光纤传感技术在地质力学中的应用与挑战：从实验室到现场监测的全面综述

本文系统综述了光纤传感(FOS)技术在地质力学领域的应用进展，针对传统监测技术空间覆盖有限、成本高等问题，重点探讨了准分布式(FBG)和全分布式(DFOS)传感原理，以及应变测量在CO2 封存、页岩气开采等场景中的创新应用，提出了光纤耦合、数据标准化等关键技术挑战，为地下工程安全监测提供了重要技术参考。

　　

在地球资源开发与环境保护的双重压力下，如何精准监测地下岩体变形成为能源开采、碳封存等工程的核心难题。传统监测技术如LVDT（线性可变差动变压器）和应变片存在空间分辨率低、抗干扰能力差等局限，尤其在高温高压的深部地质环境中更显乏力。这一技术瓶颈促使科学家将目光投向具有分布式测量优势的光纤传感技术(FOS)。

中国的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表综述，系统梳理了FOS技术在地质力学领域20余年发展历程。研究团队通过分析92篇文献，首次构建了从实验室岩芯测试到千米级油田监测的全尺度技术图谱。关键技术包括：1）基于瑞利/布里渊散射的分布式应变传感(DSS)实现厘米级空间分辨率；2）相位敏感光时域反射仪(φ-OTDR)捕捉纳米级振动；3）低频频谱DAS（分布式声学传感）技术监测页岩气压裂过程；4）结合CT扫描与光纤监测的岩芯多场耦合实验。

研究结果揭示：在实验室尺度，采用螺旋缠绕的聚酰亚胺涂层光纤可实现岩石破裂前兆10^-6
应变识别，但需注意围压超过20MPa时的微弯损耗问题。现场监测中，水平井埋设的BOTDA（布里渊光时域分析）光纤在3000米深度仍能识别0.1με应变变化，而创新的可弃式光纤部署方案将监测成本降低60%。特别在CO₂
封存项目中，结合DTS（分布式温度传感）与DSS的混合监测系统成功预警了盖层微裂隙发育。

讨论部分指出，当前FOS技术面临三大挑战：1）应变传递效率受多层介质（涂层/胶粘剂/岩体）界面效应影响，理论模型预测与实测存在15%偏差；2）水平井监测中光纤-套管耦合不足导致30%信号衰减；3）DAS产生的TB级数据对实时处理系统提出新要求。该研究为下一代智能光纤监测系统开发提供了关键技术路线，特别是在非常规油气开发与地质封存安全评估领域具有重要应用价值。研究建议建立FOS监测标准化流程，并开发多物理场（应变-温度-声波）联合反演算法，以进一步提升深部地质过程监测精度。