面向井下石油勘探和開發領域的1064nm光纖拉曼分布式測溫技術研究進展

摘要：光纖分布式測溫技術是井下石油勘探環境監測的重要組成部分。然而井下環境復雜，光纖光纜傳感器長期處于高溫、高壓、富氫、高濕的環境中，小分子元素擴散帶來的光纖損耗不容忽視。 1 064nm 光纖拉曼分布式測溫技術因受井下環境影響較小，成為井下溫度長期測量的優選方案之一。首先分析了井下極端環境導致的光纖氫損現象，然后介紹了 1064nm 光纖分布式測溫技術的獨特優勢，接著梳理了國內外發展技術水平，最后分析了其在油井勘探的應用情況。

隨著經濟的發展，中國對油氣能源的需求日益增長，對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，井下溫度的精確測量，可以提供有效數據支撐以保證更加高效的油氣開采。光纖溫度傳感技術能實現沿線連續的分布式溫度測量，相對于傳統的熱電偶傳感技術，擁有大規模集成、耐高溫、抗腐蝕等特點，是非常理想的井下溫度監測技術方案。

光纖分布式測溫技術最早于20世紀80年代提出，在過去的幾十年里，其技術和應用場景有了顯著的改進。近年來，基于光纖的傳感技術得益于體積小、質量輕、本征抗電磁干擾等特性得到了迅速發展，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[1]。其中，光纖光柵、瑞利散射以及布里淵散射對溫度應變等多物理參量敏感，給工程應用帶來困難。而拉曼散射信號只對溫度敏感，工程上較容易實現單參數測量。因此，光纖拉曼分布式測溫（RDTS）技術成為一些復雜應用環境中最有潛力的溫度傳感解決方案。隨著眾多科研機構的投入，光纖RDTS技術愈加成熟。然而，用于井下溫度測量的測溫光纖處于高溫、高壓、高鹽、富氫環境中，極端環境引起光纖傳感元件發生不可預知的變化，對井下長時間精確測溫帶來了挑戰。而遭受井下極端環境的光纖對波長 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溫系統便應運而生并逐步發展。本文就 1064nm 光纖拉曼分布式測溫技術發展和井下測溫的應用情況進行回顧總結。

1光纖RDTS基本原理

RDTS技術主要通過監測拉曼散射信號隨溫度的變化規律實現分布式溫度探測。在光纖中，泵浦光與纖芯中處于熱振動的分子鍵相互作用，在多普勒效應的作用下發生非彈性散射，產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溫度的敏感性較弱，反斯托克斯光強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間成正比，因此通過時間反演和拉曼散射光強度的變化就可以實現溫度的分布式傳感解調。

2光纖中的氫損現象

油井井下環境復雜，面臨著高溫，高壓，高鹽，富氫環境。早在1985年，日本的NTT公司的Kazuhiro等[2]發現，在高溫高壓下光纖的傳輸損耗明顯增加。在富氫環境中，在原子尺度的微觀角度下，氫氣分子或氫原子能夠擴散到光纖纖芯當中，部分氫與硅原子形成Si-H或者Si-O-H基團。尤其在摻鍺元素的光纖中，由于氫與短波長（ lt;900nm 和長波長 （gt;1400nm ）的鍺缺陷位點發生反應，形成Ge-OH（ 1410nm， ）結構。這些結構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。

井下環境導致的光纖傳輸損耗光譜如圖1和圖2所示。常規RDTS系統工作在 1550nm 光纖通信波段，此波長傳輸損耗有較大增加。相對而言，1 064nm 波長的傳輸損耗基本不變，因此，基于此的DTS系統是其中一個最優選擇。此外，也提出了一些短波波段（ 的光纖RDTS系統[3-4]。然而，此波段的光傳輸也同樣較大。光傳輸損耗對DTS系統傳感信號的信噪比起決定性影響，較大的傳輸損耗會嚴重影響光纖DTS系統的最大傳感距離與遠端測溫精度。因此相對于其他波段， 1064nm 波長的光纖拉曼DTS系統是一種比較理想的井下長期溫度探測方案。

