Волоконно-оптический кабель – гигантский распределенный микрофон

Одна из стен в офисе компании «Уникальные волоконные приборы» густо увешана патентами. Их несколько десятков, в том числе один американский. Патенты охраняют права разработчиков из этой московской компании, резидента кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково», на разнообразные виды волоконно-оптических датчиков и систем мониторинга для самых разных протяженных инфраструктурных объектов - от трубопроводов и электрокабелей до автодорог и конструкций из композитных материалов.

Технологии шагнули далеко вперед, и волокно из средства передачи информации превратилось в средство сбора данных, поясняет в интервью sk.ru директор «Уникальных волоконных приборов» (УВП) Антон Кузин: «Основная задача обычного волоконно-оптического кабеля вроде того, который тянут в квартиру, чтобы подключить ее к интернету - защитить волокно от внешних воздействий, температуры и деформации. У нас же задача противоположная - корректно, с известной передаточной характеристикой, собрать все внешние воздействия на волокно, которое по сути превращается в большой и непрерывный чувствительный элемент, и при этом сохранить его передающую способность. Одно оптическое волокно, используемое в качестве распределенного сенсора, заменяет собой многие тысячи точечных датчиков».

Созданная в 2006 году сотрудниками Фрязинского филиала Института радиотехники и электроники им. Котельникова РАН компания «Уникальные волоконные приборы» - это R&D-подразделение холдинга «Волоконно-оптическая техника-капитал». В него входят также инжиниринговая компания «Лазер Солюшенс», внедряющая волоконно-оптические системы на объектах заказчиков, и производитель сенсоров «Фосенс», который базируется в подмосковном Подольске. Сегодня это уже сформировавшийся бизнес, покрывающий все этапы - от идеи до производства и внедрения систем, а также использующий в качестве инструмента все имеющиеся на сегодня волоконно-оптические технологии.

История УВП начиналась с коммерциализации изобретенного сотрудниками Института радиотехники и электроники РАН и предназначенного для энергетиков волоконно-оптического датчика тока и напряжения. «Со временем мы отошли от датчиков тока и сконцентрировались на волоконно-оптических распределенных системах мониторинга, - рассказывает Кузин. - Одна из успешных разработок последнего времени, наглядно иллюстрирующая то, чем мы занимаемся, - это распределенная акустическая система, превращающая стандартный волоконно-оптический кабель в распределенный микрофон». Сфера его применения простирается от систем охраны (проложенный в грунте кабель чутко реагирует на шаги и движения и сигнализирует, где именно находится нарушитель периметра) до скважинной шумометрии, позволяющей увеличить объемы добываемых углеводородов. Еще одно применение этой технологии лежит в области гидроакустики. Специальный волоконно-оптические кабель хорошо ведет себя в воде и устойчиво к коррозии, поэтому систему можно быстро развернуть и использовать как для охраны морских границ и обнаружения подводных объектов, так и поиска углеводородов на шельфовых месторождениях.

«Суть технологии заключается в следующем – мы отправляем зондирующий импульс по волокну, регистрируем обратное излучение и, анализируя его спектральные характеристики, получаем требуемую информацию, - поясняет физику процесса Антон Кузин. – Во время распространения в оптическом волокне мощного светового импульса часть его энергии рассеивается. Существуют несколько видов рассеяния, в частности, акустическая волоконно-оптическая система мониторинга построена на эффекте Рэлея». Рэлеевское рассеяние - это взаимодействие света с неоднородностями среды, размер которых меньше длины световой волны (такой тип рассеяния солнечного света на молекулах в атмосфере придает небу голубую окраску).

Деформацию и температуру протяженных объектов, например, магистральных трубопроводов, а также нефтяных и газовых скважин, помогает измерять другой используемый в распределенных сенсорах эффект - Мандельштама-Бриллюэна. Установив комбинацию датчиков, реагирующих на изменения температуры и деформацию, можно построить 3D-модель трубопровода и в режиме реального времени контролировать его состояние по всей длине, положение в пространстве, температуру, обнаруживать утечки и фиксировать подвижки грунта. Если возникнут отклонения от заданных параметров, сотрудники службы эксплуатации незамедлительно получат сигнал об этом.

Самыми крупными заказами в этой области для разработчиков и инженеров холдинга стали проекты «Газпрома» на Дальнем Востоке. В 2011 году там был введен в эксплуатацию первый пусковой комплекс газотранспортной системы «Сахалин-Хабаровск-Владивосток». Предполагается, что к 2020 году система будет перекачивать 30 миллиардов кубометров газа. Общая длина трассы, проложенной в районах со сложными сейсмотектоническими и геологическими условиями, превышает 1800 километров. Была разработана распределенная волоконно-оптическая система геотехнического мониторинга (ВОС ГТМ) магистрального трубопровода. Длина сенсора, прикрепленного ко внешнему покрытию газопровода, составляет около 300 километров. «Система состоит из трех компонентов: прибор, волоконно-оптический кабель и программное обеспечение для анализа и визуализации поступающих данных, - рассказал Кузин. - Оператору, который имеет дело с нашей системой мониторинга, не нужно иметь два высших образования, наши решения реализованы в простой и понятной форме».

На то, чтобы убедить представителей «Газпрома» в эффективности волоконно-оптических сенсоров, ушло 3 года, вспоминает собеседник sk.ru: «Инновации в России приживаются очень тяжело. У нас были попытки внедрения разработок в разных отраслях, но в нефтегазовой сфере нам удалось наиболее быстро достучаться до заказчика и донести до него мысль о том, что предлагаемые технологии оправданы с экономической, технологической и экологической точек зрения».

