CN108871606B - 地热深井井壁分布式光纤温度监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地热深井井壁分布式光纤温度监测系统及方法，属于温度监测技术领域，解决了现有技术无法实时获取地热钻探开发利用过程中地热井壁温度影响、地热水温度损耗的问题。本发明公开的监测系统包括分布式光纤温度测试装置、耐高温铠装光缆、光缆穿越装置。其中，耐高温铠装光缆作为测温敏感元件，随套管下入地热深井内的目标测量深度位置，用于感知井下耐高温铠装光缆线路方向上井壁温度或地热水温度的线性空间分布，能够实现准确获取不同地层、同地层不同深度的井壁温度信号或地热水温度信号，进而实现对地热深井井壁、地热水温度的永久性监测，为我国地热研究提供丰富的试验数据。

Description

地热深井井壁分布式光纤温度监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及地热深井井壁温度监测技术领域，尤其涉及一种地热深井井壁分布式光纤温度监测系统及其方法。

背景技术

地热深井井壁温度监测是地热资源开发利用的一项基础性工作，对于掌握地热深井热储及其周边地质环境的动态变化，保障资源的长期可持续开发利用具有重要的意义。

现有的地热温度监测一般采用电子温度传感器，产生的电信号在传输过程中容易受到电磁干扰，而且线路容易被腐蚀，无法无法实时获得地热钻探、开发利用过程中地热水温度损耗，地热井壁温度的影响，固井质量等相关的原始数据。

现有地热深井井壁温度监测技术的发展明显落后于实际地热开发利用需求，体现在如下三个方面：一是尚未形成可应用于实践的且完善的地热深井温度监测技术体系；二是地热深井井壁温度监测无据可依，国内外尚无专门的地热深井监测相关规范或指南；三是现有温度监测技术仅限于井口或井内水面以下，而涉及地热深井及其相关联的科学问题研究甚少；四是现有温度监测一般采用点式探测，点式测量只能测某个点的信息，只能通过下井和上提两个动作逐点测量地热深井内温度，无法同时采集所有数据。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种地热深井井壁分布式光纤温度监测系统及其方法，用以解决现有技术无法实时获取地热钻探开发利用过程中地热水温度损耗、地热井壁温度影响的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种地热深井井壁分布式光纤温度监测系统，其特征在于，包括分布式光纤温度测试装置、耐高温铠装光缆、光缆穿越装置；所述分布式光纤温度测试装置与所述耐高温铠装光缆连接；

所述分布式光纤温度测试装置，用于向所述耐高温铠装光缆发送激光信号，接受所述耐高温铠装光缆返回的携带温度信息的拉曼散射光信号，并进行分析和展示；

所述耐高温铠装光缆，通过所述光缆穿越装置，下入所述地热深井，并传输所述激光信号，采集地热深井内不同井壁位置的温度信息，将所述温度信息以拉曼散射光信号返回至所述分布式光纤温度测试装置；

所述光缆穿越装置，设置于井口，用于耐高温铠装光缆的穿越，以及套管固井水泥的密封。

上述技术方案的有益效果如下：上述方案彻底改变了现有地热井无法开展套管分布式温度监测的技术难题，耐高温铠装光缆随套管下入地热井中目标深度位置，实现了地热深井井壁温度(或地热水温度)的永久性监测。选择分布式光纤传感技术作为温度监测方法，取代传统电子温度计，因为一方面光纤传输的是光波信号，避免了背景技术中现有电子温度传感器容易受电磁干扰的缺陷，且光纤不易腐蚀，可有效地保证在恶劣环境下长期稳定地运行；另一方面光纤传感技术通过反射光携带温度信息，光缆作为传输和传感元件，无需专用传感器，不占用更多的空间，特别适用于地热深井井壁与套管的狭窄线性空间要求，提高工程实施的安全性。地热深井不同地层与套管之间的耦合程度不同，其热能损耗不一样，因为不同地层可能会出现不同的热能损耗量，本发明采用分布式测温技术，能够准确获取不同地层、同地层不同深度的井壁温度或者地热水温度信息，可为地热研究提供更为丰富的数据。

