高空間分辨率分布式光纖溫度應變監測系統

地熱井沉降結構監測

（BOTDA）

1. 概述

由于地下水和油氣資源的過量開采，地面沉降已經成為一個世界范圍內普遍發生的地質災害。我國于20世紀20年代在上海和天津最早發現了地面沉降；截止2015年，已有102個城市發生了不同程度的地面沉降，其中9個城市的最大沉降量已經超過了50mm。2011年國務院頒發的《全國地面沉降防治規劃（2011-2020年）》要求查明全國地面沉降災害現狀、分布規律、發展趨勢及形成原因，建立重點地區地面沉降監測網絡。2017年11月國土資源部發布的《城市地質調查總體方案（2017-2025年）》中也明確指出，地面沉降是我國當前城市發展面臨的5大地質問題之一，而這個問題在經濟發達和人口密集城市尤為突出。當前，要實現地面沉降有效的防治和管理，不僅需要獲取地表的變形量，也需要掌握地面以下各地層的變形情況。

2. 高空間分辨率分布式光纖溫度應變監測系統（BOTDA）

2.1. 系統簡介

高空間分辨率分布式光纖溫度應變監測系統（BOTDA）是基于受激布里淵散射效應、光時域反射技術原理的最新一代分布式光纖傳感監測系統。該系統采用標準通信級單模光纖，光纖既是傳輸介質，又是傳感元件。將光纖敷設于待測體上，即可實時獲得光纖上每一點的溫度和應變分布信息，實現超長距離的連續在線監測與精確定位。

BOTDA集光學、電子、計算機和信息處理等技術于一體。產品模塊化設計，性能穩定、空間分辨率高、定位精確、安裝維護簡便、功耗低。該系統具有高空間分辨率（0.25米）、全域分布無盲點、無源防爆、抗干擾、對環境要求低、使用壽命長、智能融合便捷等優勢。

2.2. 測量原理

分布式光纖溫度應變監測系統儀BOTDA采用普通單模通信光纖為傳感器，“傳"、“感"合一，可實現長達數十公里溫度與應變分布式測量。

BOTDA系統基本結構包括：脈沖激光光源、連續激光光源，傳感光纖，信號探測電路。其中脈沖光源和連續光源位于傳感光纖的兩端，相向入射；傳感光纖一般由雙芯光纖構成探測回路，既是傳感器，又是傳輸介質，安裝簡單方便。

BOTDA系統基本結構

2.3. 性能指標

3. 系統方案

已建井壁的受力，主要有不隨時間變化的井壁自重、井塔井筒裝備附加于井壁上的荷載、地層壓力等恒荷載，還有隨時間變化的井壁豎直附加力和溫度應力。

鑒于分布式光纖傳感器自身具有長期穩定、觀測精度良好、儀器結構牢固、防潮密封性好、本征無源防爆，能在很大溫度變輻范圍內正常工作的特性。選擇分布式光纖溫度應變監測系統對井壁應力和井筒溫度進行監測，可以滿足井筒安全監測需工期長、測試儀器穩定可靠、精度高等要求。

3.1. 設計依據

3.2. 監測系統組成

分布式光纖井筒結構監測系統包括光纖監測主機、探測光纜、計算機。較之傳統煤礦井筒安全監測產品，具有集成化、智能化、數字化、網絡化等特點。

針對井筒安全監測對象的不同，分別在不同的監測部位敷設專用探測光纜，通過光纜遠距離傳輸，實現自動無人實時觀測、定時觀測、自動存儲數據、瀏覽查詢圖標輸出及井壁安全狀態預測預警等多種功能。同時結合相應分析軟件對監測數據進行分析處理，繼而判斷井壁在周圍地壓、自重、豎直附加力、井筒溫度、開采等因素作用下的*穩定狀態及發展趨勢。其系統監測拓撲圖如下所示。

3.3. 井壁應力以及井筒溫度監測

這部分內容涉密，請詳詢我司。

3.4. 溫度補償

受激布里淵散射光同時受應變和溫度的影響，當光纖沿線的溫度發生變化或者存在軸向應變時，光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發生漂移，頻率的漂移量與光纖應變和溫度的變化呈良好的線性關系，因此通過測量光纖中的背向受激布里淵散射光的頻率漂移量，就可以得到光纖沿線溫度和應變的分布信息。

在正常運行狀態下，在井下的溫度的分布是均勻分布，沒有突變的。因此另鋪設一條多模測溫光纜使用DTS測量溫度分布信息提供給高空間分辨率BOTDA系統，從而解調出井下應力分布情況