阅读说明：本技术 基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构方法及系统 (Pipeline path three-dimensional detection reconstruction method and system based on Bragg fiber grating ) 是由 袁银权 于 2020-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构方法及系统,其中系统包括宽带光源、第一光分路器、第二光分路器、三维坐标传感探头。宽带光源发出的光经第一光分路器、传导光纤、第二光分路器,入射到三维坐标传感探头上；入射光经三维坐标传感探头反射后,反射光通过第一光分路器输送到波长解调仪；当弹性体轴线偏离重力方向时,引起光纤光栅发生波长漂移,波长解调仪解调出三维坐标传感探头中多个光纤光栅的中心波长,并输送到计算机；计算机根据解调出的中心波长以及光纤光栅应变和曲率分布图,计算钻筒的包括方位角和偏离重力方向的倾角的三维位置坐标。(The invention discloses a pipeline path three-dimensional detection reconstruction method and a pipeline path three-dimensional detection reconstruction system based on Bragg fiber gratings, wherein the system comprises a broadband light source, a first optical splitter, a second optical splitter and a three-dimensional coordinate sensing probe. Light emitted by the broadband light source is incident on the three-dimensional coordinate sensing probe through the first optical splitter, the conducting optical fiber and the second optical splitter; after incident light is reflected by the three-dimensional coordinate sensing probe, reflected light is transmitted to the wavelength demodulator through the first optical splitter; when the axis of the elastic body deviates from the gravity direction, the fiber bragg gratings are caused to generate wavelength drift, and the wavelength demodulator demodulates the central wavelengths of the fiber bragg gratings in the three-dimensional coordinate sensing probe and transmits the central wavelengths to the computer; and the computer calculates the three-dimensional position coordinates of the drill barrel, including the azimuth angle and the inclination angle deviating from the gravity direction, according to the demodulated central wavelength and the fiber bragg grating strain and curvature distribution diagram.)

基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构方法及系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构方法及系统。

背景技术

近几年来，国内石油钻井行业为了发现低压储层、保护油气层和提高采收率的需要，在定向井、水平井等钻井工艺井中会使用电磁波无线随钻测量仪，该仪器采用极低频(1-20Hz)无线电波作为传输信号，通过地层的传输到达地面。但由于地层情况复杂，电磁波无线随钻测量仪在传输深度上不很理想，局限在2000米以内。光纤光栅传感技术使用无源器件，具有本质防爆、抗电磁干扰、耐腐蚀、传输距离远、适用于恶劣环境等一系列优点。因此，开发基于光纤传感技术的长距离管道路径测量仪是非常必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中电磁波无线随钻测量仪的无线电波传输深度有限的缺陷，提供一种抗电磁干扰、耐腐蚀、传输距离远、适用于恶劣环境的基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于布喇格光纤光栅的管道路径的三维坐标传感探头，其特征在于，该三维坐标传感探头设置在测量钻筒内部，包括弹性体和质量块，质量块固定在该弹性体的一端，弹性体的另一端通过固定座固定在测量钻筒上；弹性体为呈轴对称的几何弹性体；

弹性体的表面均匀布设与轴线平行的多条传感光纤，每条传感光纤上均设有特定中心波长的布喇格光纤光栅，布喇格光纤光栅感知弹性体和质量块因重力作用产生的形变。

接上述技术方案，该三维坐标传感探头还包括保护壳，罩设在弹性体和质量块外部，并通过固定座固定，保护壳与固定座之间形成密闭空间。

接上述技术方案，弹性体、质量块均为圆柱形。

接上述技术方案，每条传感光纤上串接多个不同波长的布喇格光纤光栅。

接上述技术方案，弹性体表面均匀布设与轴线平行的8条传感光纤，分别标识为b＝1,2,…,8，布置有8个具有不同中心波长的布喇格光纤光栅，对应8个角度，

本发明还提供了一种基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构系统，包括宽带光源、第一光分路器、第二光分路器、三维坐标传感探头，所述三维坐标传感探头为上述技术方案的基于布喇格光纤光栅的管道路径的三维坐标传感探头；

