分布式光纖測溫用于地?zé)峄毓嗑氯A(yù)判與堵塞位置精準(zhǔn)定位研究

摘要

地?zé)岬攘炕毓嗍潜Ｕ系責(zé)醿訅毫ζ胶狻?shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源可持續(xù)循環(huán)開采的核心工藝，回灌井含水層普遍存在氣體淤堵、礦物質(zhì)碳酸鹽結(jié)垢堵塞、泥沙沉積淤堵三類故障，堵塞會直接造成回灌水量逐年快速衰減，打破地?zé)岵晒嗥胶怏w系，誘發(fā)地層沉降、儲層產(chǎn)能枯竭等一系列地質(zhì)與工程問題。傳統(tǒng)回灌井堵塞檢測依靠分段下放探測設(shè)備試探堵塞區(qū)間，作業(yè)工期長、人工成本高，且無法在堵塞萌芽階段提前預(yù)判隱患。本文將分布式鎧裝測溫光纖預(yù)埋于回灌井井筒及含水層濾水管段，基于不同堵塞類型引發(fā)的局部流體流速變化、換熱效率改變帶來的光纖溫度異常特征，建立堵塞早期智能預(yù)判算法模型，依靠光纖一米級空間分辨率精準(zhǔn)鎖定堵塞深度層位。選取河北縣域集中供暖地?zé)峒旱幕毓嗑_展為期一年的監(jiān)測工程，光纖測溫系統(tǒng)提前三個月預(yù)判含水層氣體堵塞隱患，并精準(zhǔn)定位堵塞層位，采用高壓氣體脈沖疏通工藝完成治理，回灌量恢復(fù)至設(shè)備初始設(shè)計(jì)效率的96%。本文全面對比傳統(tǒng)堵塞檢測工藝與光纖測溫預(yù)判方案在運(yùn)維工期、施工成本、隱患前置處置層面的優(yōu)劣，提出“光纖常態(tài)化在線測溫+AI堵塞識別算法+定向精準(zhǔn)疏通"一體化回灌井運(yùn)維新模式，為北方大面積地?zé)峁┡夯毓嗑L效運(yùn)維體系構(gòu)建提供成套解決方案。

關(guān)鍵詞：分布式光纖測溫；地?zé)峄毓嗑欢氯A(yù)判；精準(zhǔn)定位；采灌平衡；運(yùn)維一體化

1 引言

地?zé)豳Y源循環(huán)開采遵循“采熱-回水回灌"等量平衡原則，開采井從地下儲層抽取高溫地?zé)崃黧w換熱供暖之后，降溫后的尾水通過回灌井重新注入地下含水層，維持儲層內(nèi)部流體壓力穩(wěn)定，避免大規(guī)模抽水帶來地層塌陷、地下含水層失水枯竭等地質(zhì)災(zāi)害，同時實(shí)現(xiàn)地?zé)崃黧w循環(huán)利用，提升地?zé)豳Y源利用率。在地?zé)峁┡?xiàng)目長期運(yùn)行過程中，回灌井是整套地?zé)嵯到y(tǒng)最易出現(xiàn)故障的薄弱環(huán)節(jié)。

回灌尾水中溶解大量空氣、碳酸氫鈣、泥沙懸浮雜質(zhì)，尾水注入含水層之后，溶解氣體不斷析出聚集在含水層孔隙內(nèi)部形成氣堵，阻斷流體滲流通道；水體中碳酸氫鈣遇溫度壓力變化析出碳酸鈣硬質(zhì)水垢，附著在濾水管外壁與含水層孔隙內(nèi)形成結(jié)垢堵塞；供暖管網(wǎng)沖刷脫落的泥沙雜質(zhì)沉積在濾水管段形成泥沙淤堵。三類堵塞都會造成回灌滲流通道收窄、回灌量逐年衰減，當(dāng)回灌量遠(yuǎn)小于開采抽水量時，儲層壓力持續(xù)下降，不僅地?zé)峋a(chǎn)能會快速衰減，還極易誘發(fā)區(qū)域性地層沉降，威脅地面建筑基礎(chǔ)設(shè)施安全。

現(xiàn)階段國內(nèi)絕大多數(shù)地?zé)峄毓嗑捎帽粍邮焦收咸幹媚Ｊ剑\(yùn)維人員通過井口回灌流量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)回灌量明顯衰減之后，再組織設(shè)備下井分段試探堵塞區(qū)間。該方式屬于事后處置，堵塞已經(jīng)形成大范圍影響之后才開展治理，疏通施工難度大、臺班成本高昂；分段下井探測需要多次起下井下設(shè)備，容易剮蹭井筒套管造成二次損傷；同時傳統(tǒng)方式無法預(yù)判堵塞萌芽狀態(tài)，不能實(shí)現(xiàn)前置化隱患治理。

