分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在凍結(jié)修復(fù)工程中的應(yīng)用*

鄭曉亮, 胡業(yè)林, 沈華軍, 謝鴻志, 豆安峰, 于緊昌

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥230000； 3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第八研究所，安徽 合肥 230000)

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在凍結(jié)修復(fù)工程中的應(yīng)用*

鄭曉亮1, 胡業(yè)林1, 沈華軍2, 謝鴻志3, 豆安峰2, 于緊昌3

(1.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001； 2.中煤礦山建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，安徽 合肥230000； 3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第八研究所，安徽 合肥 230000)

針對(duì)采用凍結(jié)法進(jìn)行成井井壁修復(fù)工程的特殊性，在進(jìn)行常規(guī)水文孔、測(cè)溫孔監(jiān)測(cè)的同時(shí)，增加新型檢測(cè)手段，利用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)檢測(cè)每個(gè)凍結(jié)器的縱向溫度，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，為指導(dǎo)凍結(jié)施工安全順利進(jìn)行提供依據(jù)。詳細(xì)介紹了修復(fù)工程的概況和分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的原理、組成、檢測(cè)方法及測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)。給出了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，與常規(guī)測(cè)溫孔數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)量大,能全面、直觀地反映凍結(jié)壁實(shí)際發(fā)展?fàn)顩r。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)靈活，檢測(cè)方法具有一定的推廣價(jià)值。

分布式光纖測(cè)溫； 凍結(jié)法； 縱向測(cè)溫； 修復(fù)工程

0 引 言

人工凍結(jié)法是煤礦立井井筒建設(shè)的常用方法，國(guó)內(nèi)凍結(jié)深度已突破700 m，凍結(jié)方案設(shè)計(jì)、凍結(jié)過(guò)程控制技術(shù)已基本成熟。一般凍結(jié)工程在凍結(jié)器圈徑內(nèi)布置幾個(gè)測(cè)溫孔和水文孔，根據(jù)測(cè)溫孔內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化來(lái)掌握凍結(jié)壁的發(fā)展情況，根據(jù)水文孔的溢水情況,判斷含水地層凍結(jié)壁是否整體交圈[1,2]。但是，采用凍結(jié)法對(duì)已建成井筒進(jìn)行修復(fù)，由于井筒已經(jīng)建成，測(cè)溫孔只能反映凍結(jié)壁的局部情況，水文孔溢水也不能作為判斷凍結(jié)壁交圈的條件。

為了全面掌握凍結(jié)壁的發(fā)展情況，有效地控制凍結(jié)壁的厚度，保證修復(fù)工程順利進(jìn)行，本文采用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)對(duì)凍結(jié)器的縱向溫度進(jìn)行檢測(cè)，直接觀測(cè)整個(gè)凍結(jié)壁的發(fā)展?fàn)顩r，可為凍結(jié)控制提供有力數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

安徽淮南某煤礦主、副、風(fēng)3個(gè)井筒采用鉆井法施工， 2009年，副井井筒發(fā)生突水涌砂淹井事故，經(jīng)分析計(jì)算，井下巷道充水容積7 6744 m3，3個(gè)以下井筒充水容積2 2926 m3，涌水時(shí)間5 小時(shí)20分鐘，平均涌水量18 700 m3/h。事故發(fā)生后，采用鉆孔彩色電視儀、超聲波測(cè)井儀等探測(cè)手段對(duì)井筒出水點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，均無(wú)法探明出水點(diǎn)具體位置和井筒破裂情況。平均涌水量為18 700 m3/h，可以判定井壁破壞范圍較大，經(jīng)專家會(huì)議討論決定采用地面預(yù)注漿加凍結(jié)法修復(fù)井壁，即利用注漿法改善土體與井壁壁后充填物性能，利用凍結(jié)法封水修復(fù)井壁，要求凍結(jié)壁具有一定的強(qiáng)度和厚度。