基于上述方法的另一个实施例中，所述光缆穿越装置包括密封筒、密封盘根和密封压帽；

所述密封筒，用于将所述光缆穿越装置固定在环形钢板上；

所述密封盘根，用于填充所述密封筒与耐高温铠装光缆之间的空隙；

所述密封压帽，用于压实所述密封盘根。

上述技术方案的有益效果是：所述光缆穿越装置设置的目的是保证连接可靠、性能稳定。密封压帽保证密封盘根充满密封筒，并能够保证耐高温铠装光缆具有一定的耐压能力。

进一步，所述耐高温铠装光缆随套管垂直居中下入到地热深井内部；

每根所述耐高温铠装光缆根据布设位置，提供垂直方向上线性的温度分布。

上述进一步方案的有益效果是：耐高温铠装光缆垂直居中下入到地热深井内，可保证采集的每个点的距离相等，数据更加理想，保证提供的是垂直方向上的线性温度分布。

进一步，所述分布式光纤温度测试装置包括脉冲光源、波分复用器、光电转换器、数据采集与控制电路、工控机；

所述脉冲光源，用于根据所述数据采集与控制电路发出的控制信号，向所述耐高温铠装光缆的光纤通道发射脉冲激光信号；

所述波分复用器，用于将所述耐高温铠装光缆返回的携带温度的拉曼散射光信号按照波长分为斯托克斯光和反斯托克斯光；

所述光电转换器，用于将所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号分别转换成相应的电信号输出；

所述数据采集与控制电路，用于向所述脉冲光源发出控制信号，同时采集所述电信号包含的数据信息；

所述工控机，用于将所述数据信息转换成井壁上不同位置的温度信息，并将所述温度信息进行保存和显示。

上述进一步方案的有益效果是：脉冲光源在数据采集与控制电路的控制下向耐高温铠装光缆的光纤通道发射脉冲激光信号；波分复用器将耐高温铠装光缆中携带温度的拉曼散射光信号按照波长分为斯托克斯光和反斯托克斯光；光电转换器分别将斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号转化成电压信号；数据采集与控制电路完成电压信号的数据采集；工控机对该数据进行解译，将其转换为温度信息，并保存和显示。

进一步，所述耐高温铠装光缆包括纤芯、涂覆层、不锈钢管、纤膏和铠装钢丝；

所述纤芯为62.5/125多模的耐高温光纤，用于传输所述激光信号，并采集所述地热深井内不同井壁位置的温度信息，将所述温度信息以拉曼散射光信号返回至所述分布式光纤温度测试装置；

所述涂覆层为聚酰亚胺涂覆层；

所述不锈钢管采用304材质的松套结构，内部充填纤膏；

所述纤膏采用硅油或耐高温脂；

所述铠装钢丝成缆设置。

上述进一步方案的有益效果是：纤芯为62.5/125多模的耐高温光纤，为激光传输和感知外界温度的敏感元件；聚酰亚胺涂覆层具有耐高温350℃的特性，能够保证耐高温铠装光缆在高温环境中长期运行；纤膏用于保证纤芯中的光纤在小区域内受热均衡；铠装钢丝成缆能够保护光纤在下井过程中免受摩擦、刮碰引发的光纤物理结构破坏。

进一步，所述工控机获得的数据信息为电压幅值和测量深度；

对地热深井井壁分布式光纤温度监测系统进行室内标定实验和实际测试，则实际测试中地热深井内任一测量深度L位置的实际温度为：

式中，T₀为室内标定试验中所述耐高温铠装光缆在深度L位置的温度，T_C为实际测试中采用光电探测器测得地面L₀位置的温度，T_C0为采用光电探测器测得地面L₀位置的温度，A的取值为

式中，U_sL0为室内标定试验中L₀位置的斯托克斯光信号对应的电压幅值；U_aL0为室内标定试验中L₀位置的反斯托克斯光信号对应的电压幅值；U_sL为室内标定试验中在L位置的斯托克斯光信号对应的电压幅值；U_aL为室内标定试验中在L位置的反斯托克斯光信号对应的电压幅值；U_sL01为实际测试中L₀位置的斯托克斯光信号对应的电压幅值；U_aL01为实际测试中L₀位置的反斯托克斯光信号对应的电压幅值；U_sL1为实际测试中在L位置的斯托克斯光信号对应的电压幅值；U_aL1为实际测试中在L位置的反斯托克斯光信号对应的电压幅值。

上述进一步方案的有益效果是：实际测试中，根据室内标定试验的结果，结合实际测试数据，可以得到任一测量深度L位置的实际温度。

另一方面，本发明实施例还提供了一种地热深井井壁分布式光纤温度的实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤，

将耐高温铠装光缆随套管下入地热深井目标深度位置，将所述耐高温铠装光缆与分布式光纤温度测试装置连接，进行光缆入井前的信号检测，确定所述耐高温铠装光缆正常工作；

固定所述耐高温铠装光缆到套管上，用光缆套管节箍保护器固定所述耐高温铠装光缆末端、用钢扎带绑定所述耐高温铠装光缆和套管管身；

将所述耐高温铠装光缆随套管下入井中，释放耐高温铠装光缆、控制钻机下放速度并监控受阻情况，定期开展信号检测；

将所述耐高温铠装光缆入井到目标测量深度位置后，进行尾纤的处理与保护，做光缆接头，通过光缆接头连接所述分布式光纤温度测试装置，确定地热深井井壁分布式光纤温度监测系统正常工作；

进行光缆井口穿越，改造环形钢板，焊接密封筒，穿越耐高温铠装光缆，焊接环形钢板，填充密封盘根，加盖密封压帽；

进行水泥固井，并持续监测所述耐高温铠装光缆反馈的温度信号。

上述技术方案的有益效果是：上述地热深井井壁分布式光纤温度的实时监测方法与前面的地热深井井壁分布式光纤温度监测系统基于相同的原理，故能够实现与系统相同的效果。额外地，还提供了具体温度监测实施时的下井安装等手段，结合该手段，良好地维护了温度监测方法的进行，保证了温度监测的安全和高精度要求。

