面向地熱溫度動態(tài)監(jiān)測的光纖實時傳輸技術應用研究

摘"要：在開發(fā)利用地熱資源過程中，為達到采灌均衡，需要對地熱溫度開展動態(tài)監(jiān)測。文章基于分布式光纖實時傳輸技術，對雄安新區(qū)地熱井進行動態(tài)監(jiān)測，揭示熱儲層溫度及其動態(tài)演化特性。研究結果表明，光纖實時傳輸技術能夠顯著提高地熱溫度監(jiān)測的效率和精度，為地熱資源的勘探與開發(fā)提供了有力的技術支持。地熱井地溫梯度可以達到5.33℃·（100 m）^-1，具有良好的地熱條件。由于非供暖期熱恢復特性，儲層溫度會有一定上升，然后趨于穩(wěn)定。從光纖監(jiān)測的儲層深度和時間演化方面，儲層熱量受其他地熱群井開采的影響，其溫度在供暖期會下降。該光纖實時傳輸技術可以實現動態(tài)測溫的低成本和高效率，可以進一步推廣到其他地熱田監(jiān)測。

關鍵詞：地熱能；光纖測溫；非供暖期；雄安新區(qū)；溫度演化

Application of real-time fiber optic transmission technology for dynamic monitoring of geothermal temperature

LIU Qingxiao

（Beijing Institute of Geological， Beijing 100195， China）

Abstract： In order to balance between extraction and injection of geothermal resources during development and utilization， dynamic monitoring of geothermal wells is required. Based on distributed optical fiber real-time transmission technology， this study conducts dynamic monitoring of geothermal wells in Xiong'an New Area to reveal the characteristics of temperature and dynamic evolution for thermal reservoirs. The research results show that optical fiber real-time transmission technology can significantly improve the efficiency and accuracy of geothermal temperature monitoring， thus providing powerful support for the development of geothermal energy. The geothermal gradient of the geothermal well can reach 5.33℃/100， thus with good geothermal conditions. Due to the thermal recovery characteristics during the non-heating period， the reservoir temperature will first rise to a certain extent and then stabilize. From the perspective of reservoir depth and time evolution monitored by optical fiber， the temperature of the reservoir will decrease during the heating period due to the exploitation of other geothermal wells. This optical fiber real-time transmission technology can achieve low-cost and high-efficiency for dynamic temperature measurement， and can be further extended to other geothermal field monitoring.

Keywords： geothermal energy; fiber optic temperature measurement; non-heating period; Xiong'an New Area; temperature evolution

地熱資源，作為地球內部儲存的巨大熱能，具有極高的經濟價值，是可再生能源領域的重要組成部分（王貴玲等，2020）。近年來，隨著全球能源危機和環(huán)境問題的加劇，地熱資源的開發(fā)利用受到了越來越多的關注（Sharmin et al.，2023）。地熱資源的勘探和開發(fā)過程面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中一個關鍵問題是如何實現對地熱溫度的動態(tài)監(jiān)測（王卓卓，2021），以便準確掌握其動態(tài)變化規(guī)律，為科學開發(fā)和合理利用提供有力支持（殷肖肖等，2024）。

傳統(tǒng)的地溫監(jiān)測方法，如鉆探、地球物理勘探等，雖然取得了一定的成效，但也存在著諸多局限性（程宇等，2024）。這些方法通常成本高昂、操作復雜，且難以實現對地溫的實時、連續(xù)監(jiān)測。因此，探索新的監(jiān)測技術，提高監(jiān)測的效率和準確性，成為地熱資源研究領域亟待解決的問題（Ma Jingchen et al.，2024）。光纖傳感技術作為一種新興的監(jiān)測技術，以其高精度、高靈敏度、抗干擾能力強等優(yōu)點，在地熱資源監(jiān)測領域展現出廣闊的應用前景。特別是光纖實時傳輸技術，能夠實現數據的快速、準確傳輸，為地熱資源的實時監(jiān)測提供了強有力的技術支撐（張輝等，2023）。

