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海底光纤的未来

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vguangxian 发表于 2020-1-17 17:07:36 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
为了有效地提高运行效率并且改善油藏采收率,海上石油的勘探和生产都在探索新的方法,光纤也受到了更加密切的关注。众所周知,使用光纤来传输数据,无论是传输率,还是传输距离,均优于铜制电缆。随着海上钻井作业的水域和油井深度的不断增加,无论是独立的油井还是从油井到甲板或陆基平台的整个开采链,运营商们都希望能够得实时的信息和分析结果。

水下作业以及整个系统的监测的加强都意味着将生成更多的数据,令光纤的高带宽和更长的传输距离更具吸引力。在整个系统中收集的信息越多,分析就越复杂。通过数据,不仅可以清晰、实时地了解当前条件,而且还为预测模型的复杂化提供了基础。

除了提高作业效率之外,上述监测和分析还有助于为公司带来更多的投资回报。虽然光纤系统的安装成本通常高于对应的电缆系统,但是长期高效作业带来效益完全可以抵消较高的初始成本。公司发现,作业效率越高,石气采收率便越高,并且,对油田的出众管理能够为其带来快速的回报。光纤与铜制电缆之间的成本/效益分析取决于具体的应用场所和油田。

基于无源光纤的传感 640?wx_fmt=png.jpg

光纤对永久监测以及获取温度、压力等其他数据的吸引力也日益增强。

光纤分布式传感系统中有着卓越的表现。在分布式传感系统中,光纤本身就作为传感器,随着压力或温度的变化,其后向散射谱也会发生改变,通过监测后向散射,可以实现高度精确的测量。光纤中的光速是恒定的,因此,后向散射不仅可以反映信号的大小,还可以基于光纤长度来得到精确的位置信息。

基于光纤的分布式传感技术目前已广泛应用于海上石油和天然气行业,具体应用如下:

•  监测油藏,检索井内数据,以便更好地了解井内状况
•  管道泄漏检测
•  测量温度以及防止电加热的管道中形成水合物
•  监测柔性立管/管线中的机械结构应变和温度

海底传感系统已经实现了完全无源,因此,不再需要向电传感器供电。在地震勘探中光纤也可用作声学传感器。

光纤不一定是通用解决方案。举例来说,在油藏监控应用中,光纤系统并没有取代标准的电气通信系统 - 除非需要150°C或以上极端温度,在此温度下,铜基传感器是无法使用的。但是,就算在这样的条件下,光纤系统仍然可以提供更加可靠传感能力。

尽管光纤技术在信息承载能力和传感方面具备优势,但是海底石油生产行业并没有如同其他行业一样,迅速采用光纤技术。人们通常会认为光纤十分脆弱,但实际上,它们是非常牢固的。若采用推荐的安装流程,光纤系统可以完全符合30年最低寿命的一般工业要求,而且完全无需对其进行维护。可靠性同样如此,即使设备必须承受深水海底环境和井下的井内条件。在深水中,温度一般在0摄氏度到3摄氏度之间,而井下温度可以达到200°C。

对于深水系统,其设计深度可以达到5000英尺,其设计目标是可以承受6,600 psi 海水静水压力和20,000 psi井口压力。

海底光纤和井下系统 640?wx_fmt=png.jpg

一种可行的解决方案是从井下到甲板采用光纤实现点到点的连接。图1显示了一个典型系统。该系统位于油井的最上方,由于许多这类系统的结构都类似于圣诞树,因此这类系统又被称为“圣诞树”。圣诞树既可以采用垂直结构(左图)又可以采用水平结构(右图)。无论采用何种结构,连接的需求都保持不变:右边的连接与左边相同。

由于尺寸和重量的限制,在海上对海底系统的部署将分几个阶段进行。这就是海底智能系统使用光纤传感器、电缆和连接解决方案的原因(分线盒、干式结合连接器以及湿式结合连接器)。

这种组合系统的主要功能是实现安装在油井或海底的光纤传感器与甲板数据采集系统之间的光学连接。而另一个但却更重要的功能是提供可靠的耐压能力,保证在外部恶劣环境下的系统完整性。

为了便于安装,需要光纤连接器来连接不同的海底模块。整个系统由不同的功能模块组成,这些模块安装在海床,再完成集成连接。干式结合连接器用于模块内部的连接或者用于连接水面组装的模块。虽然它们的设计不是用于水下连接,但是结合后,却能够经受海水的侵蚀与深度压力。如图2所示,由于干式结合连接器使用了高精度陶瓷插芯,所以军用/航天连接器的用户会比较熟悉。