进一步，还包括进行井场安装光缆准备；所述井场安装光缆准备包括如下步骤，

摆放光缆绞车置于面朝井口的适当位置，安装光缆天滑轮；

调整钻机居中度，使套管管柱下入过程中居中；

安装套管钳及调试，安装吊环吊卡，上扣时打牢背钳；

按管柱结构自上而下分别下入套管挂、双公、套管、管鞋。

上述技术方案的有益效果是：井台一般很高，约3～5m，而携带耐高温铠装光缆的绞车重约1吨，所以不适合放置于钻井平台上，又因耐高温铠装光缆需要面对井口下入，所以绞车宜选在不影响其他钻机操作的方向上的合适位置。钻井平台上东西一般很多，比如操作间、休息室、钻头、上下楼梯，正面可能还有钻杆摆放的地方，需要在不影响钻井下套管操作的基础上，选择合适位置。安装光缆天滑轮的目的是让耐高温铠装光缆垂直入井，因为绞车在地面上，如果耐高温铠装光缆直接对准井口下入，角度就小，容易弯折，而使用光缆天滑轮，可有效改变耐高温铠装光缆方向，使该光缆垂直下到井孔中。

进一步，所述井口穿越包括如下步骤，

在环形钢板上割出光缆穿越孔道，并焊接光缆穿越装置的密封筒；

将耐高温铠装光缆从穿越孔道、密封筒和密封压帽中穿出，并预留足够长度；

在井口表套和一开套管之间焊接环形钢板；

在密封筒内填充密封盘根；

加盖压帽，旋紧，进行穿越密封。

采用进一步方案的有益效果是：通过套管和井壁之间密封，使注井水泥不泄漏。

进一步，每一根耐高温铠装光缆配备相应的套管；

所述定期开展信号检测的频率为每下入10根耐高温铠装光缆，进行一次信号检测；

所述水泥固井采用挤压法，并监测固井水泥排量、泵压。

上述进一步方案的有益效果是：耐高温铠装光缆随套管下入钻孔中，每下入10根(根据工程安排及时间设定)耐高温铠装光缆及其套管进行一次光缆信号检测，并由相关人员记录备案，检测正常后方可继续下入，若发现信号异常停止并及时上报。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1地热深井井壁分布式光纤温度监测系统安装示意图；

图2为本发明实施例2地热深井井壁分布式光纤温度监测系统安装示意图；

图3为本发明实施例2分布式光纤温度测试装置连接示意图；

图4为本发明实施例2数据采集与控制电路连接示意图；

图5为本发明实施例2耐高温铠装光缆截面示意图；

图6为本发明实施例3实时监测方法过程示意图；

图7为本发明实施例3实时监测方法流程图；

图8为本发明实施例3开展信号检测过程示意图；

图9为本发明实施例3耐高温铠装光缆穿越井口步骤示意图。

附图标记：

1-分布式光纤温度测试装置；2-耐高温铠装光缆；3-光缆穿越装置；4-光缆套管节箍保护器；5-钢扎带；6-环形钢板；7-表层套管；8-井壁；9-一开套管；10-套管节箍；11-目标测量深度；12-纤芯；13-纤膏，14-不锈钢管；15-铠装钢丝。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种地热深井井壁分布式光纤温度监测系统。该监测系统包括分布式光纤温度测试装置1、耐高温铠装光缆2、光缆穿越装置3。其中，分布式光纤温度测试装置1一般设置于地面，与耐高温铠装光缆2连接。

分布式光纤温度测试装置1，用于向所述耐高温铠装光缆2发送激光信号，接受所述耐高温铠装光缆2返回的携带温度信息的拉曼散射光信号，将所述拉曼散射光信号按照波长分离，进行光电转化，并进行分析和展示温度信息。

耐高温铠装光缆2，随管套下入到地热深井的深孔内，用于传输所述激光信号，采集地热深井内不同井壁8位置和套管的温度信息，将所述温度信息以拉曼散射光信号返回至所述分布式光纤温度测试装置1。

光缆穿越装置3一般设置于地热深井的井口位置，用于耐高温铠装光缆2穿越井口的环形钢板6，以及套管固井水泥的密封，以利于固井的实施。

优选地，该监测系统还包括光缆固定卡具(例如光缆套管节箍保护器4)，用于将所述耐高温铠装光缆2固定在所述套管上，保障光缆下井安全，以及保证耐高温铠装光缆2采集垂直方向上特定点的温度信息。该特定点理论上包括耐高温铠装光缆2沿线上的所有点。

实施时，过光缆固定卡具，将所述耐高温铠装光缆2固定在套管上。耐高温铠装光缆2穿过光缆穿越装置3，随套管下入地热深井内部的目标测量深度11位置，采集入井内耐高温铠装光缆2方向上各个位置的温度信息，通过分布式光纤温度测试装置1对所述温度信息进行分析、展示和存储。

与现有技术相比，本实施例攻克了现有地热深井无法开展套管分布式温度监测的技术难题，采用耐高温铠装光缆2随套管9(也可称为一开管套，后面进行了解释)下入地热井中目标深度位置，实现了地热深井井壁温度(或地热水温度)的永久性监测，具有不易受电磁干扰的缺陷、光纤线路不易腐蚀、无需专用传感器、特别适用于地热深井井壁与套管的狭窄线性空间要求等优点。由于地热深井不同地层与套管之间的耦合程度不同，其热能损耗不一样，不同地层可能会出现不同的热能损耗量，本实施例采用分布式测温技术，能够准确获取不同地层、同地层不同深度的井壁温度或者地热水温度信息，可为地热研究提供丰富的试验数据。