3國內外 光纖拉曼DTS技術發展

應用于井下測溫的光纖RDTS系統主要包含1550nm 波段和 1 064nm 波段。國際上開展研究較早。早在2007年，安捷倫公司就推出了 1064nm 的RDTS系統。2017年，阿根廷BAINATTI等[5]提出了基于功率 90mW 的 1 064nm 半導體激光器的DTS系統，其使用了在 1km 的傳感距離范圍與6s的平均時間內實現了 2m 的空間分辨率以及 1.5‰ 的溫度分辨率。國際上已經形成了以AP Sensing、Sensornet、Silixa、SensorTran、LIOS（LUNA）等為代表的眾多工業化商業產品，并得到井下環境的應用。其中，其產品在 10km 處的最高傳感空間分辨率可以達到 1m 或者 0.5m ，最高溫度分辨率可達 0.01°C ，最高溫度精度 0.10° 。其中，Sensornet公司的SentinelDTS-LR 使用了 1064nm 波長的技術方案，實現了 0.01°C 的溫度分辨率和 1m 的空間分辨率。

上海交通大學、華中科技大學、吉林大學、山東大學、太原理工大學、華北電力大學、深圳大學等開展了拉曼測溫技術的研究。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化的光纖RDTS系統。現有的RDTS系統一般應用于軌道交通，安防等領域，傳感距離能夠達到目標要求的 10km ，但是大都采用了 1 550nm 波長的常規方案，溫度分辨率 ，溫度精度 ±1% 。國內有1 064nm RDTS應用的報道，但是針對系統集成開發方面卻鮮有報道。

4石油井下能源勘探領域應用現狀

隨著光纖RDTS技術的日益成熟，其在油井勘探領域應用也愈加廣泛。國際上開展油氣領域較早。2008年，Chen等在SPE年會上提出了應用于油井勘探的單端高精度RDTS系統，在井下溫度探測中，實現溫度偏差的補償，2023年，路易斯安那州立大學的Jyotsna等[6使用分布式光纖傳感器對5163英尺模擬實驗井井筒中實時氣升動力學行為進行了實時觀測。國際上，光纖RDTS在油氣能源開發方面應用較早，并且已經形成了相對成熟、完備的技術體系。

國內起步較晚，RDTS系統大都處在實驗室階段，最近兩年才逐步在油田中部署應用。2013年，西南石油大學的朱世琰建立了基于分布式光纖溫度測試的水平井產出剖面解釋理論和方法，提出了水平井產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液貢獻下的水平井產出剖面。2022年，中海石油（中國）有限公司湛江分公司的吳木旺等[8]利用南海永樂區一口多層合采探井RDTS實際溫度測試數據建立了低滲多層合采氣井溫度剖面預測模型，對產出剖面進行了解釋。隨著技術的進步，光纖RDTS性能的逐步提高，光纖RDTS在國內國際石油領域的應用案例逐步增多。光纖RDTS系統在多種油井工作狀況中，起到了越來越重要的作用。

5 結語

國內油氣領域光纖RDTS系統有非常龐大的市場。然而井下環境復雜，光纖光纜傳感器長期處于這樣的高溫、高壓、富氫、高濕環境中，小分子元素擴散帶來的光纖損耗不容忽視。 1064nm 波段RDTS系統避開了傳輸損耗較高的通信波段，能夠實現長時間井下溫度的測量。國際上已經有較為成熟的商業化 1 064nm 光纖RDTS產品，擁有較高的技術水平。而國內技術起步較晚，但技術發展迅速，已經有 1064nm 波段的光纖RDTS技術正在開發。相信隨著光電子器件的發展和科技的進步，全國產化的1 064nm RDTS技術能為井下油氣開采技術的進步提供足夠的助力。

參考文獻：

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［7］朱世琰.基于分布式光纖溫度測試的水平井產出剖面解釋理論研究[D].成都：西南石油大學，2016.

[8］吳木旺，鄭永建，隆騰屹，等.基于分布式光纖溫度監測的氣井產出剖面解釋：以中國南海永樂區多層合采探井為例[J].科學技術與工程，2022，22（6）：2245-2251.