分布式光纖預(yù)埋于回灌井全井筒及含水層濾水管段，可以全年不間斷采集井筒與含水層段連續(xù)溫度剖面數(shù)據(jù)。堵塞區(qū)域流體滲流速度大幅下降，水體與地層、管壁之間的對流換熱強(qiáng)度發(fā)生明顯改變，會在光纖對應(yīng)深度段形成特征性溫度異常曲線，系統(tǒng)依托算法識別溫度曲線特征，即可實(shí)現(xiàn)堵塞早期預(yù)判與堵塞深度精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)回灌井故障由事后維修轉(zhuǎn)變?yōu)榍爸没[患治理。本文結(jié)合河北地?zé)峁┡毓嗑畬?shí)測工程，探究光纖測溫在回灌井堵塞預(yù)判、定位與運(yùn)維體系中的應(yīng)用價值。

2 三類回灌井堵塞對應(yīng)的光纖溫度曲線特征

2.1 氣體堵塞溫度特征

含水層孔隙聚集氣體之后，流體滲流幾乎停滯，該區(qū)域尾水長期靜止，與周邊地層充分換熱，溫度會逐漸趨近于地層恒溫溫度，相較于正常流動段尾水出現(xiàn)明顯溫度差值，光纖曲線會出現(xiàn)局部平穩(wěn)式溫度階躍區(qū)間，階躍區(qū)間長度對應(yīng)氣體堵塞縱向范圍。氣體堵塞屬于漸進(jìn)式堵塞，溫度曲線會在數(shù)月內(nèi)緩慢形成階躍變化，是最容易通過光纖時序溫度曲線提前預(yù)判的堵塞類型。

2.2 礦物質(zhì)結(jié)垢堵塞溫度特征

硬質(zhì)水垢附著在濾水管外壁，縮小流體流通截面積，流體流速小幅降低，換熱緩慢增強(qiáng)，光纖曲線會呈現(xiàn)緩慢漸進(jìn)式的小幅溫度抬升；當(dāng)水垢大面積封堵濾水管，流體近乎斷流，溫度會出現(xiàn)斷崖式突變，屬于不可逆硬質(zhì)堵塞，越早干預(yù)疏通，疏通成本越低。

2.3 泥沙沉積堵塞溫度特征

泥沙大多沉積在井筒底部濾水管下段，底部流體停滯，井筒底部光纖段溫度快速趨近地層溫度，曲線呈現(xiàn)底部局部溫度突變特征，泥沙堵塞具備突發(fā)性，多發(fā)生在汛期管網(wǎng)泥沙含量突增階段，光纖高頻測溫可以快速捕捉突發(fā)淤堵。

運(yùn)維系統(tǒng)通過算法識別三類溫度曲線形態(tài)，結(jié)合回灌井口實(shí)時流量數(shù)據(jù)，即可區(qū)分堵塞類型、堵塞縱向區(qū)間、堵塞發(fā)展階段，為疏通工藝選型提供依據(jù)：氣體堵塞采用高壓脈沖氣體疏通；結(jié)垢堵塞采用化學(xué)藥劑循環(huán)溶垢疏通；泥沙堵塞采用高壓水力沖洗疏通。

3 回灌井光纖預(yù)埋施工方案

回灌井完井階段，將雙層鎧裝防腐測溫光纖順著井筒管壁下放，光纖全程延伸至井筒底部含水層濾水管段；采用耐高溫耐腐蝕扎帶每隔兩米將光纖固定在管壁上，避免回灌流體沖擊造成光纖線纜大幅擺動磨損；光纖井口預(yù)留冗余長度接入測溫主機(jī)，主機(jī)聯(lián)動井口電磁流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)“流量+全井筒溫度剖面"雙參數(shù)融合監(jiān)測；監(jiān)測數(shù)據(jù)接入地?zé)峁┡\(yùn)維云平臺，自定義堵塞預(yù)警閾值，溫度曲線出現(xiàn)堵塞特征時平臺自動推送預(yù)警信息給運(yùn)維人員。

