油氣行業可以分為三大部門，即上游、中游和下游（如圖1所示），目前各個部門面臨著不同的運營挑戰。為了優化和控制三個部門內的各種應用，對諸如溫度、振動、壓力、流量等參數的監控是有必要的。本文將簡要介紹一些具有代表性的技術實例來說明碳氫化合物的管道運輸以及井下的挑戰。

圖1 石油和天然氣行業的上、中、下游部門

在儲層評估的早期測量中，可以使用分布式聲學傳感系統（DAS系統）記錄所獲取鉆孔地震數據。這是通過執行標準電纜作業的同時，使用標準有線電纜（包含附加光纖）實現DAS數據的記錄。DAS鉆孔地震采集可以在井的早期提供數據來校準地表地震圖像的深度，從而影響完井策略。

在石油和天然氣的生產過程中，需要考慮井下發生的動態過程以減少水的產出。在生產井的有效期，越來越多的水進入井筒占用了石油和天然氣的流動空間，導致了水產量增加，碳氫化合物的產量減少。而將DAS與分布式溫度傳感（DTS）在井下相結合使用，就能夠識別進入的水源。DAS可以用來確定聲速（壓力波在流體中傳播的速度），而聲速是根據油管內流動的油、水和氣體的比例而變化，例如：水中的聲速比油中的聲速快。因此，可以利用DAS技術獲得流動相并確定進水口位置。此外，由于流體從儲層壓力轉變到井筒壓力會引起壓力降，這將產生冷卻效應（如果游離氣體進入井筒）和摩擦加熱效應（如果流體進入井筒），以及考慮到油、氣和水的熱性質變化，使用DTS系統提供的連續溫度剖面就可以定位進水點。

在運輸過程中，管道是至關重要的，因為它們向煉油廠提供原始油氣的長途運輸，并分別向中游和下游部門的終端用戶提供石油產品。相較于鐵路、卡車和船舶，管道能提供更大容量的碳氫化合物的連續運輸，且更加安全、環保、經濟。因此，強烈建議通過監測管道沿線的泄漏、變形和侵入來確保管道的完整性。而由于使用監控攝像頭和人工監督都難以監控長達數千公里的管道，因此應該優先采用分布式傳感技術來監控管道。

上述的典型例子證實了感知油氣行業中各種參數的必要性。然而，所使用的傳感器必須經過設計才能適應該行業惡劣的環境條件。這是因為在井下的溫度和壓力可以分別達到200℃和2000 bar。在其他情況下，比如當向井筒注入蒸汽（為了降低重油的粘度并提高回收率）時，井下溫度會超過300℃。此外，井下傳感器還可能會暴露在振動、沖擊、腐蝕性化學物質和流體浸泡中。而且，管道還可能向沙漠、深海海底和極地輸送石油和天然氣。

雖然電子傳感器已經被廣泛應用于石油和天然氣行業，可電子設備卻被認為是導致永久性井下測量和控制系統失效的重要原因之一。這是由于油氣井電子設備的可靠性會隨著井下溫度升高而逐步下降，而且石油和天然氣行業的預期產品壽命通常是5年或更長久，因此，在許多石油應用中根本不可能使用電子傳感器。此外，電子傳感器是一種有源設備，需要消耗電能才可以運行，這會引起了石油和天然氣行業的安全問題。

相比之下，得益于光纖的固有特性，光纖傳感器已經在許多石油和天然氣應用中得到部署并取得成功。其中一個重要特點是光纖能夠在惡劣的條件下有效地運行，這非常適合應用于井下傳感（通過將光纖延申到井下并在地表鋪設光電傳感設備）。此外，光纖尺寸小，具有抗電磁干擾能力且傳感位置不需要電流，非常符合油氣行業的安全要求。另外，光纖還具有遠距離監測物理參數的能力（管道監測和井下傳感所必需的能力）。

光纖傳感器可分為三類：單點傳感器、準分布式傳感器和分布式傳感器。最初，光纖傳感器是作為點式傳感器被開發的，它沿著光纖監測一個位置的環境參數。后來各種類型的單點光纖傳感器被推廣，包括基于光柵的傳感器（布拉格光柵FBG、長周期光柵LPG等）和干涉傳感器（法布里-珀羅、馬赫-森德等）。

