CN106121635B - 用于干热岩深井的分布式温度测试系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于干热岩深井的分布式温度测试系统和方法。所述系统包括分布式光纤温度采集装置、测井绞车、下井装置和测温光缆；其中，分布式光纤温度采集装置用于完成测温光缆沿线温度的采集与数据处理；测井绞车用于测温光缆的收纳和运输，也用于提供测温光缆定深、匀速下井和收缆的动力源；下井装置用于实现测温光缆下井和收缆的机械固定与导向；测温光缆是温度传感元件和数据传输通道。所述系统和方法实现了干热岩深井的分布式温度测量，具有耐高温高压、抗电磁干扰和不受复杂几何空间等恶劣环境的限制等特点。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感探测技术，尤其涉及一种用于干热岩深井的分布式温度探测系统。
背景技术
“十二五”期间实施的全国地热资源调查评价表明，我国干热岩资源丰富，节能减排效益显著，勘查开发前景广阔。“十三五”期间，需要进一步开展干热岩资源调查评价，逐步查明重点地区地热资源分布，评价地热资源量、可开采资源量和开采潜力，圈定若干具有勘查前景和发电、供热潜力的干热岩目标区，开展干热岩地热资源勘查和试验，开发基地建设，探索干热岩资源作为未来接替能源的可行性，形成我国干热岩地热资源勘查开发技术支撑体系。
干热岩是指埋藏于距地表2～6km深处、温度为150～650℃、无裂隙、没有水或蒸汽的热岩体。与核能(裂变和聚变)、太阳能、其他可再生能源相比，干热岩资源具有资源和潜力巨大、广泛分布、开发利用对环境影响小、相对安全、利用效率高、成本低等突出优点。
现有地球物理测井技术中使用热电偶、热敏电阻(铂电阻)、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器等，上述设备在测量范围内精度高，灵敏度好，一直作为温度测试研究的重要手段。但是，由于其只能实现点式测温，工程应用受到限制。干热岩深孔测试中，为了更好地把握深孔地热分布情况，需要实现全孔分布式温度测试。本发明使用分布式光纤温度测试技术，是对传统孔中测温方法的一次革新，仅利用一根光缆实现温度传感和信号传输，同时光缆具有抗电磁干扰、耐腐蚀和耐高温等特性，适合干热岩孔的温度测量。随着我国对新能源、清洁能源开发利用的不断重视，利用光纤传感技术的地层温度测试可实现快速、准确、实时的数据获取与分析，具有重要的应用前景。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于干热岩深井的分布式温度测试系统和方法，用以解决现有方法只能实现点式测温的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
提供一种用于干热岩深井的分布式温度测试系统，系统包括：分布式光纤温度采集装置、测井绞车、下井装置、测温光缆；其中，分布式光纤温度采集装置用于完成测温光缆沿线温度的采集与数据处理；测井绞车用于测温光缆的收纳和运输，也用于提供测温光缆定深、匀速下井和收缆的动力源；下井装置用于实现测温光缆下井和收缆的机械固定与导向；测温光缆是温度传感元件和数据传输通道。
其中，所述分布式光纤温度采集装置包括脉冲光源模块、波分复用模块、光纤环模块、光电转换模块、高速数据采集模块、微控制模块、工控机、输入输出模块和电源模块；其中，微控制模块通过串口与工控机和脉冲光源模块控制端相连，脉冲光源模块输出高脉冲激光信号，激光进入波分复用模块输入端接口，波分复用模块的输出端包含接口1、接口2、接口3，接口1与光纤环模块连接，光纤环模块与测温光缆4连接；接口2和3分别接入光电转换模块的两个输入端，光电转换模块输出端连接两通道的高速数据采集模块的两个输入端口，高速数据采集模块由光源同步脉冲控制，高速数据采集模块通过PCI接口接入工控机，由工控机进行数据解译与存储。
所述测井绞车包括集流环、滚筒、排缆装置、深井计数码盘、变速箱、电机和控制器；其中，集流环用于实现从固定位置向旋转电机提供电能；滚筒用于测温光缆的缠绕与归纳；排缆装置用于完成测温光缆的顺序、分层排列；深井计数码盘用于对下井深度计数；变速箱用于实现下井速度的阶段性变化；电机在控制器、变速箱的控制下带动滚筒旋转，实现测温光缆的放与收；控制器用于控制测井绞车的启动、停止、速度控制和下井深度显示。
