面向地层能源的光纤传感基础研究

Aiming at the difficult points in stratum source oriented fiber optics seismic wave exploration technology and ultrasonic imaging technology of seismic-physical models, the project will focus on developing novel high performance FBG sensing technology for oil/gas resources exploration, carbon dioxide driving and storage monitoring and down hole microseisms monitoring applications. In 3D vector fiber optics seismic sensor development, technical and scientific problems including orthogonal cladding grating writing, compact sensor structure fabrication, vibration orientation identifications, and networking multiplexing will be solved. And in the ultrasonic imaging technology, technical and scientific problems including intrinsic interference-based fiber grating writing, effective coupling of ultrasonic-to-fiber and multichannel multiplexing will be solved. To meet the urgent needs of "high sensitivity downhole seismic wave 3D vector monitoring" and "high resolition seismic physical model imaging", the project will provide an novel all fiber sensing scheme for stratum resource monitoring, which has important significance of science and technology and broad potential applications in novel fiber grating development as well as stratum source exploration and monitoring.

针对地层能源监测中地震波勘探光纤检波技术、地震物理模型光纤超声成像技术中的难点，本项目重点研究适用于油气资源勘探、二氧化碳驱油及封存、井下微地震监测过程中的新型高性能FBG传感技术。重点解决包层型正交FBG写制、传感器微型化、振动方向信息识别、网络化复用等三维矢量光纤检波器的科学技术问题；高精度本征干涉型FBG写制、声-固耦合优化、多通道复用等地震物理模型超声成像分析中的科学技术问题。满足“井中地震波三维矢量高灵敏度监测”和“地震物理模型高分辨率超声成像”的地层能源监测急需，提供一种面向地层能源监测的全光纤新型传感监测方法和技术。这不仅在新型FBG传感器研制方面，而且在地层能源监测领域都具有重要的科学技术意义和广阔的应用前景。

地震检波技术是地层能源勘探与开发的关键，在油气资源勘探、二氧化碳驱地质封存、微地震监测等领域中应用广泛。目前常规检波技术基于电磁类传感器，受使用环境的限制，难以满足地层能源精细勘测的需要；尤其对于超常规、复杂油气田，更无法满足超深井耐高温高压长期监测的实际需求。针对以上难题及勘探开发的急需，项目开展了光纤矢量地震检波技术和地震物理模型光纤超声成像技术两方面研究工作。.根据井中地震波勘探对多维度地震信息获取的需求，提出了光纤光栅矢量检波新方法与新技术；针对光纤矢量传感对特种光栅的需求，优化了飞秒激光光栅刻写的方法与工艺；研制了系列基于包层光栅、多芯光栅等特种光栅的光纤光栅矢量传感器；研制了系列基于新型换能结构的光纤光栅检波器；针对井下应用，研究了光纤光栅矢量检波器的装配方案和解调技术；针对地震物理模型高分辨和高精细成像需求，研制了系列基于微结构及功能化封装的光纤超声成像传感器；研制了三维地震物理模型，以及基于宽频超声信号解调的多通道地震物理模型超声成像系统。.光纤矢量检波器技术指标：包层正交光栅偏离度<1°；三维振动方向角度检测精度2°；频率响应测试范围0.5Hz-14KHz；耐高温300℃；耐高压105Mpa。.光纤超声传感器技术指标：耦合端面尺度小于1mm；频率响应100kHz-30MHz；多通道扫描成像6个。.项目执行期内，共培养研究生21人，其中获博士学位7人，获硕士学位14人。发表研究论文64篇，申请及授权发明专利14项，相关成果获2019年度陕西省科学技术一等奖。项目基于飞秒激光刻写特种光纤光栅技术，实现了光纤矢量传感及地震矢量检波，是在光纤传感机理、传感器制作及应用的重要突破。项目将实验室地震物理模型超声成像与油气田井中现场光纤矢量检波技术有效结合，将光纤矢量传感技术应用于地层油气资源勘探，对于测井学科发展，测井技术进步，具有基础性，前沿性意义。