隨著光的多路復用技術發展，如波長復用、時間復用和空間復用，離散的單點傳感器陣列可以沿著光纖進行多路復用，形成一個準分布式光纖傳感器。在石油和天然氣行業，單點和準分布式光纖傳感器已應用于許多領域，主要需要對沿管道或井下的聲學、溫度和（或）壓力進行離散監測，例如管理井壓降和井內壓力測量，以確保完井有效性、提供壓力累積數據、層間生產分配、生產率指數確定以及在井上升過程的監測。

然而，在技術和成本方面，單點和準分布式光纖傳感器都不適用于需要連續空間傳感的石油應用（類似于碳氫化合物流的井下監測、流體注入、蠟堆積和管道泄漏的監測）。相比之下，因為光纖本身就是傳感器，分布式光纖傳感器可以通過監測整個光纖長度的環境參數來提供豐富的信息。除了上述優點外，分布式光纖傳感器還可以連續且實時地測量數十公里范圍的傳感參數，這大大降低了整體傳感成本。

在上游部門（圖1中負責勘探和生產的部門），通過在井下安裝光纖來傳遞有關井和儲層的數據，分布式光纖傳感器可被應用于多個領域，如地震剖面、水力裂縫分析、流量監控、套管泄漏檢測、氣舉優化設計與診斷等（如圖2）。

另一方面，分布式光纖傳感器可以通過將光纖連接或者靠近管道表面，監測管道的入侵、泄漏和變形情況（如圖3）。

圖3 沿管道的分布式光纖傳感器應用實例

被廣泛應用于油氣行業的分布式光纖傳感器，其工作原理主要是基于光學散射（瑞利散射、布里淵散射或拉曼散射等）。一般來說，光散射是一個發生在所有角方向上的隨機統計過程。光纖中自發光散射的典型光譜（如圖4），包括瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。

圖4 自發光散射的典型光譜

在光纖制造過程中，二氧化硅分子以熔融狀態移動，然后隨機凍結，導致了沿光纖的密度波動。密度漲落在小于光學波長的尺度上引起折射率的隨機變化，從而引發了瑞利散射。瑞利散射是一種彈性現象，即入射光不將能量傳遞到玻璃上，且入射光與散射光之間沒有頻移。與之相反，布里淵和拉曼散射是由光子-聲子相互作用產生的，因此聲學（光學）聲子參與了布里淵（拉曼）散射，二者都是非彈性現象，即散射光的頻率與入射光的頻率發生偏移（見圖4）。

在瑞利峰的中心，布里淵散射和拉曼散射的下移和上移光譜分量，分別稱為斯托克斯分量和反斯托克斯分量。在圖4中，可以觀察到的最后一個散射現象是瑞利散射，由散射介質的各向異性分子取向的波動產生。

根據介質在散射過程中光學性質的變化，光學散射可分為自發散射和受激散射。自發散射不會改變介質的光學性質，通常發生在低水平的入射光強度。當入射光的強度增大到改變介質的光學性質時，散射就會受到刺激。換句話說，從自發散射到受激散射的轉變，對應著介質從線性光學體系到非線性光學體系的變化，二者都為用于石油和天然氣工業以及其他應用的分布式光纖傳感器提供了各種功能。

通過此部分內容，我們回顧了分布式光纖傳感器在石油和天然氣行業中的部署，重點介紹了廣泛應用于油氣行業的光纖瑞利散射的 DAS和拉曼散射DTS的工作原理及石油應用。然后，我們將描述一個我們設計的基于多模光纖（MMF）的混合DAS-DTS系統。在這個混合系統中，使用了單一訊問傳感器，首次在油井中同時測量振動位置和頻率以及溫度剖面。接下來，我們將簡要介紹光纖布里淵分布式溫度和應變傳感（DTSS）的工作原理和石油應用（與DAS和DTS相比，DTSS在油氣行業中使用較少）。

該綜述進一步闡明了服務于石油和天然氣行業的商用光纖DAS、DTS和DTSS產品。最后，我們將指出阻礙油氣行業分布式光纖傳感器市場發展的主要挑戰，并進一步討論該傳感技術的未來發展方向。

編輯：黃飛

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