所述下井装置包括井口稳定平台、天地轮、扶正器和配重物；其中，井口稳定平台用于固定井口和天地轮相对位置；天地轮为可拆卸的固定在井口稳定平台上的定滑轮，用于实现测温光缆水平和铅锤向下井的方向转换；扶正器固定于配重物上，保持配重物在干热岩深井变径位置处处于孔内居中状态；配重物固定于测试光缆最前端，使测温光缆垂直向下，可以根据干热岩孔不同时期、不同泥浆比例设计多组配重物。
所述测温光缆采用62.5/125多模耐高温纤芯，外敷耐高温涂覆层和不锈钢管，不锈钢管内充填纤膏，光缆外层由钢丝铠装保护。
本发明还提供一种采用上述分布式温度测试系统的用于干热岩深井的分布式温度测试方法，包括以下步骤：
在干热岩钻孔停钻期间或成孔后，通过测井绞车和下井装置，将测温光缆测量端下井到孔内指定测量深度，测温光缆另一端连接分布式光纤温度采集装置；
启动地面上的分布式光纤温度采集装置，由装置中的脉冲光源模块发射激光；激光经过波分复用模块，接着进入光纤环模块，再进入测温光缆中；
在测温光缆中，激光会发生后向散射，生成斯托克斯光和反斯托克斯光，两束不同波长的光沿测温光缆原路返回；
斯托克斯光和反斯托克斯光再依次经过光纤环模块和波分复用模块，在波分复用模块中分离，分别进入光电转换模块进行光电转换，形成两个不同强度的电信号；转换后的电信号经过高速数据采集模块进行采集和处理，再进入工控机进行解调分析，并通过输入输出模块进行参数输入与数据展示。
转换后的电信号经过高速数据采集模块进行采集和处理进一步包括：采用数字累加平均完成信号的重复叠加。
所述工控机中进行的解调分析是指温度解算和温度点定位；温度解算还包括根据不同的孔内介质，换算干热岩温度。
将光纤环模块中的光纤环与铂电阻温度传感器一同放入密室中，由铂电阻温度传感器快速测量光纤环周围的温度变化，取代分布式光纤温度采集装置所测量数据中光纤环段数据的温度，得出在环境温度相对稳定、测温光缆松弛、无续接情况下的光纤测量数据，以用于测温光缆数据的实时温度校准。
本发明有益效果如下：通过测温光缆和分布式光纤温度采集装置，实现了干热岩深井的分布式温度测量和解算，测温光缆的设计具有耐高温高压、抗电磁干扰和不受复杂几何空间等恶劣环境的限制等特点，解决现有点式测温方法不准确的问题。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例公开的干热岩深井的分布式温度测试系统的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的干热岩深井分布式温度测试方法的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
根据本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种用于干热岩深井的分布式温度测试系统，包括分布式光纤温度采集装置1、测井绞车2、下井装置3、测温光缆4。
其中，分布式光纤温度采集装置1是完成测温光缆4沿线温度的采集与数据处理装置；测井绞车2可用于测温光缆4的收纳和运输，也提供测温光缆4定深、匀速下井和收缆的动力源；下井装置3是实现测温光缆下井和收缆的机械固定与导向装置；测温光缆4是温度传感元件和数据传输通道。
所述分布式光纤温度采集装置1包括：脉冲光源模块、波分复用模块、光纤环模块、光电转换模块、高速数据采集模块、微控制模块、工控机、输入输出模块和电源模块。其中，微控制模块通过串口与工控机和脉冲光源模块控制端相连，脉冲光源模块输出高脉冲激光信号，进入波分复用模块输入端接口，波分复用模块的输出端包含接口1、接口2、接口3，接口1与光纤环模块连接，光纤环模块与测温光缆4连接；接口2和3分别接入光电转换模块的两个输入端，光电转换模块输出端连接两通道的高速数据采集模块的两个输入端口，高速数据采集模块由光源同步脉冲控制，高速数据采集模块通过PCI接口接入工控机，工控机进行数据解译与存储。