实施例2

在上述实施例的基础上进行优化，分布式光纤温度测试装置1包括脉冲光源、波分复用器、光电转换器、数据采集与控制电路、工控机，还包括设置于地面的光纤环，设置目的是为了为井下温度提供参考。其连接关系如图3所示，也可以包括其他模块，实现更优的性能。波分复用器包括输入端、斯托克斯输出端、反斯托克斯输出端和光纤端。输入端与脉冲光源的输出端连接，斯托克斯输出端、反斯托克斯输出端分别通过光电转换器1、光电转换器2跟数据采集与控制电路连接，光纤端通过光纤环与耐高温铠装光缆2连接。数据采集与控制电路包括输入端、控制端、数据端；输入端分别与光电转换器1、光电转换器2的输出端连接，控制端与脉冲光源的输入端连接，数据端与工控机的数据端通过双向数据线连接。

优选地，数据采集与控制电路包括信号调理电路、模数转换器、高速数据采集器和同步控制信号源。如图4所示，数据采集与控制电路的输入端为信号调理电路的输入端，数据端为数据采集器的输出端，控制端为同步控制信号源的输出端。高速数据采集器采用高速数据采集卡。信号调理电路、模数转换器、高速数据采集器依次连接，并且，信号调理电路的输入端与光电转换器1、2的输出端连接，高速数据采集器的输出端分别与同步控制信号源的输入端、工控机的数据端连接。本实施例中信号调理电路选用滤波放大电路。

优选地，耐高温铠装光缆2包括纤芯12、涂覆层、不锈钢管14、纤膏13和铠装钢丝15，其位置关系如图5所示，也可以有其他组成，使本发明具有更优的性能。其中，纤芯12采用62.5/125多模的耐高温光纤，作为激光传输的感知外界温度的敏感元件；涂覆层为聚酰亚胺涂覆层，具有耐高温(可达350℃)的特性，能够保证纤芯12中的光纤在高温环境中长期运行，图5中未示出，本领域技术人员能够理解；不锈钢管14为304材质的松套结构，内部用于充填纤膏13；纤膏13用于保证光纤在小区域内受热均衡；铠装钢丝15需要成缆，用于保护光纤在下井过程中免受摩擦、刮碰引发的物理结构破坏。

优选地，光缆穿越装置3包括密封筒、密封盘根和密封压帽。密封筒用于将光缆穿越装置3固定在环形钢板6上。密封盘根作为密封填料，主要用于填充密封筒与光缆之间的空隙。密封压帽用于压实密封盘根，保证密封盘根充满密封筒，并能够保证一定的耐压能力。密封筒、密封压帽可采用中空的长方体或圆柱体外形。

光缆穿越装置3的安装位置穿越表层套管7和一开套管之间的环形钢板6，用于使光缆穿越井口，以及固井水泥的密封，以利于固井的实施。现在的深井都是多开次结构，越往下，口径越小，即表层套管7是固定井口的，下面就是一开、二开、三开、四开，一般地热井都是四开结构。目标深度位置，是指原计划指定下入的深度，这个深度是限制在一开深度之内的。

优选地，光缆固定卡具包括光缆套管节箍保护器4和钢扎带5，如图2所示。光缆套管节箍保护器4，提供耐高温铠装光缆2在套管节箍10处的保护；钢扎带5用于将耐高温铠装光缆2和套管节箍10固定，同时用于非接触处的耐高温铠装光缆2与套管9之间的固定。光缆固定卡具，用于保证耐高温铠装光缆2下井安全。

实施时，可根据地热深井具体的地热资源开发利用需求，将耐高温铠装光缆2随套管9下入地热深井内目标深度位置，感知井壁上多个不同位置的温度信息，具体地，感知的是套管及井壁、地热水的温度信息，并传输携带温度信息的光信号至分布式光纤温度测试装置1。由于地热深井可能穿越多层地层，与地质条件耦合的地热、水热量损耗情况未知，需要开展整个套管的分布式温度监测。脉冲光源根据数据采集与控制电路发出的控制信号作用下向耐高温铠装光缆2的光纤通道发射脉冲激光信号；所述脉冲激光信号在光纤通道内各个点发生反射，理论上所有点都将发生反射，但受现有采集卡性能限制，一般沿耐高温铠装光缆2每隔1m或者0.67m接收到一路反射光信号。后续改进可能实现每隔0.5m接收到一路反射光信号。波分复用器将耐高温铠装光缆2中传输的携带温度的反射光信号按照波长分为斯托克斯光和反斯托克斯光。光电转换器用于分别实现斯托克斯光和反斯托克斯光向电信号的转化。本实施例中，所述电信号为电压信号。数据采集与控制电路用于完成该电信号的数据采集。工控机用于将采集的电信号(本实施例中选用电压信号，也可以是电流信号)转换成温度信息，并进行保存和显示。