自20世紀90年代以來，隨著光纖傳感技術和解譯技術不斷進步，其在國際地熱開發(fā)中的應用越來越廣泛。1996 年，加拿大首次實現了安裝光纖傳感器進行溫度分布測量，將光纖下入地熱生產井，進行供暖前后一定時間段地溫監(jiān)測，分析地熱開發(fā)利用后地溫恢復情況。1997年，法國、德國、冰島、美國、日本等也開始使用光纖測試系統(tǒng)，將光纖下入專門監(jiān)測井，開始進行供暖前后一定時間段地溫監(jiān)測，在一定時段分析地熱資源開發(fā)利用對地溫場的影響（Brown，2010；IKEDA Naotsugu et al.，2003）。1999年，英國將光纖下入專門監(jiān)測井并開展長期連續(xù)監(jiān)測，分析地熱資源開發(fā)利用對地溫的影響。我國開展地熱資源動態(tài)監(jiān)測工作的城市主要有北京、天津、重慶、雄安新區(qū)以及山東、陜西、河南、廣東、福建省部分地區(qū)，監(jiān)測內容以水位、水量、水溫、水化學為主（史啟朋等，2023；方鵬飛等，2021；王偉，2022）。其中，北京、天津和雄安新區(qū)分別針對自身地熱地質條件出臺了監(jiān)測規(guī)范規(guī)程，建立了較完善的地熱監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測技術水平較高（馬峰等，2023）。然而，地熱監(jiān)測手段以傳統(tǒng)的井下溫度計方式定期測量，對于溫度的實時反饋和井下熱恢復過程不能很好地反映，因此開展面向地熱資源動態(tài)監(jiān)測的光纖實時傳輸技術應用研究具有重要的理論價值和實踐意義。

本文采用分布式光纖實時傳輸技術，對雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)地熱井進行地溫動態(tài)監(jiān)測。該項技術在國內屬于首次應用于水熱型地熱采灌條件下地溫長期實時監(jiān)測。通過對地溫的實時監(jiān)測，可以更加準確地掌握地熱資源變化情況，為地熱資源的合理規(guī)劃和開發(fā)利用提供科學依據。同時，該技術還可以為地熱資源的保護和管理提供有力支持，促進地熱資源的可持續(xù)利用。

1 "研究區(qū)概況

1.1 "地質概況

研究區(qū)位于雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)，根據地熱井完井報告及區(qū)域地層資料，地熱井自上而下鉆遇地層為第四系、新近系明化鎮(zhèn)組和薊縣系霧迷山組（余鳴瀟等，2023；王永波等，2016）。

1）第四系（Q）

根據地熱井完井報告，地熱井第四系埋深在372.9～444 m，與區(qū)域地層沉積規(guī)律相符。該層為一套灰黃色、棕黃色亞黏土，亞砂土及灰白色中細砂河湖相沉積物，結構松散。

2）新近系明化鎮(zhèn)組（Nm）

該層巖性為黃褐、棕褐、棕紅帶紫色泥巖、砂質泥巖與灰綠、淺灰、深灰色細砂巖、粉細砂巖、粉砂巖、中細砂巖、砂巖不等厚互層，為河湖相沉積物，底板埋深約900 m，沉積厚度約500 m。

3）薊縣系霧迷山組（Jxw）

該層巖性為碳酸鹽巖地層，主要包括灰?guī)r和白云巖。該類地層的主要容水空間是裂縫和溶蝕孔洞。頂板埋深約900 m，揭露厚度約為300 m，儲厚比為30%。

1.2 "地熱特征

薊縣系霧迷山組為地熱利用熱儲層，巖性為燧石結核條帶白云巖，致密堅硬。該儲層巖溶裂隙較發(fā)育，頂板埋深約900 m，揭露厚度為200 ～ 300 m。巖溶裂隙發(fā)育段占地層厚度的30%左右，出水溫度80℃左右，出水量約80 m³·h^-1，水化學類型為Cl-Na型，pH為7 ～ 8，總礦化度3 000 mg·L^-1左右。

