摘要: 我国的石油进口量已常年位居于世界之首，这对国家的能源战略构成严重的威胁。由于常规油气资源几乎开发殆尽，复杂环境下的油气资源的勘探开发成为必然趋势，但目前的勘探开发设备已不能满足需求。分布式光纤传感技术具有灵敏度高、响应速度快、探测... 展开 我国的石油进口量已常年位居于世界之首，这对国家的能源战略构成严重的威胁。由于常规油气资源几乎开发殆尽，复杂环境下的油气资源的勘探开发成为必然趋势，但目前的勘探开发设备已不能满足需求。分布式光纤传感技术具有灵敏度高、响应速度快、探测范围广等优势，成为石油勘探开发领域最有前景的技术之一。但是常用的分布式光纤传感技术由于传感信号较弱导致信噪比较低，系统的灵敏度和传感距离受到制约。基于光栅阵列的分布式振动传感系统采用光栅稳定的反射光做为传感信号能从根本上解决这些问题，但是在石油勘探开发过程中受现场复杂环境的影响，普通的光栅阵列在温度变化较大或者受拉力的环境下导致传感信号质量严重下降，甚至无法被检测到。 本文致力于研究新型光栅阵列的分布式传感技术，提高传感系统的环境适应能力，使其满足石油勘探开发领域中的温度和振动同时测量的应用需求。为此本文主要从光栅阵列结构和传感系统的设计两个方面进行改进，在现有光栅阵列分布式振动传感技术的基础上进行更深入的研究。具体内容分为以下几个方面： （1）研究了相位敏感光时域反射仪的基本原理和相位解调方法，介绍了光栅阵列信号干涉理论并对系统中的串扰和噪声进行了分析；分别设计了基于3×3耦合器相位解调算法和正交解调算法的光栅阵列分布式振动传感系统，并进行了分布式振动传感实验，最终能够很好的还原外界的振动信号。 （2）理论分析了温度变化造成光栅波长漂移对光栅阵列振动信号解调的影响，指出目前采用普通的光栅阵列在石油勘探开发领域存在的一些问题，提出基于啁啾光栅阵列的分布式振动传感系统，满足油井中温度变化较大的环境下地震波测量的需求，同时根据井中石油勘探开发中温度测量的需求，采用啁啾光栅阵列同时实现分布式的温度测量，开发了基于啁啾光栅阵列的分布式温度和振动同时测量的传感系统，系统在200℃大温差范围下的仍然能保持良好的传感性能。 （3）为了进一步提升系统温度传感的精度和实时性，提出了基于混合光栅阵列的分布式振动/温度传感系统。首先详细介绍了混合光栅阵列的制备方法，然后采用波分复用的方法将两种光栅进行区分，最后采用CCD光谱成像和寻峰算法快速找出窄带光栅的中心波长实现分布式温度测量，同时解调啁啾光栅间干涉信号的相位变化实现分布式的振动解调。 （4）采用开发的光栅阵列分布式传感系统样机进行了声波传感实验，在空气中实现了频率从90Hz到1250Hz的声波测试。在油井中进行分布式的温度和振动实验，得到了较好的实验结果，并对实验结果进行了分析，为光纤光栅阵列分布式传感系统在石油勘探开发领域的应用提供可靠的数据支撑。 收起