4 河北縣域回灌井實(shí)測工程案例分析

選取河北某縣城集中地?zé)峁┡?xiàng)目的2號回灌井作為試驗(yàn)井，在井筒預(yù)埋分布式光纖測溫系統(tǒng)，連續(xù)開展為期12個月常態(tài)化監(jiān)測。運(yùn)行第9個月時，云端平臺發(fā)出氣體堵塞早期預(yù)警：含水層360~372米深度段光纖溫度曲線出現(xiàn)緩慢階躍式抬升，對應(yīng)井口回灌流量出現(xiàn)微弱逐月衰減，此時堵塞尚處于萌芽階段，氣體僅在含水層局部孔隙聚集，未形成大范圍氣堵。

運(yùn)維團(tuán)隊(duì)根據(jù)光纖精準(zhǔn)定位的堵塞深度區(qū)間，采用高壓脈沖氣體疏通設(shè)備直達(dá)堵塞層位，定向釋放高壓脈沖氣體擊碎孔隙內(nèi)部聚集氣團(tuán)，疏通含水層滲流通道。疏通完成后井口回灌流量恢復(fù)至井體初始設(shè)計(jì)流量的96%，疏通施工僅耗費(fèi)半天時間，施工成本不足后期大范圍堵塞疏通費(fèi)用的五分之一。作為對比，同項(xiàng)目未布設(shè)光纖的3號回灌井，同年11月發(fā)生大范圍硬質(zhì)結(jié)垢堵塞，回灌量衰減至原先35%，需要采用化學(xué)溶垢+分段水力沖洗復(fù)合工藝，工期長達(dá)7天，運(yùn)維成本高，且長時間回灌失衡造成開采井產(chǎn)能出現(xiàn)小幅下滑。

本次實(shí)測充分證明光纖測溫前置預(yù)判、精準(zhǔn)定位堵塞的巨大運(yùn)維優(yōu)勢，可以極大降低回灌井疏通工期與治理成本，保障地?zé)嵯到y(tǒng)長期采灌平衡穩(wěn)定運(yùn)行。

5 一體化回灌井運(yùn)維體系構(gòu)建與現(xiàn)存不足

基于光纖測溫系統(tǒng)，構(gòu)建“常態(tài)化光纖在線測溫、AI算法堵塞智能識別、早期預(yù)警推送、定向精準(zhǔn)疏通、疏通后光纖復(fù)測驗(yàn)證效果"一體化閉環(huán)運(yùn)維新模式，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)回灌井被動維修模式，從源頭規(guī)避回灌失衡帶來的各類工程與地質(zhì)風(fēng)險。該運(yùn)維模式適配的地?zé)峁┡海瑔闻_云端平臺即可統(tǒng)籌全部回灌井堵塞狀態(tài)，大幅降低集群地?zé)峋\(yùn)維人力投入。

現(xiàn)階段該技術(shù)存在兩處短板：其一，淺層含水層多層位同時發(fā)生多處小型堵塞時，溫度曲線特征相互疊加，算法難以區(qū)分多個堵塞點(diǎn)位；其二，尾水水質(zhì)成分復(fù)雜時，水體理化性質(zhì)改變會輕微干擾溫度基線，易出現(xiàn)少量誤預(yù)警。后續(xù)可以通過多物理參數(shù)融合監(jiān)測（搭配水體pH、離子濃度傳感器）、AI多特征訓(xùn)練算法優(yōu)化兩個方向解決短板。

6 結(jié)論與展望

分布式光纖測溫系統(tǒng)通過預(yù)埋式全井筒連續(xù)溫度監(jiān)測，依托不同堵塞類型的特征溫度曲線變化，能夠在堵塞萌芽階段實(shí)現(xiàn)早期預(yù)判，依靠光纖高精度空間分辨率精準(zhǔn)鎖定堵塞深度區(qū)間，為回灌井選取適配的定向疏通工藝提供關(guān)鍵依據(jù)。結(jié)合河北地?zé)峁┡毓嗑畬?shí)測工程證明，光纖前置化堵塞治理相較于傳統(tǒng)事后分段探測疏通模式，疏通工期縮短85%以上，運(yùn)維綜合成本下降75%，能夠長期維持地?zé)峋晒嗟攘科胶怏w系，規(guī)避儲層壓力衰減、地層沉降、地?zé)岙a(chǎn)能枯竭等重大風(fēng)險。以光纖測溫為核心構(gòu)建的“監(jiān)測-預(yù)警-疏通-復(fù)測"閉環(huán)一體化運(yùn)維新模式，高度適配北方大面積縣域地?zé)峁┡旱囊?guī)模化運(yùn)維需求，具備大范圍推廣應(yīng)用價值。

