4/25/2016，在油、氣井行業(yè)中，實時監(jiān)測地下井的狀態(tài)變化在近年來變得越發(fā)重要。隨著石油和天然氣的消耗速度超過開發(fā)速度，各個國家都在開發(fā)新的監(jiān)測技術(shù)，以增加新油氣田和已開發(fā)油氣田中石油和天然氣的產(chǎn)量。

      如今，在原油和天然氣的提煉和生產(chǎn)過程中越來越多的使用光纖傳感器進行監(jiān)測。操作者使用井下光纖傳感器來獲知更精確的地下情況，通過對傳感器數(shù)據(jù)的收集和分析，可以更加清楚的了解井下環(huán)境，幫助油田開發(fā)者做出更有利于提高產(chǎn)量、減少環(huán)境破壞的決定。

      隨著監(jiān)測油井氣井的數(shù)量不斷增加，操作者發(fā)現(xiàn)他們需要一種更有效的方法來連接多個礦井和各種地面監(jiān)測設(shè)備。使用Polatis的全光單模和多模開關(guān)進行矩陣連接、共享地面測試設(shè)備和多個礦井，可以大幅降低成本，并且提高測試質(zhì)量。

二、矩陣光開關(guān)在油井監(jiān)測應(yīng)用中的優(yōu)勢
近幾年，隨著技術(shù)的成熟和成本的下降，井下光纖傳感器的應(yīng)用迅速增長，常常一個井眼需要多個光纖傳感器來測量多個地下參數(shù)。

配置更靈活
用手動的方式重新配置油井和測試設(shè)備之間的光連接器是很浪費時間的，而且會增加測量結(jié)果的不確定性。最初，操作者使用小型的1xN光開關(guān)實現(xiàn)單個測試設(shè)備監(jiān)測多根光纖。隨著光纖傳感器數(shù)量的增加以及測量種類的增多，操作者發(fā)現(xiàn)1xN光開關(guān)限制了接口間的互相連通，已不能滿足實際要求。于是操作者開始使用NxN或者NxM矩陣光開關(guān)，這樣設(shè)備和傳感器之間的相互連接更加靈活，可以實現(xiàn)不同油井的多根傳感光纖共享多臺測量設(shè)備。

遠程互聯(lián)
光開關(guān)可以使測量設(shè)備和光纖傳感器之間自由遠程互聯(lián)，從而使多根光纖共用同一測量設(shè)備，或者使一根光纖同時實現(xiàn)多種測量。例如，操作者通過補償老化和毀壞的光纖，可以極大的提高井下測量的質(zhì)量。在光纖測量設(shè)備和普通測量設(shè)備之間轉(zhuǎn)換多個傳感光纖，使用NxN光矩陣開關(guān)比起使用1xN光開關(guān)，效率大幅提高。

操作效率
使用矩陣光開關(guān)在可操作性上的優(yōu)勢也是顯而易見的。當(dāng)在已有監(jiān)測點放置一臺新的光學(xué)測量設(shè)備，我們只需要把它連接到光開關(guān)上，而不用手動重新配置所有傳感光纖接口。此外，如果其中一臺測量設(shè)備失效，可以快速連接到另外一臺新設(shè)備到矩陣光開關(guān)替代它，并且很容易結(jié)合到現(xiàn)有傳感網(wǎng)絡(luò)中，不需要手動配置來連接各個傳感器。對于要求嚴格的遠程操作，為了防止測量中出現(xiàn)問題，可以預(yù)先遠程連接備用測量設(shè)備。

光纖傳感器用于油井監(jiān)測
準確的井下監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和分析，對于優(yōu)化產(chǎn)量和減少環(huán)境影響從而保證油井壽命非常重要。跟傳統(tǒng)的電子器件相比，光纖更適合惡劣環(huán)境的油井，因為光纖耐高溫、耐壓力。光纖的無源特性使其更適用于易燃易爆的井下環(huán)境。對于永久井下設(shè)施，光纖通常被密封在金屬保護套中，并內(nèi)充緩沖凝膠。

目前，商用光纖傳感器主要用來測量鉆孔中的實時溫度和壓力。通過監(jiān)測溫度和壓力隨時間的變化，操作者可以得知井下生產(chǎn)的關(guān)鍵參數(shù)，比如液面、壓力和流量變化。

