訪北京大學海洋聲學與光纖感測實驗室

訪北京大學海洋聲學與光纖感測實驗室

實驗室負責人：

北京大學海洋研究院特聘研究員張敏

發展海洋科學技術，開發利用海洋資源，提高我國海洋科技水平，是我國面臨的重大任務。而發展海洋科學技術，離不開發展先進的海洋探測手段。近日，北大海洋研究院獨家探訪了由特聘研究員張敏擔任主要技術負責人的海洋聲學與光纖感測實驗室。

實驗室背景介紹

2015年，甘子釗院士建議成立「北京大學光纖感測與海洋聲學研究中心」，發揮北京大學多學科的綜合優勢，以開展海洋科技研究。在北京大學海洋研究院建立由物理、信息、地學、工學多學科交叉合作的綜合性研究平台，結合國家重大需求，推動光纖感測和海洋聲學等交叉學科的發展。

利用聲波探測海洋是上世紀初圍繞海洋勘探技術、海洋軍事技術尤其是反潛的需求而發展起來的。從上世紀七十年代開始，由於光纖技術的發展，水聲探測技術有了全新的進步。首先是利用光纖干涉儀的概念發展了利用光纖中干涉效應來檢測水聲信號的技術，比起壓電效應，其在靈敏度、小型化、動態範圍和抗干擾上有顯著的優勢。通常稱這種類型的技術為光纖水聽器技術。其次，是利用光纖通信技術發展起來的時分、波分復用網路技術，用來實現規模探測器陣列的互聯和調控，使水聲探測系統成為一個信號處理光纖網路。

光纖技術的採用，使海洋聲學進入一個新的階段。目前海洋軍事技術、海洋科學研究和海洋資源開發方面對於建立海洋探測網路都有重大和迫切的需求。建立區域性、長期的、實時的海洋聲學交互觀測平台（這常常也是離岸幾百公里深水的綜合信息網路）迫在眉睫。

實驗室主要工作介紹

北京大學海洋研究院張敏老師課題組在盧海龍教授和陳章淵教授的協同帶領下，工作主要以光纖水聽器技術為基礎，結合地空學院何濤老師和何川老師團隊，圍繞天然氣水合物試開採過程中監測、非常規油氣田開發和海洋目標監測等國家重大需求展開。具體包含以下幾個方面：

1、天然氣水合物試采工程監測系統

天然氣水合物是資源量豐富的高效清潔能源，是未來全球能源發展的戰略制高點。天然氣水合物勘探開發項目是我國目前在能源和資源領域已經規劃並作出了重大投入決策的項目。

天然氣水合物是主要由甲烷等氣體分子和水分子形成的具有籠狀晶格結構的冰樣固體物質，只在相對高壓和低溫的條件下保持穩定。由於天然氣水合物賦存於沉積物顆粒間的孔隙中，甚至膠結周圍沉積物顆粒，因此隨著生產過程中水合物分解為自由甲烷氣和液態水，水合物儲層的物理和岩土力學特性將發生明顯改變。圍繞天然氣水合物試採過程儲層監測，實驗室開展了以下兩個方面的工作：

1.1 全光纖4C-OBC時移地震監測系統

在中國地質調查局「南海天然氣水合物試採過程儲層檢測及評價」項目的支持下，張敏老師團隊自主研發4C-OBC監測系統，工作於2000米水深，覆蓋以生產井為中心的1 km × 1 km的區域，其中4C代表4分量檢波器，每個單元包括1個光纖水聽器和3個光纖加速度計，OBC（Ocean Bottom Cable）是指海底光纜。全光纖4C-OBC天生具有電絕緣和抗電磁干擾的優點，不怕漏水、漏電，減少了與海水導電性相關的隱患，能在海底惡劣環境下長期工作；光纖波分復用的特點利於遠距離傳輸數據，在需要時可以輕鬆把信號傳送到100 km以內的岸上或者永久性鑽井平台上；干端的激光源、數據機、數據記錄和預處理等工作設備全部放置在鑽井平台上，可以實現在水下沒有任何電子元件和設備，不需要水下供電，對於在水下的密封和傳輸難度也大大降低，可以在一定範圍內進行高密度、低成本組網探測，這樣在理想情況下濕端的海底4C-OBC陣纜可以免維護，不但可靠性大大增強，而且非常有利於降低整體成本。

1.2 水合物儲層溫壓監測技術與裝置

在國家重點研發計劃項目「海洋水合物開發環境原位監測與探測技術」中，團隊承擔了其中「水合物儲層溫壓監測技術與裝置」子課題，具體承擔水合物儲層光纖溫壓監測裝置的任務，通過井下地球物理系統對水合物儲層的溫度、壓力等關鍵參數進行長期監測，獲得的基線數據可以用於分析得到水合物儲層和非儲層的溫壓場特徵和力學性質差異，探測水合物分解前緣的位置。通過本課題研究，將形成國內首套針對海域水合物儲層的溫壓長期監測系統，該系統的工作深度達到了3000米。該系統將服務於我國南海天然氣水合物試採區儲層的長期基線監測和試採過程實時監測。

2、 光纖壓裂裂縫監測系統

井下微地震壓裂裂縫監測技術對改進緻密儲層壓裂設計、提高壓裂效果具有重要作用。光纖監測技術具有靈敏度高、動態範圍寬、耐高溫等優點。實驗室開展了井下光纖壓裂裂縫監測技術攻關研究，研製出多芯纖高溫光電複合纜和光纖三分量檢波器、推靠裝置等關鍵儀器和裝置（如圖1所示），形成了井下微地震壓裂裂縫監測技術。

圖1 光纖壓裂裂縫監測系統各部分示意圖

系統於2016年8月份在新疆油田進行了現場試驗，現場實驗圖如下（圖2），先後完成儀器的地面檢測、四級檢波器入井、中途測試、儀器推靠和壓裂井的震源定位等試驗，並對壓裂井的某井段採用投球暫堵工藝壓裂了４層。壓裂過程監測信號清晰明顯、數據豐富，與壓裂過程吻合良好，完整記錄了微地震事件，現場監測獲得成功。目前已成功研製12級檢波器系統。

圖2 光纖壓裂裂縫監測系統現場試驗圖

3、分布式聲光纖感測（DAS）系統研究

實驗室採用了首創雙脈衝分布式聲感測（DAS）技術，實現了真正的分布式光感測，系統同時具有高精度和高空間解析度的優勢，可以得到光纖各個位置的完整的聲場波形信息，由於採用單根光纖進行感測，因此陣纜中無需採用光學器件，因此感測光纜可進行工業化量產，具有極大的應用前景。實驗系統在新疆油田的SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）井進行了現場試驗，取得了理想結果。

由北京大學海洋研究院特聘研究員張敏擔任主要技術負責人的海洋聲學與光纖感測實驗室，圍繞海洋聲學和光纖感測系統展開工作，同時結合南海天然氣水合物試採過程中儲層監測、非常規油氣開發等重大需求。未來將繼續圍繞海洋油氣勘探、海底監測網、非常規油氣開發等方面展開更深入的研究工作。

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