為使凍結(jié)壁快速交圈，迅速達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，增強(qiáng)抵抗地層擾動(dòng)后性能弱化所帶來(lái)其它風(fēng)險(xiǎn)的能力，副井凍結(jié)采用雙排孔布置。為減少凍脹力對(duì)井壁造成影響，內(nèi)排孔布置圈徑盡量小。外排布置42個(gè)凍結(jié)孔(W1～W42)，布置圈徑19.6 m，孔間距1.465 m。內(nèi)排布置32個(gè)凍結(jié)孔(N1～N32)，布置圈徑13.9 m，孔間距1.364 m。布置測(cè)溫孔7個(gè)(C1～C7)，水文孔4個(gè)(S1～S4)，布置圖如圖1所示。

凍結(jié)站2011年6月27日開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，截止9月11日，副井4個(gè)水位孔水位全部達(dá)到管口，從各孔的水位變化分析來(lái)看凍結(jié)壁發(fā)展所產(chǎn)生的凍脹水、部分凍脹壓力通過(guò)水文孔得到釋放。由于凍結(jié)法應(yīng)用于成井井壁修復(fù)工程尚屬首次，沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。此時(shí)，通過(guò)水文孔溢水和測(cè)溫孔數(shù)據(jù)都無(wú)法準(zhǔn)確判斷凍結(jié)壁是否交圈及其發(fā)展情況。2011年11月8日，凍結(jié)工程運(yùn)轉(zhuǎn)131天，鹽水溫度在-32～-33 ℃之間，溫差為2.5～3.8 ℃，距離施工組織設(shè)計(jì)要求150天凍結(jié)工期，剩余19天。為明確掌握副井凍結(jié)壁實(shí)際狀況，正確制定下一步施工方案，決定對(duì)副井凍結(jié)孔進(jìn)行縱向溫度測(cè)溫。

2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)介紹

2.1 檢測(cè)原理

分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)能在整條測(cè)溫光纜的長(zhǎng)度上，以一定的間隔連續(xù)感知出溫度場(chǎng)在光纜長(zhǎng)度方向上的變化。測(cè)量原理是光纖的時(shí)域反射(OTDR)理論和背向拉曼(Raman)散射溫度效應(yīng)，利用時(shí)域反射原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫點(diǎn)的定位，利用背向拉曼散射原理可以實(shí)現(xiàn)溫度的感知和度量。

從量子理論能級(jí)的觀點(diǎn)來(lái)看，拉曼散射是由光子的非彈性碰撞產(chǎn)生的。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，反斯托克斯(Anti-Stokes)散射光對(duì)溫度敏感，其強(qiáng)度受溫度調(diào)制；斯托克斯(Stokes)散射光強(qiáng)度也與溫度有一定的關(guān)系，但受溫度的影響比較小；而瑞利(Rayleigh)散射光基本上與溫度無(wú)關(guān)。

在光纖L處區(qū)域的反斯托克斯散射光子數(shù)

(1)

在光纖L處區(qū)域的斯托克斯散射光子數(shù)

(2)

在光纖L處區(qū)域的瑞利斯散射光子數(shù)

(3)

式中Ne為光纖入射光脈沖光子數(shù)；KR,Ka,Ks為與光纖瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射截面相關(guān)的系數(shù)；S為光纖的背向散射因子；ν0,νa,νs分別為瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射光頻率；a0,aa,as分別為瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射光在光纖中的傳輸損耗；L為光纖待測(cè)區(qū)域處距光纖入射端的距離；Ra(T),Rs(T)為與光纖分子低能級(jí)和高能級(jí)上的布局?jǐn)?shù)有關(guān)的系數(shù)，它與光纖處區(qū)域的溫度有關(guān)

Ra(T)=[exp(hΔν/kT)-1]-1,

(4)

Rs(T)=[1-exp(-hΔν/kT)]-1,

(5)