Еще один энергетический проект, который сколковский резидент в рамках опытно-промышленных работ с середины прошлого года реализует в Ямало-Немецком округе, связан с набирающей популярность в мире концепцией «интеллектуального месторождения». Среди прочего этот подход предусматривает постоянный мониторинг скважин. Без волоконных технологий добывающая отрасль развиваться не сможет, убежден Кузин: «Необходимость в непрерывном контроле постоянно растет; за границей, например, в США, это уже осознали. Мы же в России только начинаем движение в этом направлении».

Своими конкурентами на российском рынке в рамках скважинного проекта разработчики считают в основном крупные зарубежные нефтесервисные компании. «Мы отличаемся от них в лучшую сторону ценой. Во-первых, мы производим сенсоры в России, следовательно, они дешевле, - уверяет директор УВП. - Во-вторых, наше ноу-хау в том, что волоконный кабель лучше защищен от агрессивной среды в скважине: водорода, радиации и так далее. Конкурентам приходится обходить эти сложности специфическим образом, из-за чего стоимость их решений растет».

Сейчас в УВП заняты созданием распределенного датчика давления для скважин, который, по оценке Антона Кузина, обещает стать настоящим прорывом для добывающей отрасли. Пока такого датчика ни у кого нет, и если нефтяники и газовики получат возможность измерять гидростатическое давление вдоль ствола скважины, степень понимания того, какие процессы происходят на глубине - а, следовательно, как итог, и количество добываемых углеводородов - заметно возрастет. Использование компактного и протяженного геофизического кабеля-сенсора позволит с высокой точностью контролировать состояние нефтяных и газовых скважин по всей длине. «Когда пласт перестает давать нефть или нефтеотдача падает, скважину останавливают и проводят геофизические исследования. Оптимальным и прямым способом получения информации был бы постоянный мониторинг скважины в процессе эксплуатации, но существующим (неволоконным) технологиям это не доступно. Самым главным среди анализируемых параметров является давление», - объясняет Кузин. Он уверяет: актуальность создания волоконно-оптического датчика давления была подтверждена в ходе переговоров руководства УВП с несколькими потенциальными заказчиками, в том числе одной крупной зарубежной нефтесервисной компанией. Потенциал идеи высоко оценили и в «Сколково». В конце прошлого года Фонд поддержал проект компании в размере 46 млн рублей (выделение 23 миллионов предусмотрено сколковским грантом, на такую же сумму проект профинансирует холдинг «Волоконно-оптическая техника-капитал») на разработку волоконно-оптического датчика давления в скважинах.

«Сколково» для «Уникальных волоконных приборов» – это не только грантовая поддержка. «Фонд помогает нам налаживать связи с потенциальными заказчиками. Это полезно, из таких контактов порой вырастают интересные идеи, - рассказывает Кузин. – С подачи «Сколково» мы участвовали в нескольких мероприятиях, в том числе в Startup Village, презентации проекта инвесторам, отраслевой выставке и конференции про разведки и добыче в Арктике, где завели много полезных знакомств».

Перспективное направление, к которому стартаперы из «Сколково» пока только присматриваются, - композитные трубопроводы. Руководство «Газпрома» не раз заявляло о своем интересе к замене металлических труб композитными, что позволит избавиться, в частности, от проблемы коррозии. В практическую плоскость этот интерес пока не переместился, но, надеются в УВП, это должно произойти в ближайшем будущем: «Очень привлекательно было бы поучаствовать в этом проекте «Газпрома», если и когда он будет осуществлен. Если встраивать волокна на этапе производства, можно получить готовую «интеллектуальную» трубу с инсталлированными системами контроля». Оптическое волокно хорошо чувствует себя в структуре композитных материалов, ему не страшны технологические процессы, связанные с производством, например, высокая температура. У разработчиков есть опыт встраивания волокна в композитный мост, подтверждающий готовность технологий решать подобного рода задачи.

На похожей стадии (есть опытные образцы, но нет соглашений об их внедрении) находится проект в области электроэнергетики, а именно создания «интеллектуального» фазного провода. «Оптические волокна уже используются для контроля температуры подземных кабелей и передачи информации. Энергетики не раз говорили, что им было бы интересно получить интеллектуальный фазный провод. Мы этим занялись, и у нас есть опытные образцы, - рассказывает Кузин. - Встроенные в фазный провод волоконно-оптические сенсоры измеряют температуру и деформацию, благодаря чему можно контролировать состояние ЛЭП: обрывы, обледенение, провисание, перегревы. Осенью прошлого года мы сделали предпромышленный образец и всячески пытаемся его продвигать. Как и в других сферах, история идет тяжело, что отчасти связано еще и с непростой ситуацией в электроэнергетике из-за реорганизации отрасли».

Второе, после нефтегазовой отрасли, большое и перспективное с учетом расстояний в России направление деятельности входящих в холдинг компаний - транспортная инфраструктура, а именно железные и автомобильные дороги. Для обеспечения требуемой надежности функционирования системы железнодорожных перевозок в системе организации движения необходимо иметь подсистему постоянного мониторинга критических деформаций полотна на наиболее опасных участках: мостах, туннелях, в районах обвалов, оползней, эрозии почвы и так далее. Предлагаемая система мониторинга состоит из трех основных компонентов: анализатора, протяженного волоконно-оптического сенсора и специализированного ПО. Радиус действия одного анализатора - до 70 километров (140 км в две стороны). Всего можно подключить к одному анализатору до 21 линии. Сенсор – это непрерывный волоконно-оптический кабель специальной конструкции, который является аналогом огромного количества точечных датчиков, поясняет Кузин: «Исходя из пространственного разрешения анализатора, можно считать, что каждые 50 сантиметров сенсора являются отдельным независимым точечным датчиком. Таким образом, участок сенсора длиной 50 километров будет эквивалентом 100 тысяч точечных датчиков».

Источник информации – сайт фонда Сколково