下面介绍本实施例所涉及的地热深井井壁温度检测原理。

首先，根据回波计算某一温度点所在位置。根据光时域反射原理，结合拉曼后向散射技术，实现高温深孔的分布式温度测量。光时域反射原理可通过回波抵达时间计算该温度点所在位置：

式中，L是该温度点所在位置距离井口的距离，c是光速，t是发出激光到回波抵达所用的时间，γ是折射率。

在频域内，拉曼散射光子分为斯托克斯(Stokes)散射光子和反斯托克斯(Anti-Stokes)拉曼散射光子。在光纤L处局域的Stokes散射光子通量、Anti-Stokes散射光子通量分别为：

式中，Φ_e是入射到光纤的激光光子通量，K_s、K_a是与光纤Stokes和Anti-Stokes拉曼散射截面有关的系数，S是光纤的背向散射因子，α₀、α_s、α_a分别为入射光、Stokes和Anti-Stokes拉曼散射光频率的光纤传输损耗，L为光纤待测局域处的长度，R_s(T)、R_a(T)为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的系数，与局域光纤处温度有关：

R_s(T)＝[1-exp(-hΔν/kT)]^-1 (4)

R_a(T)＝[exp(hΔν/kT)]^-1 (5)

式中，h为普朗克常数，h＝6.63*10^-34J.s，k为玻尔兹曼常数，k＝1.38*10^-23J/K；T为绝对温度。

从式(2)、式(3)可以看到，拉曼散射光子通量除正比于激光光子通量外，还与光子频率的4次方成正比，与光纤的背向散射因子和拉曼散射截面成正比，与光纤的损耗系数呈指数衰减关系，与光纤分子低能级和高能级上的分布有关。式(4)、式(5)是由光纤分子能级上的分布决定的，服从玻尔兹曼温度分布规律。当光纤局域位置(L＝L₀处)的温度变化时，调制了光纤拉曼散射光子通量，也就是光纤拉曼背向散射的温度调制机理。

实际应用中，因工程施工、仪器维护等难免会引起耐高温铠装光缆2的折弯、重新连接或续借，从而引起耐高温铠装光缆2的突变损耗，突变损耗引起的原因不可预知，导致其测温误差无法补偿，由于Stokes和Anti-Stokes光在耐高温铠装光缆2中传输的模场分布(光在光缆中的分布)是不同的，因此对于同一个折弯，Stokes和Anti-Stokes光的损耗并不相同。基于上述原因，又考虑引起损耗的点位无法确定，引入系数K(L)作为校准突变损耗需要参数，K(L)为距离的函数，在光缆L处局域的Stokes和Anti-Stokes散射光子通量分别为：

对于不同的突变损耗(如弯折)，同一次测量Stokes和Anti-Stokes光传播没有变化，因此对于同一温度点，两路光的损耗的比值为固定值，即：

K_s(L)K_a(L)＝C (C≠1) (8)

理想的光电检测应该是输出电压U和光通量Φ成绝对线性关系，并且比例系数K固定，即U＝K*Φ，实际电路的实现过程中，由于光电检测实现方式和监测环境的变化，无法做到完全符合理想状态。

本实施例选用光电探测器(APD)探测地面光纤环处的温度，作为地热深井内部温度的参考，其加入了光电倍增级，光电响应系数可以达20A/W，非常适合微弱信号检测。但其倍增因子随偏压和温度两个参数变化，即如果恒定温度，恒定偏压，APD的光电响应系数可以做到恒定，但恒温需要优于0.1％，而实际监测仪器无专门恒温装置，所以选用偏压随温度变化以期实现光电响应系数稳定，引入光电响应系数K_O，则光缆L处局域光电检测得到的Stokes和Anti-Stokes电压分别为：

每次采集，任一时刻对同一根温度曲线K_O是恒定的，同时不同次采集K_O会发生变化。

由于引入了K_s(L)、K_a(L)、K_Os和K_Oa四个参数，因此需要增加更多的已知量解算光纤温度。通过室内标定试验，引入光电探测器(APD)，测量在光纤环L₀处(地面上光纤环一般设置于不易受到电磁、光等干扰的位置L₀处。为了更准确地测量光纤环的温度，本实施例引入了光电探测器)的温度T_C0和所标定耐高温铠装光缆2(测试部分)L处的温度T₀，则L₀处的Stokes和Anti-Stoke光信号对应的电压分别为：

光缆标定段L处的Stokes和Anti-Stokes电压分别为：

实际应用中，可以测试APD在光纤环L₀的温度为T_C，而光缆L处的温度T(L)为待测未知，则将参数代入式(9)和式(10)，可得L₀处的Stokes和Anti-Stokes光信号对应的电压分别为：

