【海洋实验室】访北京大学海洋声学与光纤传感实验室

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发展海洋科学技术，开发利用海洋资源，提高我国海洋科技水平，是我国面临的重大任务。而发展海洋科学技术，离不开发展先进的海洋探测手段。近日，北大海洋研究院独家探访了由特聘研究员张敏担任主要技术负责人的海洋声学与光纤传感实验室。

实验室背景介绍

2015年，甘子钊院士建议成立“北京大学光纤传感与海洋声学研究中心”，发挥北京大学多学科的综合优势，以开展海洋科技研究。在北京大学海洋研究院建立由物理、信息、地学、工学多学科交叉合作的综合性研究平台，结合国家重大需求，推动光纤传感和海洋声学等交叉学科的发展。

利用声波探测海洋是上世纪初围绕海洋勘探技术、海洋军事技术尤其是反潜的需求而发展起来的。从上世纪七十年代开始，由于光纤技术的发展，水声探测技术有了全新的进步。首先是利用光纤干涉仪的概念发展了利用光纤中干涉效应来检测水声信号的技术，比起压电效应，其在灵敏度、小型化、动态范围和抗干扰上有显著的优势。通常称这种类型的技术为光纤水听器技术。其次，是利用光纤通信技术发展起来的时分、波分复用网络技术，用来实现规模探测器阵列的互联和调控，使水声探测系统成为一个信号处理光纤网络。

光纤技术的采用，使海洋声学进入一个新的阶段。目前海洋军事技术、海洋科学研究和海洋资源开发方面对于建立海洋探测网络都有重大和迫切的需求。建立区域性、长期的、实时的海洋声学交互观测平台（这常常也是离岸几百公里深水的综合信息网络）迫在眉睫。 

实验室主要工作介绍

北京大学海洋研究院张敏老师课题组在卢海龙教授和陈章渊教授的协同带领下，工作主要以光纤水听器技术为基础，结合地空学院何涛老师和何川老师团队，围绕天然气水合物试开采过程中监测、非常规油气田开发和海洋目标监测等国家重大需求展开。具体包含以下几个方面： 

1、天然气水合物试采工程监测系统

天然气水合物是资源量丰富的高效清洁能源，是未来全球能源发展的战略制高点。天然气水合物勘探开发项目是我国目前在能源和资源领域已经规划并作出了重大投入决策的项目。 

天然气水合物是主要由甲烷等气体分子和水分子形成的具有笼状晶格结构的冰样固体物质，只在相对高压和低温的条件下保持稳定。由于天然气水合物赋存于沉积物颗粒间的孔隙中，甚至胶结周围沉积物颗粒，因此随着生产过程中水合物分解为自由甲烷气和液态水，水合物储层的物理和岩土力学特性将发生明显改变。围绕天然气水合物试采过程储层监测，实验室开展了以下两个方面的工作： 

1.1 全光纤4C-OBC时移地震监测系统

在中国地质调查局“南海天然气水合物试采过程储层检测及评价”项目的支持下，张敏老师团队自主研发4C-OBC监测系统，工作于2000米水深，覆盖以生产井为中心的1 km × 1 km的区域，其中4C代表4分量检波器，每个单元包括1个光纤水听器和3个光纤加速度计，OBC（Ocean Bottom Cable）是指海底光缆。全光纤4C-OBC天生具有电绝缘和抗电磁干扰的优点，不怕漏水、漏电，减少了与海水导电性相关的隐患，能在海底恶劣环境下长期工作；光纤波分复用的特点利于远距离传输数据，在需要时可以轻松把信号传送到100 km以内的岸上或者永久性钻井平台上；干端的激光源、调制解调器、数据记录和预处理等工作设备全部放置在钻井平台上，可以实现在水下没有任何电子元件和设备，不需要水下供电，对于在水下的密封和传输难度也大大降低，可以在一定范围内进行高密度、低成本组网探测，这样在理想情况下湿端的海底4C-OBC阵缆可以免维护，不但可靠性大大增强，而且非常有利于降低整体成本。 

1.2 水合物储层温压监测技术与装置

在国家重点研发计划项目“海洋水合物开发环境原位监测与探测技术”中，团队承担了其中“水合物储层温压监测技术与装置”子课题，具体承担水合物储层光纤温压监测装置的任务，通过井下地球物理系统对水合物储层的温度、压力等关键参数进行长期监测，获得的基线数据可以用于分析得到水合物储层和非储层的温压场特征和力学性质差异，探测水合物分解前缘的位置。通过本课题研究，将形成国内首套针对海域水合物储层的温压长期监测系统，该系统的工作深度达到了3000米。该系统将服务于我国南海天然气水合物试采区储层的长期基线监测和试采过程实时监测。 

2、 光纤压裂裂缝监测系统

井下微地震压裂裂缝监测技术对改进致密储层压裂设计、提高压裂效果具有重要作用。光纤监测技术具有灵敏度高、动态范围宽、耐高温等优点。实验室开展了井下光纤压裂裂缝监测技术攻关研究，研制出多芯纤高温光电复合缆和光纤三分量检波器、推靠装置等关键仪器和装置（如图1所示），形成了井下微地震压裂裂缝监测技术。

图1 光纤压裂裂缝监测系统各部分示意图

系统于2016年8月份在新疆油田进行了现场试验，现场实验图如下（图2），先后完成仪器的地面检测、四级检波器入井、中途测试、仪器推靠和压裂井的震源定位等试验，并对压裂井的某井段采用投球暂堵工艺压裂了４层。压裂过程监测信号清晰明显、数据丰富，与压裂过程吻合良好，完整记录了微地震事件，现场监测获得成功。目前已成功研制12级检波器系统。

图2 光纤压裂裂缝监测系统现场试验图 

3、分布式声光纤传感（DAS）系统研究

实验室采用了首创双脉冲分布式声传感（DAS）技术，实现了真正的分布式光传感，系统同时具有高精度和高空间分辨率的优势，可以得到光纤各个位置的完整的声场波形信息，由于采用单根光纤进行传感，因此阵缆中无需采用光学器件，因此传感光缆可进行工业化量产，具有极大的应用前景。实验系统在新疆油田的SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）井进行了现场试验，取得了理想结果。