全光开关助力油井、气井监测

4/25/2016，在油、气井行业中，实时监测地下井的状态变化在近年来变得越发重要。随着石油和天然气的消耗速度超过开发速度，各个国家都在开发新的监测技术，以增加新油气田和已开发油气田中石油和天然气的产量。
      如今，在原油和天然气的提炼和生产过程中越来越多的使用光纤传感器进行监测。操作者使用井下光纤传感器来获知更精确的地下情况，通过对传感器数据的收集和分析，可以更加清楚的了解井下环境，帮助油田开发者做出更有利于提高产量、减少环境破坏的决定。
      随着监测油井气井的数量不断增加，操作者发现他们需要一种更有效的方法来连接多个矿井和各种地面监测设备。使用Polatis的全光单模和多模开关进行矩阵连接、共享地面测试设备和多个矿井，可以大幅降低成本，并且提高测试质量。

二、矩阵光开关在油井监测应用中的优势
近几年，随着技术的成熟和成本的下降，井下光纤传感器的应用迅速增长，常常一个井眼需要多个光纤传感器来测量多个地下参数。

配置更灵活
用手动的方式重新配置油井和测试设备之间的光连接器是很浪费时间的，而且会增加测量结果的不确定性。最初，操作者使用小型的1xN光开关实现单个测试设备监测多根光纤。随着光纤传感器数量的增加以及测量种类的增多，操作者发现1xN光开关限制了接口间的互相连通，已不能满足实际要求。于是操作者开始使用NxN或者NxM矩阵光开关，这样设备和传感器之间的相互连接更加灵活，可以实现不同油井的多根传感光纤共享多台测量设备。

远程互联
光开关可以使测量设备和光纤传感器之间自由远程互联，从而使多根光纤共用同一测量设备，或者使一根光纤同时实现多种测量。例如，操作者通过补偿老化和毁坏的光纤，可以极大的提高井下测量的质量。在光纤测量设备和普通测量设备之间转换多个传感光纤，使用NxN光矩阵开关比起使用1xN光开关，效率大幅提高。

操作效率
使用矩阵光开关在可操作性上的优势也是显而易见的。当在已有监测点放置一台新的光学测量设备，我们只需要把它连接到光开关上，而不用手动重新配置所有传感光纤接口。此外，如果其中一台测量设备失效，可以快速连接到另外一台新设备到矩阵光开关替代它，并且很容易结合到现有传感网络中，不需要手动配置来连接各个传感器。对于要求严格的远程操作，为了防止测量中出现问题，可以预先远程连接备用测量设备。

光纤传感器用于油井监测
准确的井下监测、数据采集和分析，对于优化产量和减少环境影响从而保证油井寿命非常重要。跟传统的电子器件相比，光纤更适合恶劣环境的油井，因为光纤耐高温、耐压力。光纤的无源特性使其更适用于易燃易爆的井下环境。对于永久井下设施，光纤通常被密封在金属保护套中，并内充缓冲凝胶。
目前，商用光纤传感器主要用来测量钻孔中的实时温度和压力。通过监测温度和压力随时间的变化，操作者可以得知井下生产的关键参数，比如液面、压力和流量变化。

温度数据
分布式温度传感器（DTS）是当下用的最多的井下光纤传感器。DTS成本低，可以轻松获得不同井深的准确、高分辨率的温度测量结果。DTS不同于过去的热电偶或热敏电阻阵列技术，是使用多模光纤作为传感器。DTS测量方式基于光时域反射（OTDR）技术和光频域反射（OFDR）技术，这两种技术源于通信电缆测量。通常，DTS中的传感光纤构成回路，所以光纤两端都可以用来测量，从而提高精度。
为了测量光纤上的温度，一个激光脉冲注入井下的光纤中，用光探测器监测其拉曼或布里渊散射。这两种散射机理对于温度变化都相当敏感，所以可以准确的测量光纤不同长度上的温度。探测器会同时记录反射光的振幅和激光脉冲从产生开始的时间延迟。DTS设备使用数字信号处理计算整根光纤长度上的温度，综合给出温度幅度变化和时间延迟信息。

压力数据
使用光纤传感探测井下压力也有多种方法。比较流行的一种方法是使用光纤光栅。光纤上的压力测量是通过输入宽带光源到光纤中，经过布拉格光栅反射，观察反射光的波长变化。操作者有时候同时使用几根这种带有布拉格光栅的光纤，来获得更多压力测量结果和好的距离分辨率。因为这些方法是对温度敏感的，所以一般跟DTS同时使用来提高测量精度。