光缆L处的Stokes和Anti-Stokes光信号对应的电压分别为：

通过式(11)-式(18)得出：

由于突变损耗系数的特殊性，因此：

则式(19)整理为：

式(21)左边参数可通过数据采集器测量值计算得出，假设

而-hΔν/k＝6.63*10^-34*1.32*10²³*1.38*10²³≈634，则

而式(21)简化为：

则：

故可以解调出耐高温铠装光缆2在测量深度L(L小于等于目标测量深度)处的实际温度。

现有技术一般采用点式测温，如果测量3000m地热深井的井壁温度，下井2小时，上提2小时，下井和上提的过程中记录井内传感器经过的温度值，无法同时采集温度值。而本实施例采用分布式测温，如果测量3000m，下井2小时、上提2小时中任一时刻都可以持续监测全部温度，可以实现稳态温度测量。因此，本实施例只要下入，就可以持续监测井壁各点的温度。

与现有技术相比，本实施例提供的地热深井井壁分布式光纤温度监测系统还具有如下优点：

1.采用耐高温铠装光缆2作为温度敏感元件，取代现有的电子温度传感器，由于光纤传输光波信号，避免了电子信号传输过程中容易受电磁干扰的缺陷，且光纤不易腐蚀，可有效地保证在恶劣环境下长期稳定地运行。

2.本实施例采用光纤传感技术通过反射光携带井壁上不同位置的温度信息，耐高温铠装光缆2作为传输和传感的元件，无需再用专用传感器，也不占用更多的空间，特别适用于地热深井井壁与套管的狭窄线性空间要求，有利于提高工程实施的安全性。

3.地热深井不同地层与套管之间的耦合程度不同，其热能损耗就不一样，因为不同地层可能会出现不同的热能损耗量，本实施例采用分布式测温技术，能够准确获取不同地层、同地层不同深度的井壁温度信息，可为地热研究提供更为丰富的数据。

4.地热深井井壁分布式光纤温度监测系统还具有实时性好、测量精度高、通道可扩展性强(即仪器可实现多根光缆的同时测量)和不受复杂几何空间等恶劣环境的限制等优点。

5.通过耐高温铠装光缆2实现井壁温度信号的全分布式测量和数据传输，同时随着一开孔深的增加和测温范围的增大，单位信息的获取成本大大降低，对于地热深井井壁温度测量和长期网络化测量提供了一种有效的监测技术。

实施例3

如图6-7所示，本实施例提供了一种利用实施例2所述系统进行地热深井井壁分布式温度实时监测的方法，包括如下步骤：

S1、进行井场安装光缆准备，包括光缆绞车位置摆放、光缆天滑轮固定、钻机居中度调整、钻台整理、套管钳和吊环吊卡安装；

S2、将耐高温铠装光缆2随套管9下入地热深井目标测量深度11位置，将所述耐高温铠装光缆2与分布式光纤温度测试装置1连接，进行光缆入井前的信号检测，确定所述耐高温铠装光缆2正常工作；

S3、固定所述耐高温铠装光缆2到套管9上，用光缆套管节箍保护器4固定所述耐高温铠装光缆2末端，用钢扎带5绑定所述耐高温铠装光缆2和套管9管身；

S4、将所述耐高温铠装光缆2随套管9下入井中，释放耐高温铠装光缆2、控制钻机下放速度并监控受阻情况，定期开展信号检测；

S5、将所述耐高温铠装光缆2入井到目标测量深度11位置后，进行尾纤的处理与保护，做光缆接头，通过光缆接头连接所述分布式光纤温度测试装置1，确定地热深井井壁分布式光纤温度监测系统正常工作；

S6、进行光缆井口穿越，改造环形钢板6，焊接密封筒，穿越耐高温铠装光缆2，焊接环形钢板6，填充密封盘根，加盖密封压帽；

S7、进行水泥固井，并持续监测所述耐高温铠装光缆2反馈的温度信号。

具体地，步骤S1包括：

S11、根据井场空间部署，将光缆绞车摆放在面朝井口的较宽敞位置，方便耐高温铠装光缆2地提前摆放，减少由于套管9下入速度不可控导致的光缆意外受力；在井队配合下安装光缆天滑轮，该井队专指钻探和下套管的工作人员，在钻井平台上井架的合适位置固定光缆天滑轮，用于光缆下入并保证光缆不会形成直径过小(大于200mm)的圆弧。

S12、调整钻机居中度，确保套管管柱下入过程中居中，整理钻井平台，有序摆放工具，防止井内落物。

S13、安装套管钳及调试，安装吊环吊卡，上扣时打牢背钳，安排各工种位置，保障工作有序衔接；提前开始套管钳安装及调试，安装吊环吊卡，避免液压大钳挤压和碰撞光缆，确保上扣时打牢背钳，避免井下管串发生转动，防止光缆扭曲损坏。

S14、按管柱结构下入井下工具和套管9，自上而下分别是套管挂、双公、套管9、管鞋。

如图8所示，步骤S2包括：

S21、将套管9下入到目标测量深度11位置；

S22、开启分布式光纤温度测试装置1，数据采集与控制电路控制脉冲光源模块发出的激光信号通过波分复用器进入耐高温铠装光缆2，所述激光信号只在耐高温铠装光缆2的纤芯12内传输并发生反射；

S23、耐高温铠装光缆2感应周围环境温度发出的反射信号传输至波分复用器，波分复用器将反射信号按照散射波长不同分为斯托克斯光和反斯托克斯光，并将斯托克斯光和反斯托克斯光分离，两种光信号分别进入两通道的光电转换器转换为相应两路电信号(电压信号)；