宽带光源与第一光分路器的一个分路端口连接；第一光分路器的合路端口与第二光分路器的合路端口通过传导光纤连接；第二光分路器的多个分路端口与三维坐标传感探头连接；

该系统还包括波长解调仪和计算机，其中波长解调仪的输入端与第一光分路器的另一个分路端口连接；波长解调仪的输出端通过数据线与计算机连接。

接上述技术方案，将第一光分路器替换为环形器。

接上述技术方案，第一光分路器为Y型光分路器。

本发明还提供了一种基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构方法，该方法基于上述技术方案的基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构系统，具体包括以下步骤：

宽带光源发出的光经第一光分路器、传导光纤、第二光分路器，入射到三维坐标传感探头上；

入射光经三维坐标传感探头反射后，反射光通过第一光分路器输送到波长解调仪；

当弹性体轴线偏离重力方向时，引起光纤光栅发生波长漂移，波长解调仪解调出三维坐标传感探头中多个光纤光栅的中心波长，并输送到计算机；

计算机根据解调出的中心波长计算波长漂移量，再根据波长漂移量与光纤光栅应变和曲率关系，计算钻筒的包括方位角和偏离重力方向的倾角的三维位置坐标。

本发明产生的有益效果是：本发明的光纤光栅传感探头尺寸小、重量轻，易于在钻筒内部安装和使用；在传感及传输区域完全采用光信号，与电绝缘，具有本质安全、防爆、防雷击、抗电磁干扰等特点；且采用光纤光栅传感系统能够实现抗干扰长距离传输。

进一步地，采用波分复用技术，在一根光纤上串接8个、16个、甚至32个不同波长的布喇格光纤光栅可以实现对油井管道路径更精确的检测和重构。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于布喇格光纤光栅的管道路径的三维坐标传感探头结构示意图；

图2是本发明实施例三维坐标传感探头的光纤光栅布置示意图；

图3是本发明实施例基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构系统结构示意图；

图4是本发明实施例中的测量原理示意图；

图5是本发明实施例基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构方法流程图。

其中，1：测量钻筒；2：弹性体；3：质量块；4：固定座；5：1#FBG；6：2#FBG；7：3#FBG；8：4#FBG；9：5#FBG；10：6#FBG；11：7#FBG；12：8#FBG；13：1x8光分路器；14：传输光缆；15：保护壳；16：宽带光源；17：1x2光分路器；18：解调仪；19：计算机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例基于布喇格光纤光栅的管道路径的三维坐标传感探头，如图1所示，该三维坐标传感探头设置在测量钻筒1内部，三维坐标传感探头可以根据需要在测量钻筒内任意更换位置和安装角度。该三维坐标传感探头包括弹性体2和质量块3，质量块固定在该弹性体的一端，弹性体的另一端通过固定座4固定在测量钻筒上；弹性体为呈轴对称的几何弹性体。

弹性体的表面均匀布设与轴线平行的多条传感光纤，每条传感光纤上均设有特定中心波长的布喇格光纤光栅。

当固定有弹性体的钻筒偏离重力方向时，弹性体自重和质量块重力作用导致形弹性发生形变，同时表面应变施加到光纤光栅上，并引起它们的特征波长同步漂移。依据光纤光栅的特征波长漂移。根据弹性体多条传感光纤的应变和曲率分布与测量钻筒方位角和倾角之间的定量关系，即可计算测量钻筒的包括倾角和方位角在内的三维位置坐标。

进一步地，该三维坐标传感探头还包括保护壳15，罩设在弹性体和质量块外部，并通过固定座4固定，保护壳与固定座之间形成密闭空间。

如图1所示的实施例中，弹性体、质量块均选用圆柱形。弹性体和质量块的材料种类可以根据需要任意更换。也可以根据需要更换为具有轴对称特征的任何其它几何弹性体。

在本发明的其他实施例中，每条传感光纤上串接多个不同波长的布喇格光纤光栅。光纤光栅的种类和数量可以根据需要调整种类和数量。

本发明的一个较佳实施例中，如图2所示，采用波分复用技术，选用8个具有不同中心波长的布喇格光纤光栅，分别安置在弹性体表面8个与轴线平行的标识边线上，构成三维坐标传感探头，再把三维坐标传感探头安装在普通钻筒改装的测量钻筒上。可在测量钻筒1的适当部位，圆柱形弹性体2与质量块3由固定座4固定。将弹性体表面与轴线平行的8条标识边线上，分别标识为b＝1,2,…,8，布置有8个具有不同中心波长的布喇格光纤光栅5-12，对应8个角度