未來通過融合水體理化參數(shù)多維度監(jiān)測、深度學(xué)習(xí)AI堵塞識別算法，進(jìn)一步提升多層位復(fù)合堵塞的識別準(zhǔn)確率，降低系統(tǒng)誤報率；同時將回灌井光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)與開采井井筒測溫、儲層流體監(jiān)測系統(tǒng)互聯(lián)互通，構(gòu)建整套地?zé)崽锊晒嗳鞒讨悄鼙O(jiān)測體系，真正實(shí)現(xiàn)地?zé)豳Y源開采全生命周期智能化管控，助力地?zé)崆鍧嵞茉窗踩L效規(guī)模化發(fā)展。

中深層水源熱泵、換熱井光纖監(jiān)測全套分類關(guān)鍵詞

一、基礎(chǔ)主體行業(yè)關(guān)鍵詞（場景基底）

中深層水源熱泵、閉式井下?lián)Q熱井、同軸套管式換熱井、地?zé)岵晒嗑⒌責(zé)峄毓嗑⑸罹畵Q熱系統(tǒng)、地埋式中深層換熱器、地?zé)峋病訜崞胶狻⒌貙訜崾Ш狻⒌責(zé)峋矡崞拭妗⒑畬訐Q熱通道、地?zé)衢L周期運(yùn)維、地?zé)崛虮O(jiān)測、井筒套管結(jié)構(gòu)、地?zé)峁┡到y(tǒng)

二、光纖主流技術(shù)品類（核心技術(shù)）

1.分布式光纖系列

分布式光纖測溫系統(tǒng)（DTS）、分布式光纖聲波振動監(jiān)測（DAS）、分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測（BOTDA布里淵）、DFOS分布式光纖傳感系統(tǒng)、全井筒分布式光纖測溫、拉曼散射測溫、布里淵散射傳感、瑞利散射光纖監(jiān)測、長距離光纖剖面測溫、連續(xù)式光纖地溫監(jiān)測

2.光纖光柵系列（FBG）

FBG光纖光柵傳感器、準(zhǔn)分布式光纖光柵測溫、光纖光柵溫度壓力一體化探頭、布拉格光柵波長解調(diào)、光纖光柵串列傳感、耐高溫光纖光柵陣列、光纖光柵應(yīng)變傳感、光纖光柵多點(diǎn)同步監(jiān)測、光柵波長漂移校準(zhǔn)

3.其他光纖類型

熒光光纖測溫、單點(diǎn)式耐高溫光纖探頭、干涉型光纖傳感器、單模鎧裝光纖、多模傳感光纖、特種耐腐傳感光纜

三、光纖硬件設(shè)備關(guān)鍵詞（硬件組成）

鎧裝耐高溫傳感光纜、不銹鋼無縫鎧裝光纖、四氟防腐涂層光纖、井下耐高溫光纜、井筒預(yù)置式光纜、光纜扶正器、光纖解調(diào)儀、高速光纖解調(diào)主機(jī)、光纖分路器、光纖集線盒、地面光纖采集終端、光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、光纖信號中繼器、光纖防水接頭、井下光纖固定卡扣、注漿式光纖敷設(shè)套件、光纖井筒下放絞車、光纖校準(zhǔn)標(biāo)定裝置、光纖冗余備用纜線

四、光纖核心性能技術(shù)參數(shù)

全井段溫度剖面、空間分辨率、測溫精度、光纖測溫響應(yīng)速率、光纖耐溫等級（120℃/150℃/200℃/300℃）、光纜抗拉強(qiáng)度、光纖傳輸損耗、長距離傳感量程（1000m~7000m深井適配）、抗電磁干擾、耐腐蝕特性、光纖長期穩(wěn)定性、波長解調(diào)精度、分布式采樣間隔、井下耐壓性能、地層耦合測溫準(zhǔn)確度、光纖溫漂補(bǔ)償算法、光纖斷點(diǎn)檢測、光纜疲勞壽命、高溫光纜熱防護(hù)性能

五、光纖井下施工敷設(shè)工藝關(guān)鍵詞

光纜隨管柱預(yù)置敷設(shè)、套管外壁貼壁敷設(shè)、井筒注漿耦合光纖、換熱管捆綁式光纖、分段式光纖布設(shè)、換熱井成井同步預(yù)埋光纖、后期井下光纜下入工藝、光纖全程下放阻力監(jiān)測、井筒光纖密封防水工藝、光纖井口防爆密封、多井光纖組網(wǎng)敷設(shè)、地層層位光纖定位、光纖后期檢修工藝、光纜防磨損防護(hù)方案、井筒回填光纖保護(hù)工藝