准确测量
即便采用最坚固的封装形式和密封方式，光纤在环境恶劣的井下还是容易受到物理损坏，而且随着时间的推移老化也很难避免。在所有的井下光纤测量中，操作者通过在多个测量设备之间转换井中的传感光纤，从而实现补偿光纤老化和损伤，最终提高测量准确性。
许多常规操作中，比如水力压裂和蒸汽注入，都会在传感器上施加巨大的应力，损毁外壳。暴露的光纤对井中氢、水和其它含氢化学物质也比较敏感，暴露在氢气中的光纤损耗会逐渐增加。井中的高温也会加速光纤老化和暗化。专用的适用于油气的OTDR设备可以测量井下光纤性能随时间的退化，操作者基于OTDR的测试数据可以实现对于光纤老化的补偿，提高测量精度和准确性，延长光纤传感器的使用寿命。

三、油井监测对全光开关的关键需求
为保证井下测量的准确性，使用一款性能卓越的光开关至关重要。在油气井监测方面，光开关的重要指标包括“低的插入损耗”、“高的连接稳定性”和“最小的反射条件下的可重复性”。另外，还需要光开关可独立接收和转换各种测量信号、能连接暗光纤（无光工作）从而实现测量间断信号。Polatis的光开关具有业内领先的性能指标，是用于油气井监测的最佳选择。

超低光损耗
在业内同类型产品中，Polatis光开关的插损是最低的。低的插入损耗对于油气井监测非常重要，因为被探测信号进出光开关两次，一次是信号进入光纤传感器，再一次是信号从光纤到传感器反射回来。损耗过大会造成返回信号无法被准确的检测到，从而结果产品误判。

稳定性和可重复性
Polatis的光开关有极好的稳定性和可重复性。稳定性决定了光开关可以持续准确的控制连接光路，可重复性决定了每次插拔时损耗的变化。Polatis的矩阵光开关稳定性和可重复性是市场上性能指标最好的产品，这是由它的技术原理直接决定的。

回波损耗
从光开关出来的背向反射光进入探测器，会影响OTDR和OFDR的测量准确性。Polatis的光开关的回波损耗同样是业内最佳的。

暗光纤开关切换
油气井监测需要暗光纤开关切换。暗光纤开关使光开关可以无光控制连接。Polatis的光开关是真正意义上的暗光纤开关，开和关独立于功率、波长或者光的传播方向，因此可实现不通光情况下的光路预配置，真正的独立于波长、数据速率或协议。在油气勘探中，Polatis光开关可以处理各种间断的或者连续的OTDR测试信号。

四、典型的Polatis光开关现场分布
以下是一个典型的Polatis光开关现场（如图1所示）。光开关用来连接两个井中的温度、压力光纤传感器和地面测量设备。在这个例子中，两个Polatis光开关用来连接单模和多模光缆。在此应用中，一台OTDR设备就可以跟所有井下光纤传感器连接配合工作，并且可以补偿光纤随着时间的衰减和损坏。
 

图1：Polatis光开关在油气井中的典型应用案例1

该案例汇总使用开关产品如下：
1】1000系列单模光开关，端口数可达32x32


Polatis 1000系列产品是高性能、完全无阻塞的单模全光开关。矩阵数从4x4到32x32。此款产品是专为满足客户高性能和稳定性需求而设计生产的，具有极低的光损耗，极低的功耗和高速光开关速度。

2】3000系列多模光开关，端口数可达16x16


Polatis 3000系列多模光开关，非常适合生产、工程现场和实验室的自动化测量，满足客户高的重复性和低信号串扰要求。矩阵数从4x4 到16x16. 用户可以选择50um或62.5um的多模开关模块。

为监控井下温度，Polatis的8x8 多模全光开关用来连接基于多模光纤的DTS系统，监测4路信号。每个井也有一个单模DTS光纤放置在井底形成回路，这样可以使用光纤两端测量。两端可以单独使用，也可以同时使用，从而提高测量精度。OTDR用来定期监控和测量光纤老化和衰减。OTDR数据结合DTS数据用来补偿光纤老化和损伤，从而优化整体测量结果，延长光纤传感器的使用寿命。

