应对石油和天然气生产挑战

随着海上石油勘探和生产寻求新的方法来提高运营效率和改善油藏开采，人们正在进一步研究光纤。 众所周知，与铜质光缆相比，光纤能够在更长的距离承载更高的数据速率，而海上钻井活动也不断迁移到更深的水域和更深的井中。同时，运营商不断追求单独的井和整个生产链（从井到输送，再到基于船上或陆地的平台）的实时信息和分析。整个系统的海底处理和增加的监测量意味着会生成更多数据，使得光纤的高带宽和更长传输距离更具吸引力。整个系统可以收集的信息越多，分析就越复杂。这些数据不仅可以清晰地提供当前情况的实时画面，还可以为复杂的预测建模奠定基础。

除了提高运营效率外，此类监控和分析还可帮助公司增加投资回报。 光纤系统的安装通常比其电子部件更昂贵。安装光纤系统的初始成本较高，但会被长期生产效率节省的成本所抵消。公司发现提高了运营效率，更多更好的石油和天然气开采以及卓越的油田管理会带来快速回报。任何纤维与铜的成本/效益分析将取决于具体的应用和油田。来自运营商的经济反馈是受欢迎的信息，但很少用于保护运营的机密性。

光纤对于永久监测和获取温度、压力和其他数据也变得越来越有吸引力。 光纤在创建分布式传感系统方面表现出色。在这种情况下，纤维本身就是传感器。压力或温度的变化会改变背向散射轮廓，从而通过监测背向散射光实现高精度测量。由于光在光纤中的传播速度已知，因此可以通过背向散射光得知测量量级及其在整条光纤上的位置。基于光纤的分布式传感现在常用于海上石油和天然气行业中的以下几种应用场合：

海底传感系统变得完全无源，无需为电气传感器供电。 纤维也可以用作地震勘探中的声学传感器。光纤并不适用于所有应用场合。例如，在油藏监测应用方面，光纤系统并没有取代标准的电力通信系统，除非是要满足 150°C 或更高的极端温度需求，因为在这种情况下，基于铜的传感器无法使用。即便如此，光纤系统也提供了额外的补充传感能力。尽管光纤技术在信息传输能力和传感方面具有优势，但在海底石油生产领域的采用速度并不像其他行业那样迅速。光纤被认为是脆弱的，但实际上它非常坚固。当采用推荐的安装方法时，光纤系统可以满足 30 年最低使用寿命的通用行业要求，而无需维护。因此，即使设备必须承受海底深水和井底环境条件，可靠性也是同等的。在深水层，温度通常在 0 到 3°C 之间，而井底温度可以达到 200°C。部署深达 15,000 英尺的深水系统的设计目标包括能够承受 6600 psi 的海水静水压力和 20,000 psi 的井口压力。

拥有从井底到船上的端到端纤维解决方案是一个可行的解决方案。 下图显示了一个典型的系统。由于许多系统与圣诞树有相似之处，因此井上的系统被称为圣诞树。圣诞树可以是垂直（图左侧）或水平（右侧）结构。无论哪种结构，连通性都需要保持不变：右侧列出的内容与左侧相同。由于尺寸和重量限制，海底系统的海上部署应分多个阶段进行。这就是为什么海底智能系统使用光纤传感器、光缆和连接解决方案（接线盒、干式和湿式插接连接器）。

湿式互联连接器（见下文）可以在船上进行插接，但其主要用途是在部署后由遥控潜水器 (ROV)、潜水员或致动系统在海底进行连接。 它们使模块能够在原位相互连接。湿式插接连接器在设计上比干式插接连接器更复杂。需要为插接和未插接的连接器保持密封接口，但由于深水压力，这是具有挑战性的。为了在整个操作过程中和整个设计寿命中保持绝缘，连接器是装满油且保持压力平衡的。气囊或活塞机构使连接器的内部压力与外部水压保持平衡。这样就不会在密封件和刮水器上产生不同的压力。

与光学连接器相关的是光纤穿舱连接器，它们已开发用于在外部环境中实现密封完整性，或者用于分离不同的舱室，同时提供光学直通能力。 与光学连接器相关的是光纤穿舱连接器，它们已开发用于在外部环境中实现密封完整性，或者用于分离不同的舱室，同时提供光学直通能力。当与油藏压力相关时，穿舱连接器的耐差压等级为 5000 psi、10,000 psi 和 15,000 psi。在可能的情况下，海底模块是压力平衡的，即装满液体，液体在与模块外部相同的海水压力下进行调节。由于密封件不需要承受差压，因此壁厚更薄、重量更轻、可靠性更高。某些模块（如包含电子设备或其他设备的模块）无法承受高于大气压的压力。因此，使用光纤穿舱连接器可防止模块被水淹没。在可能会暴露于油藏关井压力的其他设备（如海底泵和井口）上，压力等级可能高达 15,000 psi，再加上高温。穿舱连接器提供了一种对环境重要的功能：光学故障意味着失去传感能力，但机械故障会将液体从井中释放到环境中。

尽管光纤具有较高的抗拉强度来承受纵向拉力，但如果不妥善保护，它们很容易断裂或损坏。 因此，光纤通常有自己的铠装。尽管使用了聚芳基酰胺线（与其他光缆相同的强度构件），但为了获得更稳固的设计，还会使用金属铠装。高静水应用压力会增加光纤内的衰减。TE 提供了三种不同的方法：

STEEL-LIGHT 和 ELECTRO-LIGHT 光纤元件都是进行包装的紧缓冲方法。 尽管紧缓冲需要更加细致的制造，但它在高度动态应用中提供更好的性能，是最可靠的选择。STEEL-LIGHT 铠装最坚固耐用，可承受 10,000 psi 的静水压力。STEEL-LIGHT 和 ELECTRO-LIGHT 光纤的直径都非常小，能够匹配电缆设计中的空隙。对于一些较新的使用薄壁铜导线的小直径脐带电缆，没有这样的空间。在此类情况下，FIST 可能是一个更好的选择，可以尽可能减小电缆直径。