[发明专利]一种用于油气井井下温度和振动监测系统和方法

说明书

本发明属于弱光栅解调领域，涉及一种用于油气井井下温度和振动监测系统和方法，包括：激光发射模块、弱光栅阵列、CCD模块、干涉耦合模块和采集模块，所述激光发射模块，用于发射脉冲光信号，并将脉冲光信号输入弱光栅阵列；弱光栅阵列，用于产生发射光；CCD模块，用于接收一部分反射光信号，并将其传输至采集模块；干涉耦合模块，用于接收另一部分反射光信号，产生FBG‑FP干涉信号，并将FBG‑FP干涉信号传输至采集模块；采集模块，用于通过反射光信号获得井下温度和/或应力特征，通过FBG‑FP干涉信号获得振动特征。其能够同时采集到反射波波长信号以及FBG‑FP干涉信号，实现温度、应力和振动等物理量的同时监测。

技术领域

本发明涉及一种用于油气井井下温度和振动监测系统和方法，属于弱光栅解调领域。

背景技术

光纤传感技术是一种以光波为载体，光纤为传输媒介，通过对外界的温度、应力、振动等物理量引起的光波特征参量变化进行检测，从而实现这些物理量的测量。普通光纤光栅的优势是响应快，测量参数多，不足之处是传感网络规模小，很难应用余长距离、大范围的传感系统。如何多物理参量、长距离、分布式传感的测量，一直是光纤传感技术的一项挑战。

根据研究，光纤光栅的反射率越低，需要多个光纤光栅复用，从而实现大规模FBG(Fiber Bragg Grating)传感网络。弱光纤光栅其栅区反射的能量非常弱，只有光纤光栅的万分之一到几千分之一，比瑞利反射的能量高6个dB左右。根据时分复用原理，弱光栅阵列中每个光栅的反射光返回时间都不同，利用这一原理可以对每个弱光栅进行定位，通过解调得到对应位置的温度或应力情况，但该方法无法进行振动等物理量监测。

监测振动等物理量时，通常将两个相邻的FBG作为反射镜，此时FBG可看作具有本征波长选择特性的光纤内反射镜，选择合适宽度的弱光栅，即可构成基于FBG的法布里-珀罗腔(FP)。通过解调FP所反射回来的干涉光，即可得到该处的振动信号情况。

现有技术中，由于温度、应力等静态物理量和应力等动态物理量监测方法不同，所以需要设置不同的系统进行监测，这对于油气井等监测空间很小的作业是很难实现的，且采用不同的系统进行监测也会增加监测成本，并给监测人员带来不便。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于油气井井下温度和振动监测系统和方法，其能够同时采集到反射波波长信号以及FBG-FP干涉信号，实现温度、应力和振动等物理量的同时监测。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种用于油气井井下温度和振动监测系统，包括：激光发射模块、弱光栅阵列、CCD模块、干涉耦合模块和采集模块，所述激光发射模块，用于发射脉冲光信号，并将所述脉冲光信号输入所述弱光栅阵列；所述弱光栅阵列，用于对脉冲光信号进行反射，产生反射光信号；所述CCD模块，用于接收一部分所述反射光信号，并将其传输至采集模块；所述干涉耦合模块，用于接收另一部分所述反射光信号，产生FBG-FP干涉信号，并将所述FBG-FP干涉信号传输至采集模块；所述采集模块，用于通过所述反射光信号获得井下温度和/或应力特征，通过所述FBG-FP干涉信号获得振动特征。

进一步，所述激光发射模块包括宽带光源、带通滤波器和第一半导体激光放大器，所述宽带光源，用于产生光信号；所述带通滤波器，用于对所述光信号进行带通滤波，以生成窄带光；所述第一半导体激光放大器，用于对所述窄带光进行放大，生成脉冲光信号。

进一步，所述第一半导体激光放大器包括半导体激光器和掺铒光纤激光放大器，经过半导体激光器调制成为脉冲光并且进行第一级放大，然后经过掺铒光纤激光放大器进行第二级放大。

进一步，所述激光发射模块产生的脉冲光信号通过光环形器照射所述弱光栅阵列，所述弱光栅阵列的反射光经过光环形器进入第二半导体激光放大器，所述第二半导体激光放大器用于对弱光栅阵列的反射光进行第三级放大。

进一步，所述弱光栅阵列第i个弱光栅阵列的反射光返回时间τ_i的计算公式为：