溫度數(shù)據(jù)
分布式溫度傳感器（DTS）是當(dāng)下用的最多的井下光纖傳感器。DTS成本低，可以輕松獲得不同井深的準確、高分辨率的溫度測量結(jié)果。DTS不同于過去的熱電偶或熱敏電阻陣列技術(shù)，是使用多模光纖作為傳感器。DTS測量方式基于光時域反射（OTDR）技術(shù)和光頻域反射（OFDR）技術(shù)，這兩種技術(shù)源于通信電纜測量。通常，DTS中的傳感光纖構(gòu)成回路，所以光纖兩端都可以用來測量，從而提高精度。

為了測量光纖上的溫度，一個激光脈沖注入井下的光纖中，用光探測器監(jiān)測其拉曼或布里淵散射。這兩種散射機理對于溫度變化都相當(dāng)敏感，所以可以準確的測量光纖不同長度上的溫度。探測器會同時記錄反射光的振幅和激光脈沖從產(chǎn)生開始的時間延遲。DTS設(shè)備使用數(shù)字信號處理計算整根光纖長度上的溫度，綜合給出溫度幅度變化和時間延遲信息。

壓力數(shù)據(jù)
使用光纖傳感探測井下壓力也有多種方法。比較流行的一種方法是使用光纖光柵。光纖上的壓力測量是通過輸入寬帶光源到光纖中，經(jīng)過布拉格光柵反射，觀察反射光的波長變化。操作者有時候同時使用幾根這種帶有布拉格光柵的光纖，來獲得更多壓力測量結(jié)果和好的距離分辨率。因為這些方法是對溫度敏感的，所以一般跟DTS同時使用來提高測量精度。

準確測量
即便采用最堅固的封裝形式和密封方式，光纖在環(huán)境惡劣的井下還是容易受到物理損壞，而且隨著時間的推移老化也很難避免。在所有的井下光纖測量中，操作者通過在多個測量設(shè)備之間轉(zhuǎn)換井中的傳感光纖，從而實現(xiàn)補償光纖老化和損傷，最終提高測量準確性。

許多常規(guī)操作中，比如水力壓裂和蒸汽注入，都會在傳感器上施加巨大的應(yīng)力，損毀外殼。暴露的光纖對井中氫、水和其它含氫化學(xué)物質(zhì)也比較敏感，暴露在氫氣中的光纖損耗會逐漸增加。井中的高溫也會加速光纖老化和暗化。專用的適用于油氣的OTDR設(shè)備可以測量井下光纖性能隨時間的退化，操作者基于OTDR的測試數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)對于光纖老化的補償，提高測量精度和準確性，延長光纖傳感器的使用壽命。

三、油井監(jiān)測對全光開關(guān)的關(guān)鍵需求
為保證井下測量的準確性，使用一款性能卓越的光開關(guān)至關(guān)重要。在油氣井監(jiān)測方面，光開關(guān)的重要指標包括“低的插入損耗”、“高的連接穩(wěn)定性”和“最小的反射條件下的可重復(fù)性”。另外，還需要光開關(guān)可獨立接收和轉(zhuǎn)換各種測量信號、能連接暗光纖（無光工作）從而實現(xiàn)測量間斷信號。Polatis的光開關(guān)具有業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的性能指標，是用于油氣井監(jiān)測的最佳選擇。

超低光損耗
在業(yè)內(nèi)同類型產(chǎn)品中，Polatis光開關(guān)的插損是最低的。低的插入損耗對于油氣井監(jiān)測非常重要，因為被探測信號進出光開關(guān)兩次，一次是信號進入光纖傳感器，再一次是信號從光纖到傳感器反射回來。損耗過大會造成返回信號無法被準確的檢測到，從而結(jié)果產(chǎn)品誤判。

穩(wěn)定性和可重復(fù)性
Polatis的光開關(guān)有極好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。穩(wěn)定性決定了光開關(guān)可以持續(xù)準確的控制連接光路，可重復(fù)性決定了每次插拔時損耗的變化。Polatis的矩陣光開關(guān)穩(wěn)定性和可重復(fù)性是市場上性能指標最好的產(chǎn)品，這是由它的技術(shù)原理直接決定的。

回波損耗
從光開關(guān)出來的背向反射光進入探測器，會影響OTDR和OFDR的測量準確性。Polatis的光開關(guān)的回波損耗同樣是業(yè)內(nèi)最佳的。