式中 Δν為拉曼散射光頻率；h為普朗克常數(shù)；k為波耳茲曼常數(shù)。

溫度解調(diào)方法是用斯托克斯拉曼散射OTDR曲線來(lái)解調(diào)反斯托克斯拉曼散射OTDR曲線，由式(1)和式(2)可得

(6)

由式(6)可得

(7)

式中T0，Na(T0)，Ns(T0)，Na(T)，Ns(T)均為已知，即可得到區(qū)域處的溫度T[3，4]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由光學(xué)部分和信號(hào)采集與處理部分組成。光學(xué)部分由半導(dǎo)體激光器、光纖定向耦合器、傳感光纖、光學(xué)分光器件等組成，信號(hào)處理部分由光電接收器和數(shù)據(jù)采集處理計(jì)算機(jī)組成[5～7]。

圖2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 檢測(cè)方法與傳感光纖結(jié)構(gòu)

凍結(jié)器縱向測(cè)溫必須在停止凍結(jié)器供液一段時(shí)間以后才能測(cè)得實(shí)際凍結(jié)壁溫度，且檢測(cè)完成后應(yīng)立即恢復(fù)供液，所以，凍結(jié)器縱向測(cè)溫是一種機(jī)動(dòng)的檢測(cè)方式。

一個(gè)凍結(jié)器的縱向測(cè)溫，光纜需要完成下放、檢測(cè)、回收3個(gè)步驟，由于凍結(jié)器溝槽內(nèi)無(wú)法放置光纜自動(dòng)收放裝置，采用野外光纜收放線架配以滑輪的形式進(jìn)行人工收放測(cè)溫光纜，完成一個(gè)凍結(jié)器的測(cè)量時(shí)間在1 h左右。實(shí)際檢測(cè)時(shí)用2根測(cè)溫光纖同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量時(shí)間每間隔1h停止2個(gè)凍結(jié)器的供液，停止供液18 h后進(jìn)行該凍結(jié)器的縱向溫度測(cè)量，測(cè)量完成后立即恢復(fù)供液，再檢測(cè)其他的凍結(jié)器，依次進(jìn)行。副井共74個(gè)凍結(jié)孔，按一天完成16個(gè)孔，編制檢測(cè)時(shí)間表，5天完成所有凍結(jié)器的縱向溫度檢測(cè)。

副井測(cè)溫深度范圍為0～673 m(底部5 m為配重管)，測(cè)溫光纜長(zhǎng)度為800 m。由于測(cè)溫光纜需要不斷的人工下放、回收，纜受力不均勻，必須具有一定的抗拉能力，保證不出現(xiàn)拉伸現(xiàn)象，影響測(cè)量精度，設(shè)計(jì)測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)如圖3所示。單根緊包光纖與芳綸一同套入不銹鋼軟管中，不銹鋼軟管具有抗壓、抗彎作用，外加一層不銹鋼編制絲使光纜具有一定的抗拉能力，最后外覆一層聚氨酯護(hù)套具有耐低溫的作用。為了增加抗拉強(qiáng)度，防止光纜收放過(guò)程過(guò)度受力斷裂，采用綁扎的方式，另配一根1.8 mm鍍鋅鋼絲繩作為拉力承載體。光纜具體參數(shù)如下:多模纖芯，直徑62.5±2.5 μm，最大衰減3.5 dB/km(850 nm)，1.5 dB/km(1 300 nm)，工作溫度-50～+90 ℃，允許彎曲半徑10D(動(dòng)態(tài))、2 0D(靜態(tài))，允許拉力200 N(長(zhǎng)期)，300 N(短期)，抗壓力3 000 N/100 mm(長(zhǎng)期)，5 000N/100 mm(短期)，重量25 kg/km。

圖3 鎧裝光纜結(jié)構(gòu)

3 凍結(jié)器縱向溫度檢測(cè)