为监控井下压力，Polatis的8x8 单模光开关连接监控两个井中4个单模光纤传感器和光学测量设备。单模光纤传感器上刻有压力敏感的布拉格光栅。每个井中放两个刻有布拉格光栅的单模光纤传感器，可以测得的具有较高分辨率的压力参数。结合DTS测量结果，OTDR可以测量并补偿光纤老化和衰减。在此应用中，Polatis光开关可以使连接更灵活，并且可以自动、远程管理地面测量设备和井下光纤传感器的相互连接。Polatis光开关允许井下光纤共用昂贵的光纤监控设备，从而降低整体系统测试成本。

DirectLight™开关技术--Polatis全光开关的核心技术
Polatis公司16年来一直专注于光交换产品的开发，全部产品基于Polatis的专利技术Directlight®，Directlight®是基于高稳定性压电技术，实现直接光束偏转，从而得到最低的光损耗等卓越光学性能指标，主要特点是：可靠性高、插入损耗小、背向反射小、抗震效果好。Polatis光开关广泛应用在如下领域：数据中心，光学层连接和软件定义网络（SDN）的解决方案、电信、政府和国防、产线测试、石油和天然气设备、视频传输市场等。直至2015年底，产品已经经过了超过35亿通道小时的现场使用验证。
Polatis光开关可以工作于恶劣环境的井下。开关矩阵数灵活，可以提供对称型（NxN）和非对称型（MxN），或者客户定制型（NxCC）即任意接口都可以连接到其它接口，光开关的矩阵数也可以根据个人需要而优化。


Polatis公司DirectLight（直接光束偏转）全光开关技术原理

三、结论
近些年来，越来越多的气井和油井使用光纤设备来获得更加准确的地下情况数据，只有不断改进和提升地下井的监测技术，才能提高现有油井的产能，并且开发新的油井资源。随着光纤传感器在油井监控中的广泛应用，油井开采者发现矩阵光开关的应用，使得地面测量设备和井下光纤传感器的互联更加灵活，从而大大减少设备成本。光开关在光纤监测石油领域的应用也因此日益增加。除了油井监测，光纤监测也经常被用于运输、生产和油气存储中，如运用光纤传感器来探测液体含量水平和储油罐泄露，还可以探测流速、温度和管道泄露。
Polatis公司不仅可以为油气工业监测提供具有卓越性能的全光开关，还可以为各类应用场景和要求苛刻的应用领域提供高可靠性、高性能指标的光开关产品。其先进的矩阵光开关技术和卓越性能，16年来已经在各个已经由众多需求测试和测量验证，其中不乏要求极严苛的政府应用、国防应用。Polatis光开关发展了油气工业光纤传感器网络的互联能力，以满足当下和未来的需求。

凌云集团&光纤器件与仪器事业部介绍
    凌云光技术集团创办于1996年6月9日，是致力于光通信与传感（Fiber Optical Communication & Sensing）、视觉与图像（ Vision & imaging ）领域的高科技企业，为国内最早从事光通信与视觉图像领域的企业之一。二十年来，为世界上五十多家光电子专业技术公司在中国内地与香港特区作产品推广、应用技术服务、市场拓展和渠道建设等工作。自2000年起，凌云公司开始在高端视觉图像和光通信领域进行专业的自主研发生产。当前，自主产品产值近4亿，占集团总产值40%。凌云公司崇尚集体艰苦奋斗，致力成为客户心中最优的、战略的、放心的与荣耀的选择，共同努力把公司建设成为广泛受人尊敬与信任的现代高科技企业。目前，公司拥有超过百余项自主产权和专利技术，员工队伍近1000人。
    凌云光技术集团光纤器件与仪器事业部，1996年成立，为Finisar、TeraXion、Fujikura、NKT Photonics、VPI Photonics、SHF、General Photonics、EXFO、Polatis等二十多家世界著名的专业技术公司在中国做产品推广、应用技术支持和市场拓展等工作，事业部专注于40G/100G/400G/1T光传输系统、光纤激光、集成光子学、空间光通信、激光雷达、光纤传感等诸多应用领域，为广大用户提供软件模拟、核心光器件，测试仪表等高端产品解决方案。
    凌云公司是美国Polatis公司在中国市场的合作伙伴，负责Polatis产品的市场推广和售后服务工作。如有任何该产品的相关问题，欢迎随时与我们联系。

翻译：王文娟、李宁、李丽，北京凌云光子技术有限公司