暗光纖開關(guān)切換
油氣井監(jiān)測需要暗光纖開關(guān)切換。暗光纖開關(guān)使光開關(guān)可以無光控制連接。Polatis的光開關(guān)是真正意義上的暗光纖開關(guān)，開和關(guān)獨立于功率、波長或者光的傳播方向，因此可實現(xiàn)不通光情況下的光路預(yù)配置，真正的獨立于波長、數(shù)據(jù)速率或協(xié)議。在油氣勘探中，Polatis光開關(guān)可以處理各種間斷的或者連續(xù)的OTDR測試信號。

四、典型的Polatis光開關(guān)現(xiàn)場分布
以下是一個典型的Polatis光開關(guān)現(xiàn)場（如圖1所示）。光開關(guān)用來連接兩個井中的溫度、壓力光纖傳感器和地面測量設(shè)備。在這個例子中，兩個Polatis光開關(guān)用來連接單模和多模光纜。在此應(yīng)用中，一臺OTDR設(shè)備就可以跟所有井下光纖傳感器連接配合工作，并且可以補償光纖隨著時間的衰減和損壞。
 

圖1：Polatis光開關(guān)在油氣井中的典型應(yīng)用案例1

該案例匯總使用開關(guān)產(chǎn)品如下：
1】1000系列單模光開關(guān)，端口數(shù)可達32x32


Polatis 1000系列產(chǎn)品是高性能、完全無阻塞的單模全光開關(guān)。矩陣數(shù)從4x4到32x32。此款產(chǎn)品是專為滿足客戶高性能和穩(wěn)定性需求而設(shè)計生產(chǎn)的，具有極低的光損耗，極低的功耗和高速光開關(guān)速度。

2】3000系列多模光開關(guān)，端口數(shù)可達16x16


Polatis 3000系列多模光開關(guān)，非常適合生產(chǎn)、工程現(xiàn)場和實驗室的自動化測量，滿足客戶高的重復(fù)性和低信號串?dāng)_要求。矩陣數(shù)從4x4 到16x16. 用戶可以選擇50um或62.5um的多模開關(guān)模塊。

為監(jiān)控井下溫度，Polatis的8x8 多模全光開關(guān)用來連接基于多模光纖的DTS系統(tǒng)，監(jiān)測4路信號。每個井也有一個單模DTS光纖放置在井底形成回路，這樣可以使用光纖兩端測量。兩端可以單獨使用，也可以同時使用，從而提高測量精度。OTDR用來定期監(jiān)控和測量光纖老化和衰減。OTDR數(shù)據(jù)結(jié)合DTS數(shù)據(jù)用來補償光纖老化和損傷，從而優(yōu)化整體測量結(jié)果，延長光纖傳感器的使用壽命。

為監(jiān)控井下壓力，Polatis的8x8 單模光開關(guān)連接監(jiān)控兩個井中4個單模光纖傳感器和光學(xué)測量設(shè)備。單模光纖傳感器上刻有壓力敏感的布拉格光柵。每個井中放兩個刻有布拉格光柵的單模光纖傳感器，可以測得的具有較高分辨率的壓力參數(shù)。結(jié)合DTS測量結(jié)果，OTDR可以測量并補償光纖老化和衰減。在此應(yīng)用中，Polatis光開關(guān)可以使連接更靈活，并且可以自動、遠程管理地面測量設(shè)備和井下光纖傳感器的相互連接。Polatis光開關(guān)允許井下光纖共用昂貴的光纖監(jiān)控設(shè)備，從而降低整體系統(tǒng)測試成本。

DirectLight^TM開關(guān)技術(shù)--Polatis全光開關(guān)的核心技術(shù)
Polatis公司16年來一直專注于光交換產(chǎn)品的開發(fā)，全部產(chǎn)品基于Polatis的專利技術(shù)Directlight?，Directlight?是基于高穩(wěn)定性壓電技術(shù)，實現(xiàn)直接光束偏轉(zhuǎn)，從而得到最低的光損耗等卓越光學(xué)性能指標，主要特點是：可靠性高、插入損耗小、背向反射小、抗震效果好。Polatis光開關(guān)廣泛應(yīng)用在如下領(lǐng)域：數(shù)據(jù)中心，光學(xué)層連接和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的解決方案、電信、產(chǎn)線測試、石油和天然氣設(shè)備、視頻傳輸市場等。直至2015年底，產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過了超過35億通道小時的現(xiàn)場使用驗證。

