[发明专利]基于光纤传感技术的钻孔式三维地应力监测传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种基于光纤传感技术的钻孔式三维地应力监测传感装置。

背景技术

地应力状态数据是油气资源勘查、地质灾害研究与防治、城市建设、地震预测预报、边坡岩体稳定性研究等领域不可缺少的基础资料，其准确程度直接影响工程的质量甚至成败。因此，地应力测量与监测成为人类工程活动中不可或缺的工作。目前，随着我国煤矿等各种矿产开采、引水、引电、水库建设、地质灾害防治、油气田勘探等大型工程的开发，对岩体地应力连续监测的需求猛增，也对岩体地应力监测仪器的可靠性、精度和自动化程度提出了更高的要求。以地应力监测在油气田勘探领域为例，首先，地应力是油气运移、聚集的动力之一，地应力作用下所形成的储层裂缝、断层及构造是油气运移、聚集的通道和场所之一，现今地应力场影响和控制着油气田开发过程中油、气、水的动态变化。其次，通过分析地应力与裂缝的关系可以研究油气运移与聚集的规律，寻找含油气盆地。最后，根据地应力三维空间的分布特征和储集层岩性参数，不仅可以预测裂缝扩展的规律，为制定合理的油气田开发方案提供依据，而且还可以建立地层压力剖面来预测石油钻井工程井眼的稳定性。因此，地应力是油田开发方案设计、水力压裂裂缝扩展规律分析、地层破裂压力和地层坍塌压力预测的基础数据，获取准确的地应力监测资料对于油气田勘探开发具有重要现实意义和经济意义。另外，我国是世界上构造活动性最剧烈的大陆之一，地质灾害频发，地球内部热动力和板块间作用力直接控制了火山喷发、地震、岩爆和群发性滑坡泥石流等重大灾害。进一步了解地球内部精细结构和地块活动规律，地壳应力集中和释放的机理是地质灾害预警预报的基础。2001年11月14日昆仑山Ms8.1特大地震前后地应力变化被我国地质学家捕获，证实昆仑山大地震前地表应力高度集中和积累，最大主应力达到12Mpa，地震后下降到3-4MPa，昆仑山特大地震释放应力2/3。这是世界上首次监测到特大地震前后原位地应力变化，证明了李四光先生提出的利用地应力变化预报地震的技术路线是正确的，有效的。我国于上世纪60-70年代曾经部署了几十台地应力测量仪，组成初步的监测网，探索地震预报的新途径。数十年过去了，地应力测量技术发展非常快，精度大幅度提高，并实现了实时监测和远程传输。因此，开展我国实时地应力场监测，为开展地质灾害预警预报，提高预报能力和精度，有效减轻地质灾害造成的损失。

目前比较成熟的地应力监测技术主要有体积式监测仪器、电容式分量监测仪器和压磁式分量监测仪器，然而由于受到钻孔位置和井孔深度的限制以及仪器在高温高压下长期工作稳定性问题，传统的电学监测仪器使用受到了限制。针对现有的电学地应力监测仪器存在的不足，本发明采用光纤传感技术研制三维地应力监测传感装置。光纤传感技术是一门新兴的、多学科交叉的高科技应用技术，相对于传统传感器，光纤光栅传感器具有灵敏度高、响应速度快、耐腐蚀、体积小、寿命长、无源性、抗电磁干扰、具有分布式测量能力、便于与光纤传输系统组成遥测网络等优点，非常适用于恶劣环境下的长期监测，成为最具有发展前景的电类传感器的替代品。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于光纤传感技术的钻孔式三维地应力监测传感装置。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于光纤传感技术的钻孔式三维地应力监测传感装置，包括高压橡胶管、高压橡胶连接管、第一三分量探头、第二三分量探头、第三三分量探头和传感装置端头，第一三分量探头、第二三分量探头、第三三分量探头通过双螺纹连接件相连，并通过限位块限定各自的相对位置，第一三分量探头为轴向平面三分量探头，第二三分量探头、第三三分量探头为方向相差90°角的切向平面三分量探头，第一三分量探头、第二三分量探头、第三三分量探头均由限位块、铝合金基座、三个单分量传感芯片、单分量传感芯片支架和传感装置保护套管构成，单分量传感芯片支架的数量为三个，呈夹角开设在所述传感装置保护套管上，三个单分量传感芯片通过光纤以串联的方式安装在所述单分量传感芯片支架上，最上端的铝合金基座上端通过高压橡胶连接管连接有高压橡胶管，最下端的铝合金基座下端连接有传感装置端头，所述单分量传感芯片由若干碳纤维复合材料片通过环氧树脂胶层粘结而成，所述碳纤维复合材料片的一面通过环氧树脂胶黏贴有光纤光栅，所述碳纤维复合材料片与所述环氧树脂胶层的厚度相同。

其中，所述的环氧树脂胶层采用耐高温环氧树脂。

其中，所述的夹角为60°或45°。

其中，所述的光纤光栅为外径为0.125mm的单模光纤，反射率近似为100％，3dB带宽为1.068nm。