1.3 "監(jiān)測井特征

研究區(qū)地熱井包含開采井、回灌井和監(jiān)測井（圖1），地熱井的類型均為水熱型地熱井。根據實際采灌情況，本次研究考慮兩采兩灌，其中X193號回灌井和X195號開采井為一對井，X192號回灌井和X190號開采井為一對井。監(jiān)測井編號為R059，深度為1 285 m。在兩對采灌井動態(tài)開采過程中，實時監(jiān)測RO59號井溫度的動態(tài)變化。

2 "光纖實時傳輸技術應用

2.1 "光纖監(jiān)測原理及方法

光纖傳輸技術是一種利用光的傳輸媒介進行信息傳輸的技術。光纖具有傳輸速度快、傳輸距離遠、帶寬大、抗干擾能力強等優(yōu)點，因此在通信、數據傳輸、網絡連接等領域有著廣泛的應用。以該項技術為核心研發(fā)的分布式光纖測溫裝置是一款連續(xù)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)，它采用先進的OTDR技術和Raman散射光對溫度敏感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度變化，實現真正分布式的測量，其技術原理主要由拉曼散射原理和光時域反射（OTDR）原理構成（趙曉鷹等，2019）。

2.2 "光纖監(jiān)測設備

全井溫度監(jiān)測設備包括深井分布式光纖測溫系統(tǒng)和測溫光纜。DBDTS-2000型深井分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種用于實時測量空間溫度的傳感系統(tǒng)，在系統(tǒng)中光纖既是傳感介質也是傳輸媒體。利用光纖的拉曼光譜效應，光纖所處空間各點溫度場調制了光纖中傳輸的光載波，經解調后實時地顯示光纖所在空間的溫度值；利用光時域反射（OTDR）技術，由光纖中的光傳播速度和背向光回波時間，可對所測各溫度點定位，如圖2所示。

GX-W-1B1-1A1a-GBB-8.0型測溫光纜采用雙層鋼絲鎧裝（圖3），保證足夠的抗拉伸能力，內置多層不銹鋼管和內護層有效保護纖芯，外護層光滑耐摩擦，減少上體、下方阻力，其溫度測量量程為-30～150℃，精度為±0.5℃。

2.3 "動態(tài)監(jiān)測過程

R059號地熱井底有沉積物堆積，二開臺階嚴重偏心，套管內有橡膠圈、扳手等落物，為保證光纜順利安裝，采用尾端配重、二開變徑位置扶正、垂直入井、井口懸掛的安裝方式安裝全井測溫光纜，安裝示意圖見圖4。通過定制井口承載蓋、光纖滑輪、光纖懸掛裝置和加重桿等，保證光纜固定于井口。

光纖監(jiān)測設備于2023年3月22日安裝，隨即進行校正調試，自2023年3月22日至6月14日，調試期85"d，后進入穩(wěn)定監(jiān)測期。光纖實時測溫設備采樣時間：2023年6月15日至2023年12月10日，共179 d，采樣間隔4 h，垂向采樣密度1 m·點^-1，監(jiān)測深度1"200 m。為驗證該方法監(jiān)測的可靠性和高效性，在監(jiān)測過程中采用地球物理測溫方法同步監(jiān)測。

3 "結果與分析

3.1 "地溫場垂向分布特征

通過對R059號監(jiān)測井中5月份的地球物理測溫數據與光纖測溫數據進行對比，發(fā)現地溫在200 m以淺數據波動較大，不足以說明二者之間的對應關系。故利用光纖測溫數據計算地溫梯度時，第四系平原深度按200～390 m計算，得出地溫梯度為5.33℃·（100 m）^-1，與同范圍內地球物理測溫結果相差1.88℃，表明光纖實時測溫技術在準度上是可靠的（圖5）。

