【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于地应力场测量，具体涉及一种基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置及测量方法。
技术介绍
1、目前地应力测量方法较多，包括水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法等直接测量法，和套芯应力解除法、应变恢复法等间接测量法。
2、直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。
3、间接测量法不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的理论公式或经验公式来计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。
4、在套管外布设的直铠装应变敏感光缆，尽管可以测量沿套管各点的地应力值或地应变值，但是无法测量该点地应力场的方向或方位，也无法知道水平井的延伸方向是否是与地下最大主应力方向正交或大角度相交，更无法进行射孔位置和压裂井段的优化设计，无法避免井下套管发生局部套损。
5、光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对
6、光纤光栅主要的制作方法是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)，通过紫外光曝光或飞秒激光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成(利用空间相位光栅的布拉格散射的波长特性)一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长透过光纤光栅继续传输。
7、光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。这使得光纤光栅以及基于光纤光栅的器件成为全光网中理想的关键器件。
8、随着光纤光栅应用范围的日益扩大，光纤光栅的种类也日趋增多。根据折射率沿光栅轴向分布的形式，可将紫外写入的光纤光栅分为均匀光纤光栅和非均匀光纤光栅。其中均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度和折射率变化的周期(也称光纤光栅的周期)均沿光纤轴向保持不变的光纤光栅，如均匀光纤bragg光栅(折射率变化的周期一般为0.1um量级)和均匀长周期光纤光栅(折射率变化的周期一般为100um量级)；非均匀光纤光栅是指纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向变化的光纤光栅，如chirped光纤光栅(其周期一般与光纤bragg光栅周期处同一量级)、切趾光纤光栅、相移光纤光栅和取样光纤光栅等。
9、近年来，多芯光纤为通过光通信链路、高功率光纤激光器和放大器以及新型光学传感器进行大容量数据传输的技术的快速发展做出了重大贡献。光纤布拉格光栅(fbg)是一种在折射率结构周期给定的特定共振波长下反射光的元件，在开发基于此类光纤的设备时起着关键作用。
10、光信号空间分离的可能性使得多芯光纤对于开发测量光纤多参数物理影响的传感器具有吸引力。在回顾传感器的进展时，重点强调了三分量形状传感器，由于其紧凑性、灵活性、化学惰性和电磁不敏感性，三分量形状传感器在微型机器人(尤其是微创手术)、航空航天工业和监测工业设施的结构健康方面很有需求。多芯光纤也是发展高功率光纤激光器和放大器的一种很有前景的介质，因为在这种情况下，由于芯模净面积的增大，非线性效应对激光区域的影响变得较弱。
11、飞秒激光技术可以在透明材料内部改变折射率，在使用多芯光纤时提供了高度的自由度。除了光纤布拉格光栅外，还可以利用该技术制造用于空分复用通信的复杂光学集成元件、用于测量物理量和生物传感器的组件，以及用于激光系统的复杂bragg镜组。
12、迄今为止，用于测量曲率、扭转和形状的多芯光纤传感器的研究和开发表明，当使用各种方法时，测量精度很高，这些方法最适合每种情况。他们开发的下一步将集中于在单个设备中结合精度、性能和成本平衡方面的最佳解决方案。除了形状重建外，还可以添加其他独立可测量的分布参数，如温度、振动、压力等。
技术实现思路
1、本专利技术提出了使用基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置及测量方法。在钻孔内安装完毕的金属套管外侧布设的多芯连续光纤光栅铠装光缆，连续测量和实时监测沿套管外铠装光缆分布的三分量地应力场的量值和方位。
2、本专利技术的目的是克服现有地下三分量地应力场测量技术的不足，提出了把多芯连续光纤光栅铠装光缆布设在金属套管外壁上，构建一个基于分布式多芯连续光纤光栅传感的地下岩层三分量地应力场分布变化的测量系统，长期实时监测和测量地下三分量应力场对井下套管和井下各种工具及管线可能造成的损害或破坏，是为保证油气生产井、注水井和监测或观察井长期稳定安全可靠的工作提供不可缺少的手段、系统和方法。
3、为实现上述目的，本专利技术的具体技术方案为：
4、基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，包括安装在钻孔内的金属套管，所述的金属套管外布设固定有多芯连续光纤光栅铠装光缆；所述的多芯连续光纤光栅铠装光缆内包括至少一根以上的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅和两根耐高温抗氢损多模光纤；
5、还包括放置于井口附近的dss/dts复合调制解调仪器，所述的dss/dts复合调制解调仪器的一个dss信号端口和两个dts信号端口分别与多芯连续光纤光栅铠装光缆内的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅和耐高温抗氢损多模光纤相连接。
6、所述的dss/dts复合调制解调仪器为分布式多芯连续光纤光栅应力传感和双端输入分布式光纤温度传感复合调制解调仪器，包括数据采集模块与调制解调模块。