S25、上述两路电信号进入数据采集与控制电路中两通道的数据采集卡进行信号调理、模数转换和采集，得到电压幅值；

S26、两路电压幅值数据进入工控机进行数据解译，得出井壁上不同位置点的温度信息，并进行存储。

通过以上S21-S23步骤，确保耐高温铠装光缆2信号正常并记录。

步骤S3包括：

S31、用光缆套管接箍保护器固定耐高温铠装光缆2末端，并用钢扎带5固定耐高温铠装光缆2；

S32、缓慢下入携带耐高温铠装光缆2的套管9，分别在套管节箍10处用光缆节箍保护器固定耐高温铠装光缆2；

S33、用钢扎带5在套管管身1/3和2/3位置将耐高温铠装光缆2固定在套管9上，保证光缆与套管的紧密耦合。

步骤S4包括：

S41、释放光缆；

S42、控制钻机下放速度并监控遇阻情况，保持光缆绞车释放光缆速度略大于套管下入速度，以防止光缆受力，保持套管下放速度，平稳操作，不得猛提猛放，严禁旋转管柱和打顿钻，遇阻吨位不超过20kN；

S43、定期开展信号检测，每下入10根(根据工程安排及时间设定)套管进行一次光缆信号检测，并由相关人员记录备案，检测正常后方可继续下入，若发现信号异常并及时上报。

步骤S5包括：

S51、持续下入光缆，重复S3、S4步骤操作，确保光缆下入安全；

S52、套管下入井底后进行光缆的保护与监测，保护好尾纤，根据S2步骤，连接分布式光纤温度测试装置1，确保检测信号正常。

如图9所示，步骤S6包括：

S61、改造环形钢板6，在环形钢板6上割出光缆穿越孔道，并焊接光缆穿越装置3的密封筒；

S62、将耐高温铠装光缆2从穿越孔道、密封筒和密封压帽中穿出，并预留足够长度；

S63、在井口表层套管7和一开套管之间焊接环形钢板6；

S64、在密封筒内填充密封盘根；

S65、加盖压帽，旋紧，进行穿越密封，保证密封盘根填满密封筒中耐高温铠装光缆2外的空隙。

步骤S7包括：

S71、通过挤压法进行水泥固井，并监测固井水泥排量、泵压，关注光缆穿越装置3的密封性；

S72、持续进行光缆信号监测，覆盖整个固井过程。

由于本发明监测方法与监测系统基于相同的原理，故能够实现与系统相同的效果。额外地，还提供了具体监测实施时的下井安装等手段，结合该手段，良好地维护了监测方法的进行，保证了监测的安全和高精度要求。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地热深井井壁分布式光纤温度监测系统，其特征在于，包括分布式光纤温度测试装置、耐高温铠装光缆、光缆穿越装置；所述分布式光纤温度测试装置与所述耐高温铠装光缆连接；

所述分布式光纤温度测试装置，用于向所述耐高温铠装光缆发送激光信号，接受所述耐高温铠装光缆返回的携带温度信息的拉曼散射光信号，并进行分析和展示；

所述耐高温铠装光缆，通过所述光缆穿越装置，下入所述地热深井，并传输所述激光信号，采集地热深井内不同井壁位置的温度信息，将所述温度信息以拉曼散射光信号返回至所述分布式光纤温度测试装置；

所述光缆穿越装置，设置于井口，用于耐高温铠装光缆的穿越，以及套管固井水泥的密封；

所述光缆穿越装置包括密封筒、密封盘根和密封压帽；

所述密封筒，用于将所述光缆穿越装置固定在环形钢板上；

所述密封盘根，用于填充所述密封筒与耐高温铠装光缆之间的空隙；

所述密封压帽，用于压实所述密封盘根；

所述监测系统还包括光缆固定卡具，用于将所述耐高温铠装光缆固定在套管外侧；

所述光缆固定卡具包括光缆套管节箍保护器和钢扎带，所述光缆套管节箍保护器用于提供耐高温铠装光缆在套管节箍处的保护；所述钢扎带用于将耐高温铠装光缆和套管节箍固定，还用于固定非接触处的耐高温铠装光缆与套管；

所述耐高温铠装光缆随套管垂直居中下入到地热深井内部，采集地热深井内不同井壁位置和套管的温度信息；所述套管的直径小于所述地热深井井壁的直径，所述套管与所述地热深井井壁之间形成狭窄线性空间；

每根所述耐高温铠装光缆根据布设位置，提供垂直方向上的线性温度分布。

2.根据权利要求1所述的地热深井井壁分布式光纤温度监测系统，其特征在于，所述分布式光纤温度测试装置包括脉冲光源、波分复用器、光电转换器、数据采集与控制电路、工控机；