研究區(qū)供暖是季節(jié)性的，每年11月15日到次年3"月15日，在非采暖季可以監(jiān)測到地熱井熱恢復特性。圖6表示R059監(jiān)測井在非采暖季儲層光纖測溫數據演化曲線，可以看出熱儲層地溫整體波動在77.5℃至83.5℃之間。從時間上看，非供暖季地溫較高，主要是因為在此過程中受大地熱流的影響，熱恢復在熱儲層中一直進行，且隨著熱恢復時間的增加，儲層溫度也逐漸增加。從深度上看，1 120 m前后出現明顯溫度拐點，1"120 m以深儲層增溫率降低，說明在非采暖季地溫演化過程中，不同深度大地熱流值不同，受熱恢復效果也有差異。

圖7表示R059監(jiān)測井在供暖季光纖測溫演化曲線，可以看出在采暖季，儲層地溫整體波動在66.0℃至74.0℃之間，較非供暖季波幅降低10℃左右，主要是受兩對采灌井在供暖季開采回灌的影響，熱量被地面建筑物利用。其地溫隨深度的變化趨勢與非采暖季相近，供暖期地層增溫率基本一致。采暖季儲層地溫波動幅度比非采暖季小，主要是因為R059號監(jiān)測井距離采灌井有一定距離，在供暖季會對監(jiān)測井熱儲層溫度產生影響，其受大地熱流的影響程度不如非供暖季高。

3.2 "溫度場動態(tài)演化特征

在非采暖季中期（7月15日）、末期（10月10日），采暖季初期（12月5日），分別選取蓋層淺部（350 m）、中部（750 m）以及儲層淺部（1 115 m）、中部（1"150"m）、深部（1 180 m）地溫數據，分析地溫動態(tài)特征。從圖8表示R059井溫度隨深度演化曲線，可以看出非采暖季蓋層增溫率略大，接近儲層部位增溫率升高，進入儲層后增溫率降低。進入采暖季后，蓋層、儲層增溫率與非供暖季末期變化規(guī)律基本一致，表明在地熱資源開發(fā)利用過程中，由于該地地溫條件良好，對遠端的地溫影響較小。

熱蓋層溫度演化反應出研究區(qū)“熱毯”作用，其溫度的變化對于熱儲層保溫效果有較大影響。對于R059號監(jiān)測井，非供暖季中期蓋層淺部（第四系）及蓋層中部（明化鎮(zhèn)組上段）地溫波幅較小，地溫變化較為穩(wěn)定，波幅為2 ～ 3℃。供暖季開始后，受地熱開采和大地熱流的共同影響，蓋層淺部地溫波動明顯，但相對穩(wěn)定在35℃上下，蓋層中部整體地溫延續(xù)非供暖季變化趨勢，延續(xù)波動，相對穩(wěn)定在58℃上下，如圖9所示。

對于熱儲層，供暖季開始后，地溫呈下降趨勢，如圖10所示。主要是因為隨著供暖期開始，儲層熱量被快速提取，其熱流來不及補償，溫度會有一定降低。因此，綜合地溫動態(tài)監(jiān)測結果，從空間角度分析，蓋層、儲層各層段地溫變化趨勢基本一致。從時間角度分析，采暖季同深度蓋層地溫變化相對穩(wěn)定，儲層地溫呈下降趨勢。

4 "結論

通過對雄安新區(qū)地熱群井采灌過程中進行開發(fā)利用，基于光纖實時傳輸溫度監(jiān)測技術，分析了地熱監(jiān)測井供暖季和非供暖季溫度場動態(tài)演化規(guī)律，明確了光纖實時傳輸技術在地熱資源開發(fā)利用中的應用價值，得出結論如下：1）通過對地溫監(jiān)測數據分析，數據穩(wěn)定性和可靠性較強，利用光纖實時傳輸技術進行地溫場動態(tài)監(jiān)測是可行的。2）光纖實時傳輸技術可以在時間和空間上得到對應的井溫數據，地溫梯度為5.33 ℃·（100 m）^-1。3）非采暖季熱蓋層地溫整體變化穩(wěn)定，熱儲層地溫趨于穩(wěn)定，受熱恢復影響增溫率相對高，后期地溫逐漸趨于穩(wěn)定。4）從空間角度分析，蓋層、儲層各層段地溫變化趨勢基本一致；從時間角度分析，采暖季期間，同深度蓋層地溫變化較為穩(wěn)定，儲層地溫呈下降趨勢。