六、光纖監(jiān)測監(jiān)測物理量（監(jiān)測參數(shù)）

井筒縱向連續(xù)溫度場、地層徑向溫度梯度、換熱器進(jìn)出口水溫變化、換熱管管壁溫度、井筒環(huán)空溫度變化、地層儲層溫度衰減曲線、井筒流體流速剖面、含水層滲漏振動信號、套管形變應(yīng)變、井筒管壁腐蝕振動特征、井下壓力動態(tài)變化、換熱單元熱交換效率、地?zé)峋竟?jié)性溫變規(guī)律、熱突破效應(yīng)監(jiān)測、回灌水滲流路徑識別、氣堵振動特征識別、井筒結(jié)垢振動監(jiān)測

七、配套軟件系統(tǒng)與算法關(guān)鍵詞

光纖溫度剖面成像軟件、DTS光纖大數(shù)據(jù)解析平臺、光纖時序溫度曲線擬合、地層熱平衡智能算法、光纖溫場三維建模、光纖多井集群聯(lián)動分析、光纖數(shù)據(jù)云端傳輸、光纖故障自動診斷、光纖溫度基線比對算法、熱失衡預(yù)警模型、光纖數(shù)據(jù)NB物聯(lián)網(wǎng)傳輸、光纖監(jiān)測臺賬歸檔系統(tǒng)、換熱效能智能優(yōu)化算法、光纖溫度歷史回溯分析、光纖井筒異常振動識別算法、光纖監(jiān)測可視化組態(tài)平臺

八、光纖應(yīng)用功能與業(yè)務(wù)價值關(guān)鍵詞

全井筒換熱效能診斷、地層長期熱演化監(jiān)測、預(yù)判土壤熱失衡、地?zé)岵晒鄤討B(tài)優(yōu)化、回灌通道堵塞早期預(yù)警、套管結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、井筒滲漏精準(zhǔn)定位、地?zé)醿訐Q熱性能評估、老舊換熱井換熱衰減監(jiān)測、地?zé)峋芷诒O(jiān)測、規(guī)避區(qū)域性地層沉降、換熱系統(tǒng)節(jié)能調(diào)控、地?zé)崽紲p排數(shù)據(jù)佐證、地?zé)犴?xiàng)目長期運(yùn)維數(shù)字化、井筒高溫故障預(yù)警、洗井前后換熱效果光纖對比驗(yàn)證、地?zé)峋隀z光纖檢測方案、地?zé)嶙匀毁Y源監(jiān)管光纖監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

九、工況環(huán)境適配關(guān)鍵詞

中深層高溫高壓井筒、高礦化度地?zé)崃黧w、強(qiáng)腐蝕井下環(huán)境、深井高溫長時服役、季節(jié)性供暖變溫工況、裂隙型地?zé)醿印⒖紫缎秃畬印⒍嗑簱Q熱區(qū)塊、北方高寒地?zé)峁┡?xiàng)目、存量老舊換熱井光纖改造、新建換熱井預(yù)埋光纖、同軸閉式換熱井光纖監(jiān)測系統(tǒng)、地?zé)峒訅夯毓嗑饫w監(jiān)測、地?zé)衢g歇式運(yùn)行工況

十、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、對標(biāo)與競品關(guān)鍵詞

光纖地?zé)岜O(jiān)測地方規(guī)范、井下分布式光纖測溫技術(shù)規(guī)程、光纖光柵深井測溫校準(zhǔn)規(guī)范、光纖測溫與傳統(tǒng)熱電偶測溫對比、光纖長期監(jiān)測穩(wěn)定性對標(biāo)、鎧裝光纜井下驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、地源熱泵光纖監(jiān)測國標(biāo)規(guī)范、光纖監(jiān)測系統(tǒng)第三方標(biāo)定、地?zé)峋饫w監(jiān)測施工驗(yàn)收規(guī)范、光纖監(jiān)測計(jì)量溯源校準(zhǔn)

十一、英文專業(yè)縮寫關(guān)鍵詞（論文、設(shè)備采購常用）

DTS（分布式溫度傳感）、DAS（分布式聲學(xué)傳感）、FBG（光纖布拉格光柵）、DFOS（分布式光纖傳感系統(tǒng)）、BOTDA（布里淵光時域分析）、OTDR（光時域反射儀）、FWHM（光柵半高寬）、Raman Scattering拉曼散射、Brillouin Scattering布里淵散射