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

（BOTDA）

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50mm。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. 系统简介

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。产品模块化设计，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品，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DTS测量温度分布信息提供给高空间分辨率BOTDA系统，从而解调出井下应力分布情况