副井外排42個(gè)孔和內(nèi)排32個(gè)孔2011年11月8日～12日的縱向溫度曲線圖如圖4、圖5所示，整體溫度分布在-19～-30 ℃之間，分析可知副井凍結(jié)孔運(yùn)行正常，無(wú)堵孔和短路現(xiàn)象，縱向溫度隨深度的增加平緩下降，且內(nèi)排凍結(jié)器溫度比外排凍結(jié)器溫度低，符合凍結(jié)鹽水正循環(huán)規(guī)律。

圖4 副井外排凍結(jié)器縱向溫度曲線圖

圖5 副井內(nèi)排凍結(jié)器縱向溫度曲線圖

根據(jù)凍結(jié)壁發(fā)展情況、凍結(jié)器縱向溫度檢測(cè)結(jié)果、內(nèi)外排鹽水供液回路去回路溫差、鹽水流量數(shù)據(jù)、凍結(jié)孔間距，內(nèi)排孔偏斜圖及內(nèi)側(cè)凍結(jié)壁發(fā)展鋒面應(yīng)全部達(dá)到井壁外緣(-3 ℃)方可進(jìn)行井筒排水的設(shè)計(jì)要求，通過(guò)計(jì)算得出各層位凍土全部發(fā)展到井壁外緣的時(shí)間為160天，具備排水施工條件。由于修復(fù)項(xiàng)目的特殊性，為防止因凍土發(fā)展過(guò)快，進(jìn)入井壁造成破壞，需提前對(duì)副井部分凍結(jié)器進(jìn)行控制，控制方式為減少鹽水流量。

4 結(jié) 論

從副井各個(gè)凍結(jié)控孔縱向溫度的檢測(cè)結(jié)果看，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)單總線溫度傳感系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)量，溫度數(shù)據(jù)連續(xù)分布，可直觀顯示縱向溫度的分布情況，通過(guò)數(shù)值模擬，可得到從地面到井底連續(xù)的凍結(jié)壁溫度場(chǎng)，為判斷凍結(jié)壁的交圈情況及其厚度提供了詳實(shí)的數(shù)據(jù)。通過(guò)應(yīng)用驗(yàn)證了分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在凍結(jié)工程溫度場(chǎng)檢測(cè)方式的應(yīng)用可能性，建立了一套分布式光纖測(cè)溫檢測(cè)凍結(jié)孔縱向溫度的方法，檢測(cè)數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員提供了凍結(jié)控制決策支持，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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Application of distributed fiber temperature detection

technology in freezing restoration project*ZHENG Xiao-liang1, HU Ye-lin1, SHEN Hua-jun2, XIE Hong-zhi3, DOU An-feng2, YU Jin-chang3

(1.School of Electric and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huai’nan 232001,China; 2.China Coal Mine Construction Group Co Ltd,Hefei 230000,China; 3.The Eighth Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Hefei 230000,China)

Aiming at particularity of the case of using freezing method to conduct shaft-forming well wall restoration project,at the same time of monitoring the conventional hydrological hole and thermometer hole,new means of detection are added,and distributed fiber temperature detection technology is used to check the temperature of each longitudinal freezer.By data analysis,provide basis for guiding the freeze construction being carried out safely and smoothly.The general situation of restoration project,the principle,composition,detection method and temperature measuring optical cable structure of the distributed fiber temperature detection system are introduced in detail.Field measured data is given,which has large quantities of datas and can reflect the actual development status of freezing wall comprehensively and intuitively compared with the traditional thermometer hole data.System structure is simple and flexible,also the detection method has certain promotional value.

distributed fiber temperature detection；freezing method；longitudinal temperature detection；restoration project

2015—01—07

安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A103)；地方高校省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201310361209)

10.13873/J.1000—9787(2015)04—0155—03

TD 265

A

1000—9787(2015)04—0155—03

鄭曉亮(1979-)，男，安徽淮南人，博士研究生，副教授，主要從事煤礦安全自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)監(jiān)控方面的教學(xué)和科研工作。