Polatis光開關(guān)可以工作于惡劣環(huán)境的井下。開關(guān)矩陣數(shù)靈活，可以提供對稱型（NxN）和非對稱型（MxN），或者客戶定制型（NxCC）即任意接口都可以連接到其它接口，光開關(guān)的矩陣數(shù)也可以根據(jù)個人需要而優(yōu)化。


Polatis公司DirectLight（直接光束偏轉(zhuǎn)）全光開關(guān)技術(shù)原理

三、結(jié)論
近些年來，越來越多的氣井和油井使用光纖設(shè)備來獲得更加準確的地下情況數(shù)據(jù)，只有不斷改進和提升地下井的監(jiān)測技術(shù)，才能提高現(xiàn)有油井的產(chǎn)能，并且開發(fā)新的油井資源。隨著光纖傳感器在油井監(jiān)控中的廣泛應(yīng)用，油井開采者發(fā)現(xiàn)矩陣光開關(guān)的應(yīng)用，使得地面測量設(shè)備和井下光纖傳感器的互聯(lián)更加靈活，從而大大減少設(shè)備成本。光開關(guān)在光纖監(jiān)測石油領(lǐng)域的應(yīng)用也因此日益增加。除了油井監(jiān)測，光纖監(jiān)測也經(jīng)常被用于運輸、生產(chǎn)和油氣存儲中，如運用光纖傳感器來探測液體含量水平和儲油罐泄露，還可以探測流速、溫度和管道泄露。

Polatis公司不僅可以為油氣工業(yè)監(jiān)測提供具有卓越性能的全光開關(guān)，還可以為各類應(yīng)用場景和要求苛刻的應(yīng)用領(lǐng)域提供高可靠性、高性能指標的光開關(guān)產(chǎn)品。其先進的矩陣光開關(guān)技術(shù)和卓越性能，16年來已經(jīng)在各個已經(jīng)由眾多需求測試和測量驗證。Polatis光開關(guān)發(fā)展了油氣工業(yè)光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)能力，以滿足當(dāng)下和未來的需求。

凌云集團&光纖器件與儀器事業(yè)部介紹
    凌云光技術(shù)集團創(chuàng)辦于1996年6月9日，是致力于光通信與傳感（Fiber Optical Communication & Sensing）、視覺與圖像（ Vision & imaging ）領(lǐng)域的高科技企業(yè)，為國內(nèi)最早從事光通信與視覺圖像領(lǐng)域的企業(yè)之一。二十年來，為世界上五十多家光電子專業(yè)技術(shù)公司在中國內(nèi)地與香港特區(qū)作產(chǎn)品推廣、應(yīng)用技術(shù)服務(wù)、市場拓展和渠道建設(shè)等工作。自2000年起，凌云公司開始在高端視覺圖像和光通信領(lǐng)域進行專業(yè)的自主研發(fā)生產(chǎn)。當(dāng)前，自主產(chǎn)品產(chǎn)值近4億，占集團總產(chǎn)值40%。凌云公司崇尚集體艱苦奮斗，致力成為客戶心中最優(yōu)的、戰(zhàn)略的、放心的與榮耀的選擇，共同努力把公司建設(shè)成為廣泛受人尊敬與信任的現(xiàn)代高科技企業(yè)。目前，公司擁有超過百余項自主產(chǎn)權(quán)和專利技術(shù)，員工隊伍近1000人。

    凌云光技術(shù)集團光纖器件與儀器事業(yè)部，1996年成立，為Finisar、TeraXion、Fujikura、NKT Photonics、VPI Photonics、SHF、General Photonics、EXFO、Polatis等二十多家世界著名的專業(yè)技術(shù)公司在中國做產(chǎn)品推廣、應(yīng)用技術(shù)支持和市場拓展等工作，事業(yè)部專注于40G/100G/400G/1T光傳輸系統(tǒng)、光纖激光、集成光子學(xué)、光纖傳感等諸多應(yīng)用領(lǐng)域，為廣大用戶提供軟件模擬、核心光器件，測試儀表等高端產(chǎn)品解決方案。

    凌云公司是美國Polatis公司在中國市場的合作伙伴，負責(zé)Polatis產(chǎn)品的市場推廣和售后服務(wù)工作。如有任何該產(chǎn)品的相關(guān)問題，歡迎隨時與我們聯(lián)系。

翻譯：王文娟、李寧、李麗，北京凌云光子技術(shù)有限公司