所述脉冲光源，用于根据所述数据采集与控制电路发出的控制信号，向所述耐高温铠装光缆的光纤通道发射脉冲激光信号；

所述波分复用器，用于将所述耐高温铠装光缆返回的携带温度的拉曼散射光信号按照波长分为斯托克斯光和反斯托克斯光；

所述光电转换器，用于将所述斯托克斯光信号和反斯托克斯光信号分别转换成相应的电信号输出；

所述数据采集与控制电路，用于向所述脉冲光源发出控制信号，同时采集所述电信号包含的数据信息；

所述工控机，用于将所述数据信息转换成井壁上不同位置的温度信息，并将所述温度信息进行保存和显示。

3.根据权利要求1-2之一所述的地热深井井壁分布式光纤温度监测系统，其特征在于，所述耐高温铠装光缆包括纤芯、涂覆层、不锈钢管、纤膏和铠装钢丝；

所述涂覆层均匀覆盖在整个纤芯的外表面，并与所述纤芯一起置于所述不锈钢管的内部，二者与所述不锈钢管的内壁非接触；

所述涂覆层覆盖的纤芯与不锈钢管之间的空隙通过纤膏填充，所述铠装钢丝成缆绕制于所述不锈钢管外表面；

所述纤芯为62.5/125多模的耐高温光纤，用于传输所述激光信号，并采集所述地热深井内不同井壁位置的温度信息，将所述温度信息以拉曼散射光信号返回至所述分布式光纤温度测试装置；

所述涂覆层为聚酰亚胺涂覆层；

所述不锈钢管采用304材质的松套结构，内部充填纤膏；

所述纤膏采用硅油或耐高温脂；

所述铠装钢丝成缆设置。

4.根据权利要求2所述的地热深井井壁分布式光纤温度监测系统，其特征在于，所述工控机获得的数据信息为电压幅值和测量深度；

对地热深井井壁分布式光纤温度监测系统进行室内标定实验和实际测试，则实际测试中地热深井内任一测量深度L位置的实际温度为

式中，

为室内标定试验中所述耐高温铠装光缆在深度L位置的温度，

为实际测试中 采用光电探测器测得地面L ₀位置的温度，

为采用光电探测器测得地面L ₀位置的温度，A的 取值为

式中，

为室内标定试验中L ₀位置的斯托克斯光信号对应的电压幅值；

为室内标 定试验中L ₀位置的反斯托克斯光信号对应的电压幅值；

为室内标定试验中在L位置的斯 托克斯光信号对应的电压幅值；

为室内标定试验中在L位置的反斯托克斯光信号对应的 电压幅值；

为实际测试中L ₀位置的斯托克斯光信号对应的电压幅值；

为实际测试中L ₀位置的反斯托克斯光信号对应的电压幅值；

为实际测试中在L位置的斯托克斯光信号 对应的电压幅值；

为实际测试中在L位置的反斯托克斯光信号对应的电压幅值。

5.一种地热深井井壁分布式光纤温度的实时监测方法，其特征在于，包括如下步骤，

将耐高温铠装光缆随套管下入地热深井目标深度位置，将所述耐高温铠装光缆与分布式光纤温度测试装置连接，进行光缆入井前的信号检测，确定所述耐高温铠装光缆正常工作；

固定所述耐高温铠装光缆到套管外侧，用光缆套管节箍保护器固定所述耐高温铠装光缆末端、用钢扎带绑定所述耐高温铠装光缆和套管管身；

将所述耐高温铠装光缆随套管下入井中，释放耐高温铠装光缆、控制钻机下放速度并监控受阻情况，定期开展信号检测，采集地热深井内不同井壁位置和套管的温度信息；所述套管的直径小于所述地热深井井壁的直径，所述套管与所述地热深井井壁之间形成狭窄线性空间；

将所述耐高温铠装光缆入井到目标测量深度位置后，进行尾纤的处理与保护，做光缆接头，通过光缆接头连接所述分布式光纤温度测试装置，确定地热深井井壁分布式光纤温度监测系统正常工作；

进行光缆井口穿越，改造环形钢板，焊接密封筒，穿越耐高温铠装光缆，焊接环形钢板，填充密封盘根，加盖密封压帽；

进行水泥固井，并持续监测所述耐高温铠装光缆反馈的温度信号。

6.根据权利要求5所述的地热深井井壁分布式光纤温度的实时监测方法，其特征在于，还包括进行井场安装光缆准备；所述井场安装光缆准备包括如下步骤，

摆放光缆绞车置于面朝井口的适当位置，安装光缆天滑轮；

调整钻机居中度，使套管管柱下入过程中居中；

安装套管钳及调试，安装吊环吊卡，上扣时打牢背钳；

按管柱结构自上而下分别下入套管挂、双公、套管、管鞋。

7.根据权利要求5或6所述的地热深井井壁分布式光纤温度的实时监测方法，其特征在于，所述井口穿越包括如下步骤，

在环形钢板上割出光缆穿越孔道，并焊接光缆穿越装置的密封筒；

将耐高温铠装光缆从穿越孔道、密封筒和密封压帽中穿出，并预留足够长度；

在井口表套和一开套管之间焊接环形钢板；

在密封筒内填充密封盘根；

加盖压帽，旋紧，进行穿越密封。

8.根据权利要求7所述的地热深井井壁分布式光纤温度的实时监测方法，其特征在于，每一根耐高温铠装光缆配备相应的套管；

所述定期开展信号检测的频率为每下入10根耐高温铠装光缆，进行一次信号检测；

所述水泥固井采用挤压法，并监测固井水泥排量、泵压。

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