫（RDTS）技術(shù)成為一些復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中最有潛力的溫度傳感解決方案。隨著眾多科研機(jī)構(gòu)的投入，光纖RDTS技術(shù)愈加成熟。然而，用于井下溫度測(cè)量的測(cè)溫光纖處于高溫、高壓、高鹽、富氫環(huán)境中，極端環(huán)境引起光纖傳感元件發(fā)生不可預(yù)知的變化，對(duì)井下長(zhǎng)時(shí)間精確測(cè)溫帶來了挑戰(zhàn)。而遭受井下極端環(huán)境的光纖對(duì)波長(zhǎng) 1064nm 光仍有較低的傳輸損耗，因此基于1 064nm 的光纖拉曼光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生并逐步發(fā)展。本文就 1064nm 光纖拉曼分布式測(cè)溫技術(shù)發(fā)展和井下測(cè)溫的應(yīng)用情況進(jìn)行回顧總結(jié)。

1光纖RDTS基本原理

RDTS技術(shù)主要通過監(jiān)測(cè)拉曼散射信號(hào)隨溫度的變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)分布式溫度探測(cè)。在光纖中，泵浦光與纖芯中處于熱振動(dòng)的分子鍵相互作用，在多普勒效應(yīng)的作用下發(fā)生非彈性散射，產(chǎn)生頻率升高和頻率降低的反斯托克斯光子與斯托克斯光子，光子中心頻率偏移量為 13.2THz 。其中拉曼散射光斯托克斯光子對(duì)溫度的敏感性較弱，反斯托克斯光強(qiáng)度隨著溫度的升降而增大或減小。而光脈沖的位置與其在光纖中的飛行時(shí)間成正比，因此通過時(shí)間反演和拉曼散射光強(qiáng)度的變化就可以實(shí)現(xiàn)溫度的分布式傳感解調(diào)。

2光纖中的氫損現(xiàn)象

油井井下環(huán)境復(fù)雜，面臨著高溫，高壓，高鹽，富氫環(huán)境。早在1985年，日本的NTT公司的Kazuhiro等[2]發(fā)現(xiàn)，在高溫高壓下光纖的傳輸損耗明顯增加。在富氫環(huán)境中，在原子尺度的微觀角度下，氫氣分子或氫原子能夠擴(kuò)散到光纖纖芯當(dāng)中，部分氫與硅原子形成Si-H或者Si-O-H基團(tuán)。尤其在摻鍺元素的光纖中，由于氫與短波長(zhǎng)（ lt;900nm 和長(zhǎng)波長(zhǎng) （gt;1400nm ）的鍺缺陷位點(diǎn)發(fā)生反應(yīng)，形成Ge-OH（ 1410nm， ）結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)以及氫氣分子引起了較大的光纖傳輸損耗，部分損耗持久且很難消除。

井下環(huán)境導(dǎo)致的光纖傳輸損耗光譜如圖1和圖2所示。常規(guī)RDTS系統(tǒng)工作在 1550nm 光纖通信波段，此波長(zhǎng)傳輸損耗有較大增加。相對(duì)而言，1 064nm 波長(zhǎng)的傳輸損耗基本不變，因此，基于此的DTS系統(tǒng)是其中一個(gè)最優(yōu)選擇。此外，也提出了一些短波波段（ 的光纖RDTS系統(tǒng)[3-4]。然而，此波段的光傳輸也同樣較大。光傳輸損耗對(duì)DTS系統(tǒng)傳感信號(hào)的信噪比起決定性影響，較大的傳輸損耗會(huì)嚴(yán)重影響光纖DTS系統(tǒng)的最大傳感距離與遠(yuǎn)端測(cè)溫精度。因此相對(duì)于其他波段， 1064nm 波長(zhǎng)的光纖拉曼DTS系統(tǒng)是一種比較理想的井下長(zhǎng)期溫度探測(cè)方案。

3國(guó)內(nèi)外 光纖拉曼DTS技術(shù)發(fā)展

應(yīng)用于井下測(cè)溫的光纖RDTS系統(tǒng)主要包含1550nm 波段和 1 064nm 波段。國(guó)際上開展研究較早。早在2007年，安捷倫公司就推出了 1064nm 的RDTS系統(tǒng)。2017年，阿根廷BAINATTI等[5]提出了基于功率 90mW 的 1 064nm 半導(dǎo)體激光器的DTS系統(tǒng)，其使用了在 1km 的傳感距離范圍與6s的平均時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了 2m 的空間分辨率以及 1.5‰ 的溫度分辨率。國(guó)際上已經(jīng)形成了以AP Sensing、Sensornet、Silixa、SensorTran、LIOS（LUNA）等為代表的眾多工業(yè)化商業(yè)產(chǎn)品，并得到井下環(huán)境的應(yīng)用。其中，其產(chǎn)品在 10km 處的最高傳感空間分辨率可以達(dá)到 1m 或者 0.5m ，最高溫度分辨率可達(dá) 0.01°C ，最高溫度精度 0.10° 。其中，Sensornet公司的SentinelDTS-LR 使用了 1064nm 波長(zhǎng)的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了 0.01°C 的溫度分辨率和 1m 的空間分辨率。