7、所述的耐高温抗氢损应力敏感多芯连续光纤光栅铠装光缆内部为耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅，所述的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅和耐高温抗氢损多模光纤外分别封装在连续的第一金属细管和第二金属细管内。
8、所述的耐高温抗氢损应力敏感多芯连续光纤光栅铠装光缆内是应力敏感且光栅间距小于1米的高密度的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅，此多芯连续光纤光栅能感应到作用在其上的不同方向的地应力。
9、所述的第一金属细管和第二金属细管外本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，包括安装在钻孔(1)内的金属套管(2)，所述的金属套管(2)外布设固定有多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)；所述的多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)内包括至少一根以上的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅(4)和两根耐高温抗氢损多模光纤(5)；
2.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的DSS/DTS复合调制解调仪器(6)为分布式多芯连续光纤光栅应力传感和双端输入分布式光纤温度传感复合调制解调仪器，包括数据采集模块与调制解调模块。
3.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的耐高温抗氢损应力敏感多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)内部为耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅(4)，所述的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅(4)和耐高温抗氢损多模光纤(5)外分别封装在连续的第一金属细管(41)和第二金属细管(51)内。
4.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)内是应力敏感且
5.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的第一金属细管(41)和第二金属细管(51)外还包裹有单层或多层的保护金属细管和/或缠绕有铠装钢丝。
6.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的第一金属细管(41)内安置用耐高温抗氢损高强度复合材料紧密包裹或用注塑机一次成型包裹多芯连续光纤光栅制作的多芯连续光纤光栅光缆，紧密贴壁密封在第一金属细管(41)内。
7.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的第二金属细管(51)内还设有耐高温光纤膏。
8.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的第二金属细管(51)内的两根耐高温抗氢损多模光纤(5)的尾端熔接成U字型，用于连接到DSS/DTS复合调制解调仪器(6)的两个DTS信号的双端信号输入端口。
9.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述外包裹有单层或多层的保护金属细管和/或缠绕有铠装钢丝的第一金属细管(41)和第二金属细管(51)用多个间距10米的金属卡子固定在套管外壁上，并随套管一起布设到完钻的钻孔内。
10.根据权利要求1到9任一项所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，包括安装在钻孔(1)内的金属套管(2)，所述的金属套管(2)外布设固定有多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)；所述的多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)内包括至少一根以上的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅(4)和两根耐高温抗氢损多模光纤(5)；
2.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的dss/dts复合调制解调仪器(6)为分布式多芯连续光纤光栅应力传感和双端输入分布式光纤温度传感复合调制解调仪器，包括数据采集模块与调制解调模块。
3.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的耐高温抗氢损应力敏感多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)内部为耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅(4)，所述的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅(4)和耐高温抗氢损多模光纤(5)外分别封装在连续的第一金属细管(41)和第二金属细管(51)内。
4.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力场测量装置，其特征在于，所述的多芯连续光纤光栅铠装光缆(3)内是应力敏感且光栅间距小于1米的高密度的耐高温抗氢损多芯连续光纤光栅(4)，多芯连续光纤光栅(4)用于感应作用在其上的不同方向的地应力。
5.根据权利要求1所述的基于多芯连续光纤光栅的地下应力...
【专利技术属性】
技术研发人员：余刚，张少华，陆红军，王熙明，安树杰，夏淑君，蔡志东，陈沅忠，吴俊军，
申请(专利权)人：中油奥博成都科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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