總部位于美國加州的公共事業公司Pacific Gas and Electric（PG&E）需要一個準確可靠的系統來監測大型地下儲氣庫（UGS），于是它與先進的傳感技術公司Paulsson合作并尋求加州能源委員會（CEC）的研究經費，以開發并實地測驗一個全天候實時監測系統。CEC批準了該提案，并于2020年中期啟動了該項為期三年的研究。

Paulsson公司以發明、設計、制造和部署全光傳感器到深度、高溫、高壓鉆孔而聞名。在這個例子中，它的解決方案是一個基于光纖傳感技術的聲學和超大孔徑天線，使用來自Fotech公司（英國石油公司）的分布式聲學傳感技術（DAS）。

自安裝以來，該系統實現了井內和地層中氣體流量的實時檢測和監測，這在該類應用領域屬世界首創。該系統還記錄了來自附近斷層以及遠至日本和秘魯的多次小型和大型地震，這些天然近震源和遠震源為UGS地層性質提供了寶貴信息。

準確監測的必要性

PG&E公司是美國最大的公用事業公司之一，其擁有并維護超過6000英里的傳輸管道、42000英里的運輸管道和三個天然氣儲存設施。

PG&E公司最大的儲氣庫位于加利福尼亞的薩克拉門托-圣華金河三角洲的麥克唐納島，其最大容量為82BCF，可以在冬季高峰日為北加州提供25%的燃氣需用量。那里共設井87口（81口注采井，6口觀測井），當需求較低時，天然氣會被注入地下設施來儲存。當冬季、干旱年或炎炎夏日交流電達到峰值時，再抽取天然氣來發電。

儲氣庫的監測對于確保當地社區和環境的安全、盡可能地優化使用、使天然氣資源多樣化以及保護股東和納稅人免受中斷和事故帶來的損失等方面，都至關重要。這家加州的公用事業公司認識到，該領域需要一種可靠而準確的方式來監測儲氣庫，并和Paulsson公司一同推出并測試這方面的解決方案。

Paulsson公司通過使用光纖聲矢量地震傳感器，以及分布式溫度傳感器（DTS）和分布式應變傳感器（DSS）技術來提供極其精確的地下測量和監測解決方案。該公司擁有多年的開發、部署和處理來自高溫高壓的非電子全光傳感器陣列數據的經驗，這些陣列能夠在高達25,000 psi的壓力和高達600°華氏度（320°C）的溫度下，在垂直和水平鉆孔中工作。

在獲得加州能源委員會與PG&E和Fotech公司的150萬美元聯合撥款后，Paulsson公司開始在PG&E公司的麥克唐納島的UGS油田設計、建造、安裝和監測傳感器陣列。該系統的核心是Fotech公司的基于瑞利散射的解調技術，該項技術使用了Paulsson公司設計的增強型分布式聲學傳感器陣列（EDAS）。

Bj?rnPaulsson博士（Paulsson公司的執行總裁）說：“Fotech公司的DAS技術值得信賴，它的設備將為這個應用程序提供最好的監測。DAS系統表現非常好，提供了為期8個月的可靠且準確的數據，記錄了超過400TB的變革性數據。”

DAS如何工作

Fotech公司的Helios DAS技術本質上是將一條沿著水平天然氣管道（或垂直天然氣、或地熱井）運行的光纖光纜轉換成數千個振動傳感器，使其能夠監測到沿管道或井套管長度的任何干擾。

該技術每秒鐘沿著光纖光纜發送數千個光脈沖，監測向光線散射回來的精細圖案。當聲學或振動能量（比如由井內或地層中的氣體流動所產生的能量）對光纖產生微小的應變時，這就會改變背散射光的圖案。通過使用先進的算法和處理技術，DAS通過記錄這些變化來對干擾進行實時識別和分類，從而進行及時的處理解釋工作，并在必要進行校正。

Fotech公司的首席技術官Steve Cammish表示：“每種類型的干擾都有自己的特征，該項技術可以實時地告訴作業者發生了什么，以及發生的地點和時間。更重要的是，DAS能夠提供的是長達100公里的沿管道（或沿著靠近鉆孔最深的井）的全天候監測。”

PG&E公司用的解決方案是將一根光纖光纜連接到外徑4.5英寸的生產管（在85/8″套管下入井筒約2公里），該陣列的有效構成包括大約2500個傳感器，通過DAS的使用為其提供精確的實時監測，讓實時處理、解釋和操作成為可能。

有了足夠多的傳感器，Paulsson公司能夠有效地創建一個大孔的聲學天線，如此一來，氣田井內和儲存天然氣的地質構造中的流動以及任何其他事件，都可以在1米范圍內被監測到并精確定位。DAS還使Paulsson公司能夠區分高滲透砂巖層和低滲透頁巖的情況下，建立儲氣田形成的動態模型。

Paulsson公司表示：“這是我們首次在離井遠的儲層中成功探測到氣體流動，這是非常令人興奮的一次飛躍。由于DAS卓越的準確性和連續監測能力，它不僅為我們提供了靜態數據，它還允許我們實時地觀看流體（氣體和液體）注入對儲氣庫的影響。這意味著來自DAS的數據將允許我們創建鉆孔周圍地面1-2公里的3D圖像，為我們的客戶PG&E公司提供了完整地層和動態流動的可見性。”

傳統上，將在空間上間隔約15米（50英尺）或更多的地方應用地震檢波器，但鉆孔中的條件非常苛刻，具有高壓和高溫。另一個關鍵的方面是需要能夠記錄在風化/帶以下的地下表面中發現的高地震頻率。

因為光纖即使是在地熱溫度下也可以承受極端的環境，因此DAS更適合應用在鉆孔這樣極具有挑戰性的條件下。DAS技術是第一個能夠允許安裝許多1000秒傳感器的大陣列，并利用光學技術創建具有近距離空間傳感器的大孔徑高頻傳感器天線來采樣，”Paulsson公司補充說。

提供整體可視化的方案

Paulsson公司不僅能夠探測和監測氣體流量，還能監測到太平洋另一邊福島（日本）和秘魯（南美洲）的地震事件。Paulsson公司表示：“該傳感器陣列已經接收到8000公里外，來自日本和斐濟地震發生的聲信號，這簡直太棒了。能夠根據構造地質學探測到其他大規模的地震事件，這意味著我們可以提供許多正發生在太平洋盆地的遠近斷裂帶的事件的一個清晰的畫面。因此，PG&E公司對我們公司監控方案所提供的結果十分滿意。”

審核編輯：劉清