上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、吉林大學(xué)、山東大學(xué)、太原理工大學(xué)、華北電力大學(xué)、深圳大學(xué)等開展了拉曼測(cè)溫技術(shù)的研究。此外，上海波匯科技、浙江振東光電科技、中油奧博等相繼推出商業(yè)化的光纖RDTS系統(tǒng)?，F(xiàn)有的RDTS系統(tǒng)一般應(yīng)用于軌道交通，安防等領(lǐng)域，傳感距離能夠達(dá)到目標(biāo)要求的 10km ，但是大都采用了 1 550nm 波長(zhǎng)的常規(guī)方案，溫度分辨率 ，溫度精度 ±1% 。國(guó)內(nèi)有1 064nm RDTS應(yīng)用的報(bào)道，但是針對(duì)系統(tǒng)集成開發(fā)方面卻鮮有報(bào)道。

4石油井下能源勘探領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著光纖RDTS技術(shù)的日益成熟，其在油井勘探領(lǐng)域應(yīng)用也愈加廣泛。國(guó)際上開展油氣領(lǐng)域較早。2008年，Chen等在SPE年會(huì)上提出了應(yīng)用于油井勘探的單端高精度RDTS系統(tǒng)，在井下溫度探測(cè)中，實(shí)現(xiàn)溫度偏差的補(bǔ)償，2023年，路易斯安那州立大學(xué)的Jyotsna等[6使用分布式光纖傳感器對(duì)5163英尺模擬實(shí)驗(yàn)井井筒中實(shí)時(shí)氣升動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)。國(guó)際上，光纖RDTS在油氣能源開發(fā)方面應(yīng)用較早，并且已經(jīng)形成了相對(duì)成熟、完備的技術(shù)體系。

國(guó)內(nèi)起步較晚，RDTS系統(tǒng)大都處在實(shí)驗(yàn)室階段，最近兩年才逐步在油田中部署應(yīng)用。2013年，西南石油大學(xué)的朱世琰建立了基于分布式光纖溫度測(cè)試的水平井產(chǎn)出剖面解釋理論和方法，提出了水平井產(chǎn)出剖面反演解釋流程。解釋分析了不同出水形式、不同出水位置和水平井段不同產(chǎn)液貢獻(xiàn)下的水平井產(chǎn)出剖面。2022年，中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司的吳木旺等[8]利用南海永樂區(qū)一口多層合采探井RDTS實(shí)際溫度測(cè)試數(shù)據(jù)建立了低滲多層合采氣井溫度剖面預(yù)測(cè)模型，對(duì)產(chǎn)出剖面進(jìn)行了解釋。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光纖RDTS性能的逐步提高，光纖RDTS在國(guó)內(nèi)國(guó)際石油領(lǐng)域的應(yīng)用案例逐步增多。光纖RDTS系統(tǒng)在多種油井工作狀況中，起到了越來越重要的作用。

5 結(jié)語

國(guó)內(nèi)油氣領(lǐng)域光纖RDTS系統(tǒng)有非常龐大的市場(chǎng)。然而井下環(huán)境復(fù)雜，光纖光纜傳感器長(zhǎng)期處于這樣的高溫、高壓、富氫、高濕環(huán)境中，小分子元素?cái)U(kuò)散帶來的光纖損耗不容忽視。 1064nm 波段RDTS系統(tǒng)避開了傳輸損耗較高的通信波段，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間井下溫度的測(cè)量。國(guó)際上已經(jīng)有較為成熟的商業(yè)化 1 064nm 光纖RDTS產(chǎn)品，擁有較高的技術(shù)水平。而國(guó)內(nèi)技術(shù)起步較晚，但技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)有 1064nm 波段的光纖RDTS技術(shù)正在開發(fā)。相信隨著光電子器件的發(fā)展和科技的進(jìn)步，全國(guó)產(chǎn)化的1 064nm RDTS技術(shù)能為井下油氣開采技術(shù)的進(jìn)步提供足夠的助力。

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