在海洋石油勘探领域,钻井平台是最重要的海工设备之一。隔水管作为连接钻井平台与海底的主要设备,受到环境和钻井工况中各种力载荷的作用。过大的应力将使隔水管失效,进而造成人员、装备和环境上的损害。深水钻井隔水管系统中,接近底部隔水管总成/井口防喷器(LMRP/BOP)的部位或靠近水面的部位存在监测其最大应力的需求。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,以下简称FBG)传感技术由于其波长调制特性及防火、防爆、电绝缘的优势,非常适合应用于深水油气环境下隔水管系统的监测。在国家大力倡导海工装备技术自主创新的的背景下,研究利用光纤传感器技术对深水隔水管进行应力监测具有重要的意义。本论文建立了集传感理论与模型、传感器设计与研制、传感系统海洋试验为一体的光纤传感技术研究方法:首先研究了利用FBG传感器实现深水隔水管应力监测的理论,提出传感器阵列模型,据此进行设计和仿真,并研制相应的FBG传感器及其安装结构,在完成地面和水池试验之后,对传感器系统工程样机在实际工况下进行了两次海洋试验研究;最后针对海洋试验中存在的问题,提出了一种新的传感器结构,完成了原理样机的研制。在研制传感器的过程中,解决了国内外相关传感器中存在的一些技术难题。全文主要内容包括以下几个方面:(1)理论上分析了外力驱动下隔水管承受的最大应力与弯矩,根据隔水管的受力模式提出一种四象限传感器阵列结构模型,对其应用于隔水管应力监测的传感理论进行了研究,并使用有限元仿真软件进行验证,提出修正关系公式。通过分析FBG传感器工作原理,了解其在工程应用条件下的应用方法。采用独立的环境补偿传感器消除传感器阵列所受深水海洋环境中温度和水压的影响,并得到了隔水管最大应力和弯矩的传感公式。该传感公式适用于隔水管轴向受力和任意方向弯曲情况,从理论上证明了所提出的含补偿传感器的四象限传感器阵列可获取隔水管在任意受力状态下的最大应力。(2)提出了一种能够在深海中使用的管柱型非等截面FBG应变传感结构,研究了传感器的封装工艺,并进行了性能优化和耐压防腐蚀处理,完成了传感器的研制。传感器的核心部件为具有双胶点封装结构的耐压应变敏感元件,可将其轴向应变转化为FBG反射谱中心波长漂移量。对该敏感元件的三种载荷(拉力、水压和温度)实验表明,其FBG反射谱中心波长的变化量与三种载荷存在良好的线性响应关系,并可在高达30MPa的水压下正常工作。其中,敏感元件在拉力载荷作用下的最小线性相关系数达0.99997,最大误差为0.35%,重复性误差在0.55%以内,满足了误差小于6%的技术要求。最后,完成了传感器阵列的研制。(3)研究了通过改变敏感元件与延长件的直径比来调节管柱型非等截面FBG应变传感器灵敏度的方法。针对传感器具有非等截面、体积大、结构复杂的特点,为了消除施力设备与传感器之间的相对滑移对测量精度带来的影响,提出了一种基于双光杠杆的传感器应变灵敏度测量方法。实验结果表明,该方法的测量精度精度可达0.91%。实验测得的等效应变灵敏度为0.6817με/pm,与仿真计算的预估值0.6720με/pm相比,仅相差1.42%,表明该灵敏度的测定方法有效可靠。(4)分析了传感器阵列安装结构的受力模式,设计研制了基于静摩擦力固定的金属扎带式安装结构。对扎带结构和辅助配件优化设计,提高了扎带与隔水管保护层的摩擦系数和有效接触面积,并可确保传感器与隔水管轴的平行安装。针对不同结构的隔水管裸管,设计了相应的安装工序。试装证明,该安装方法装卸方便、不焊接、不粘贴、不破坏隔水管保护层,安装时间在40分钟内,有效提高了甲板的工作效率。(5)结合隔水管应力监测方法、传感器阵列和传感器安装结构,接入信号处理系统,搭建出全套隔水管应力监测系统,并研究了其水下工作模式。在实验室水池和海洋中对全套监测系统进行了试验研究。其中,水池试验包括浸水试验、加力试验,确定了初始值采集方法和在钻井平台上对传感器进行预拉伸的方法。海洋试验包括只含深水监测系统的单节点海洋试验,以及包含深水和浅水两套监测系统的双节点海洋试验。在两次试验中,由钻井任务确定传感监测系统在水下的工作时间分别为49天和19天,试验结果表明监测系统已具备在水下长期稳定工作的能力。其中,深水单节点试验完成了钻井水深分别为1365米和1252米的两口油井,隔水管监测点的最大应力实测均值为85MPa。双节点试验完成了钻井水深为1432米的一口油井监测,浅水、深水监测点所在隔水管的最大应力实测均值分别为110MPa和74MPa。试验结果与COSL仿真结果、各工况对照后表明,监测系统的实测最大应力均值在仿真结果的参考范围之内,监测系统既可有效地监测隔水管的最大应力,也能够实时反映钻井任务中各个工况对隔水管最大应力的影响。(6)提出了一种应用于深水环境下的力载荷监测,基于悬臂梁结构布线简单的光纤传感器结构。该结构中,FBG被内封于悬臂梁元件的几何中心轴线上。传感器结构简单、力学响应特性优异的特点得到了保持。经实验验证,传感器结构能在30MPa水压下长时间正常工作。实验结果表明,传感器实测的力载荷灵敏度为2.79pm/N。对于环境因素有,实测温度灵敏度为30.93pm/℃,实测水压灵敏度为-3.79pm/MPa。三项参数的线性相关系数都优于0.99,可使用补偿传感器消去环境因素的影响。此外,采用金属密封法,研究了针对悬臂梁FBG传感器的耐压封装方法。该传感器结构简化了布线,解决了前期传感器由于光缆缠绕存在风险的问题,增加了传感器工作的稳定性。