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高空间分辨率分布式光纤温度应变监测系统

地热井沉降结构监测

（叠翱罢顿础）

1. 概述

由于地下水和油气资源的过量开采，地面沉降已经成为一个世界范围内普遍发生的地质灾害。我国于20世纪20年代在上海和天津最早发现了地面沉降；截止2015年，已有102个城市发生了不同程度的地面沉降，其中9个城市的最大沉降量已经超过了50尘尘。2011年国务院颁发的《全国地面沉降防治规划（2011-2020年）》要求查明全国地面沉降灾害现状、分布规律、发展趋势及形成原因，建立重点地区地面沉降监测网络。2017年11月国土资源部发布的《城市地质调查总体方案（2017-2025年）》中也明确指出，地面沉降是我国当前城市发展面临的5大地质问题之一，而这个问题在经济发达和人口密集城市尤为突出。当前，要实现地面沉降有效的防治和管理，不仅需要获取地表的变形量，也需要掌握地面以下各地层的变形情况。

2. 高空间分辨率分布式光纤温度应变监测系统（BOTDA）

2.1. 系统介绍

高空间分辨率分布式光纤温度应变监测系统（BOTDA）是基于受激布里渊散射效应、光时域反射技术原理的最新一代分布式光纤传感监测系统。该系统采用标准通信级单模光纤，光纤既是传输介质，又是传感元件。将光纤敷设于待测体上，即可实时获得光纤上每一点的温度和应变分布信息，实现超长距离的连续在线监测与精确定位。

BOTDA集光学、电子、计算机和信息处理等技术于一体。产物模块化设计，性能稳定、空间分辨率高、定位精确、安装维护简便、功耗低。该系统具有高空间分辨率（0.25米）、全域分布无盲点、无源防爆、抗干扰、对环境要求低、使用寿命长、智能融合便捷等优势。

2.2. 测量原理

分布式光纤温度应变监测系统仪BOTDA采用普通单模通信光纤为传感器，“传"、“感"合一，可实现长达数十公里温度与应变分布式测量。

BOTDA系统基本结构包括：脉冲激光光源、连续激光光源，传感光纤，信号探测电路。其中脉冲光源和连续光源位于传感光纤的两端，相向入射；传感光纤一般由双芯光纤构成探测回路，既是传感器，又是传输介质，安装简单方便。

BOTDA系统基本结构

2.3. 性能指标

3. 系统方案

已建井壁的受力，主要有不随时间变化的井壁自重、井塔井筒装备附加于井壁上的荷载、地层压力等恒荷载，还有随时间变化的井壁竖直附加力和温度应力。

鉴于分布式光纤传感器自身具有长期稳定、观测精度良好、仪器结构牢固、防潮密封性好、本征无源防爆，能在很大温度变辐范围内正常工作的特性。选择分布式光纤温度应变监测系统对井壁应力和井筒温度进行监测，可以满足井筒安全监测需工期长、测试仪器稳定可靠、精度高等要求。

3.1. 设计依据

3.2. 监测系统组成

分布式光纤井筒结构监测系统包括光纤监测主机、探测光缆、计算机。较之传统煤矿井筒安全监测产物，具有集成化、智能化、数字化、网络化等特点。

针对井筒安全监测对象的不同，分别在不同的监测部位敷设专用探测光缆，通过光缆远距离传输，实现自动无人实时观测、定时观测、自动存储数据、浏览查询图标输出及井壁安全状态预测预警等多种功能。同时结合相应分析软件对监测数据进行分析处理，继而判断井壁在周围地压、自重、竖直附加力、井筒温度、开采等因素作用下的*稳定状态及发展趋势。其系统监测拓扑图如下所示。

3.3. 井壁应力以及井筒温度监测

这部分内容涉密，请详询我司。

3.4. 温度补偿

受激布里渊散射光同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向受激布里渊散射光的频率漂移量，就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。

在正常运行状态下，在井下的温度的分布是均匀分布，没有突变的。因此另铺设一条多模测温光缆使用顿罢厂测量温度分布信息提供给高空间分辨率叠翱罢顿础系统，从而解调出井下应力分布情况