參考文獻

程宇，杜朝波，申云飛，2024.河南省地熱資源監(jiān)測技術研究［J］.四川有色金屬（2）：45-48.

方鵬飛，高翔，婁揚，張日紅，謝新宇，王忠瑾，朱大勇，"2021.夏季工況下正常服役地熱能源樁承載性能原位試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，40（5）：1 032-1 042.

馬峰，高俊，王貴玲，劉桂宏，余鳴瀟，趙志宏，劉金俠，"2023.雄安新區(qū)容城地熱田碳酸鹽巖熱儲采灌數值模擬［J］.吉林大學學報（地球科學版），53（5）：1 534-1 548.

史啟朋，譚現鋒，孟甲，鄭慧銘，張茜，劉肖，宋帥良，杜穎，"2023.碳酸鹽巖熱儲抽灌井光纖測溫及地溫變化研究［J］.高校地質學報，"29（5）：756-765.

王貴玲，劉彥廣，朱喜，張薇，"2020.中國地熱資源現狀及發(fā)展趨勢［J］.地學前緣，"27（1）：1-9.

王偉，"2022.深層U型地熱井仿真模擬及取熱性能研究［J］.太陽能學報，43（7）："477-484.

王永波，丁文萍，田月，王婧，丁蕊，2016.河北牛駝鎮(zhèn)地熱田高溫地熱水成因分析［J］.城市地質，11（3）：59-64.

王卓卓，2021.中深層水熱型地熱資源環(huán)境承載力評價系統(tǒng)及建立方法［J］.城市地質，16（2）：147-155.

殷肖肖，趙蘇民，蔡蕓，閆佳賢，許磊，2024.近三十年天津市地熱大規(guī)模開發(fā)熱儲動態(tài)特征研究［J］.地質學報，98（1）："297-313.

余鳴瀟，馬峰，王貴玲，張薇，朱喜，張漢雄，王延欣，"2023.雄安新區(qū)容東片區(qū)地熱資源賦存特征及潛力評價［J］.地球學報，"44（1）：180-190.

張輝，呂慶田，張毅，劉振東，李巧靈，陳進，李立勝，"2023.光纖布拉格光柵（FBG）和分布式聲波傳感器（DAS）在地學中的應用進展及發(fā)展方向［J］.地球物理學進展，38（3）："1 416-1 454.

趙曉鷹，"2019.分布式感溫光纖測溫原理及其在油罐上的應用［J］.化工自動化及儀表，46（2）：104-106.

Brown G，"2010.利用光纖技術測量井下溫度［J］.國外測井技術（4）：66-69.

IKEDA NAOTSUGU，聶彥新，樊興波，郭國民，"2003.光纖實時溫度剖面測井在確定儲層地溫中的應用［J］.國外測井技術，"18（5）：33-37.

MA Jingchen，"LIU Zhe，"WANG Zhi，"GUO Shuai，"LIU Xian，"HUANG Yibin，"2024. The Influence of Different Mining Modes on the Heat Extraction Performance of Hydrothermal Geothermal Energy ［J］. Energies，"17（8）：1 922.

Sharmin Tasnuva，"et al.，"2023. A State-of-the-Art Review on Geothermal Energy Extraction，"Utilization，"and Improvement Strategies："Conventional，"Hybridized，"and Enhanced Geothermal Systems ［J］. International Journal of Thermofluids，"18："100323.