可为采用钢质的圆柱状的保护壳15和固定座14，两者形成一个密闭空间。

本发明实施例基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构系统，包括宽带光源、第一光分路器、第二光分路器、三维坐标传感探头。其中三维坐标传感探头为上述实施例的基于布喇格光纤光栅的管道路径的三维坐标传感探头。

宽带光源与第一光分路器的一个分路端口连接；第一光分路器的合路端口与第二光分路器的合路端口通过传导光纤连接；第二光分路器的多个分路端口与三维坐标传感探头连接。

该系统还包括波长解调仪和计算机，其中波长解调仪的输入端与第一光分路器的另一个分路端口连接；波长解调仪的输出端通过数据线与计算机连接。

宽带光源的谱宽覆盖所有光纤光栅的特征波长。

如图5所示，该系统的重构方法具体包括以下步骤：

S1、宽带光源发出的光经第一光分路器、传导光纤、第二光分路器，入射到三维坐标传感探头上；

S2、入射光经三维坐标传感探头反射后，反射光通过第一光分路器输送到波长解调仪；

S3、当弹性体轴线偏离重力方向时，引起光纤光栅发生波长漂移，波长解调仪解调出三维坐标传感探头中多个光纤光栅的中心波长，并输送到计算机；

S4、计算机根据解调出的中心波长计算波长漂移量，再根据波长漂移量与光纤光栅应变和曲率关系，计算钻筒的包括方位角和偏离重力方向的倾角的三维位置坐标。

以图2的三维坐标传感探头为例，即采用8个光纤光栅的探头，如图3所示，本发明一较佳实施例基于布喇格光纤光栅的管道路径三维检测重构系统包括宽带光源16、Y型光分路器(或者环形器)17、1×8光分路器13、8个具有不同中心波长的光纤光栅6-12、波长解调仪18和计算机19。宽带光源16与Y型光分路器(环形器)17的一个分路端口连接；Y型光分路器(或者环形器)17的合路端口通过传输光纤14与一个1×8光分路器13的合路端口连接；1×8光分路器的分路端口分别与8个光纤光栅探头连接6-12；Y型光分路器(或者环形器)17的另一个分路端口与波长解调仪串接18；波长解调仪18通过数据线把数据传输到计算机19。

宽带光源16所发出的光耦合进光纤，通过光分路器17入射到8个光纤光栅探头5-12上，这些光纤光栅会反射8个窄带光，并通过光分路器17输送到波长解调仪18，波长解调仪18检测得到8个光纤光栅的中心波长(λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，λ₅，λ₆，λ₇，λ₈)，并输送到计算机19。

安装有三维坐标传感探头的测量钻筒的长度记为l_s。测量钻筒由地面开始从上而下逐节深入时，测量钻筒的路径可用一串截线表示，截线转折点由一串钻筒下端点坐标(x_i,y_i,z_i)确定，这里i＝0,1,2,…N_s。其中i＝0为起点，(x₀,y₀,z₀)为地面起始坐标。

当弹性体轴线偏离重力方向时，弹性体即发生弯曲。引起弹性体上的8个光纤光栅发生波长漂移，它们的波长漂移Δλ与光栅所在位置的应变ε和曲率半径R有关：

这里r是圆柱弹性体的半径。于是可以制作如下表格记录波长漂移数据：

由此可拟合出下如图4所示的cosine函数

其中幅值给出倾角θ的计算公式

Δλ_max＝Γ·sinθ (3)

这里Γ依赖于柱状弹性体和质量块的尺寸和材料性质。极大值对应的角度对应于测量钻筒的相位角可由二个零点的位置

给出相位角的计算公式：

测量钻杆下端点的位置坐标可由测量钻杆的长度，以及倾角和相位角计算得出。

综上，本发明的优点：(1)光纤光栅管道路径三维检测重构方法在传感及传输区域完全采用光信号，与电绝缘，具有本质安全、防爆、防雷击、抗电磁干扰等特点；(2)光纤光栅传感探头尺寸小、重量轻，易于在钻筒内部安装和使用；(3)油井一般都有几百米到2公里的距离，采用光纤光栅传感系统能够实现抗干扰长距离传输；(4)采用波分复用技术，在一根光纤上串接8个、16个、甚至32个不同波长的布喇格光纤光栅可以实现对油井管道路径的检测和重构。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。