湿式结合连接器可以在水面结合,但他们的主要用途是在完成系统模块部署之后,通过遥控车(ROV)、潜水员,或驱动系统,在海底进行连接。通过湿式结合连接器,模块可以实现现场互连。湿式结合连接器的设计比干式结合连接器更为复杂。无论是结合式或者非结合式连接器,密封完好的接口必须妥善维护,在深水压力之下,实现这一目标是较具挑战性的。

为了保持在整个设计使用周期内作业时的绝缘性,连接器用油灌注,维持着压力的平衡。并且使用球胆或活塞机械结构来均衡连接器内压与外部水压。如此一来,密封件与擦拭件之间不会形成压差。

与光纤连接器相关联的是光纤贯穿器。光纤贯穿器实现了从外部环境到不同腔室的密封完整性,同时提供光学贯通的能力。根据环境的不同,光纤贯穿器与油藏压力连接时可耐受的压差也不同,5000 psi 、10000 psi 、15000 psi。

如果可能的话,海底模块是压力平衡的—即采用液体填充,并且通过调节以使液体压力与模块外的海底水压一致。这样由于密封件不需要承受高压差,可以减少壁厚,减轻重量,同时提高可靠性。但是,部分模块(如含有电子设备或其他设备的模块),并不能承受高于大气压的压力。

在这样的情况下,使用光纤贯穿器可以防止模块被水淹没。对于其它设备,例如海底泵和井口, 有可能直接承受油藏的关井压力,在高温下,压力可以高达15000 psi。

光纤贯穿器对环保来说也具有重要的意义。光学故障意味着丧失感知能力,但如果出现机械故障,则会从油井释放流体到环境之中。

强力电缆保护纤维 640?wx_fmt=png.jpg

纤维具有较高的抗拉强度,可以承受纵向拉力,但是如果保护不当,则很容易地断裂或损坏。因此,光纤电缆通常都配备有专用的保护套。虽然典型采用的是芳纶纱,但是结构更加牢固的设计则需要金属护套。过高的静液压力也会加速纤维内部的衰减。可采用以下三种方法:

•  钢管内置纤维(FIST)-将纤维置于牢固的不锈钢管之中,以防止受到静水压力、高温和腐蚀性环境的影响。FIST采用松管设计,这种设计可以容纳数条纤维,这些纤维均松散地放置于管内,采用凝胶封装。由于纤维在管内 “浮动”, 纤维长度略大于钢管长度,以确保低应变。FIST技术是最简单和成本最低的方法,通过钢管来承受应力,从而维持纤维的低应变。如果电缆在安装或使用过程中有所拉伸,则多余的纤维可以随之拉伸而不会产生额外的应力。松管设计同样适用于应对极端温度变化,但不适合坚固的应用,譬如极端深度和电缆长度。FIST还提供了管中多条光纤的高密度封装,三个方案中,FIST最易于进行端接。

•  轻质钢制护套 -轻质钢制护套-此方案采用多股大小精确的犁钢,它们同心排列在纤维缓冲层周围,防止纤维破损。 λ 轻质电子护套–此方案近似于轻质钢制护套,但采用铜代替钢。铜还可用于电力传输,从而可以在较小的外径结构中完成复合信号电缆的设计。

•  轻质电子护套 – 此方案近似于轻质钢制护套,但采用铜代替钢。铜还可用于电力传输,从而可以在较小的外径结构中完成复合信号电缆的设计。

轻质钢制护套与轻质电子护套都属于束紧型缓冲管包装方法。虽然束紧型缓冲管需要更仔细的制造,但在高度动态的应用中,却提供了更好的性能,也是最坚固的选择。轻质钢制护套是最坚固的,能够承受高达10000psi净水压力。

光纤:未来一片光明 640?wx_fmt=png.jpg

近期石油市场的动荡起伏凸显了提高生产效率的必要性。技术的不断发展,不仅可以提高石油和天然气的产量,而且还提供了获取新资源的方法来帮助管理和延长海上油田的寿命。通过传感器提供信息,运营商因此可以深入研究各种条件,实时调整操作和长期预测模型,这是前所未有的。

过去十年已经部署了许多光纤导频系统,这些系统不仅提供了有价值的数据,而且在高压力和温度之下,还提供了稳定的光学性能。光纤是应对当前和未来勘探和采收挑战的理想工具,广泛采用刻不容缓。

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