所述测井绞车2，包括集流环、滚筒、排缆装置、深井计数码盘、变速箱、电机和控制器。其中，集流环可实现从固定位置向旋转电机提供电能，实现动力输出；滚筒上带有与测温光缆相匹配的线径槽，用于测温光缆的缠绕与归纳；排缆装置完成测温光缆的顺序、分层排列；深井计数码盘用于对下井深度计数；变速箱可根据不同下井深度表现出的不同重力载荷实现下井速度的阶段性变化；电机在控制器、变速箱的控制下带动滚筒旋转，实现测温光缆的“放”与“收”；控制器为人机交互装置，可以实现测井绞车的启动、停止、速度控制和下井深度显示等。
所述下井装置3，包括井口稳定平台、天地轮、扶正器和配重物，用于使测温光缆到达深孔指定位置。其中，井口稳定平台用于固定井口和天地轮相对位置；天地轮是可拆卸的固定在井口稳定平台上的定滑轮，用于实现测温光缆水平和铅锤向下井的方向转换；扶正器固定于配重物上，用于保持配重物在干热岩深井变径位置处处于居中状态，防治卡、堵现象；配重物固定于测试光缆最前端，配重物根据干热岩孔不同钻探时期、不同泥浆比例设计多组，主要用于抵抗干热岩深井中泥浆产生的浮力，使测温光缆垂直向下。其中，受地热梯度影响，根据深度温度的不同，选择不同的扶正器；例如，在240℃以下，选择聚四氟乙烯这种耐高温橡胶材料制成的橡胶扶正器；在测量深度接近5000m、最高温度达到350℃时，采用灯笼状半刚性扶正器。
所述测温光缆4是温度传感元件和数据传输通道，采用62.5/125多模耐高温纤芯，外敷耐高温涂覆层和松套304不锈钢管，管内充填纤膏，光缆外层由钢丝铠装保护，具有低线胀系数，可抗拉伸和防止下井过程中的机械创伤等。该测温光缆利用测井绞车2和下井装置3放入到干热岩深孔中的指定位置，用于实现温度均匀测试并能够对纤芯进行有效保护。
根据本发明的另一个具体实施例，公开了一种采用上述分布式温度测试系统的用于干热岩深井的分布式温度测试方法，如图2，具体包括以下步骤：
在干热岩钻孔停钻期间或成孔后，通过测井绞车和下井装置，将测温光缆测量端下井到钻孔指定测量深度，测温光缆另一端连接地面上的分布式光纤温度采集装置。
启动地面上的分布式光纤温度采集装置，由装置中的脉冲光源模块发射激光；该激光从波分复用模块的输入端口输入，再从波分复用模块的输出端口输出；接着进入光纤环模块首端，从光纤环模块末端输出，进入测温光缆中；在测温光缆中，激光会发生后向散射，生成斯托克斯光和反斯托克斯光；两束不同波长的光沿测温光缆原路返回；斯托克斯光和反斯托克斯光进入光纤环模块末端，从光纤环模块首端输出，再经过波分复用模块的输出端口输入，在波分复用模块中实现斯托克斯光和反斯托克斯光的分离，从波分复用模块的另外两个输出端口输出，分别进入光电转换模块进行光电转换，形成两个不同强度的电信号；转换后的微弱电信号经过高速数据采集模块进行采集和处理，所述处理包括通过数字累加平均技术(BOXCAR)的微弱信号处理方法，完成信号的重复叠加，以降低随机噪声，经过上述处理后进入工控机进行软件解调分析，通过输入输出模块进行参数输入与数据展示。其中，数字累加平均根据精度需求，至少需要百次以上的累加，累加次数越多，则测量周期越长。
实际测试中因孔内介质不同，将直接影响测温光缆纤芯与孔内介质温度达到平衡的时间，因此需通过实时数据采集确定(在孔内无其他外界温度干扰下的)测温光缆纤芯温度与干热岩深孔内介质温度平衡时间。所述平衡时间是指达到测量温度基本保持不变时所需的时间，一般一小时左右。平衡后的温度可认为是干热岩孔内介质的实际温度，平衡时间后，高速数据采集模块采集的数据才用于温度解算。
上述工控机中进行的解调分析是指温度解算和温度点定位。通过对比不同位置点处斯托克斯光和反斯托克斯光，实现温度的解算。具体地是将对温度不敏感的斯托克斯光强作为参考值，将携带温度信息的反斯托克斯光强作为信号值，通过计算两者光强的比值，解调出温度信息。如在干热岩钻探中途停钻时测温，可根据孔内介质的温度传导相关参数，换算出干热岩温度。对于干热岩钻孔成孔时间较长，且孔内介质为空气或其他均匀介质，则平衡后的温度即为干热岩钻孔的实际温度分布。
温度点定位是利用光在光缆中的传输速率和背向拉曼散射光(斯托克斯光和反斯托克斯光)的回波时间，通过光时域反射技术(OTDR)确定散射信号对应的位置，以对温度点进行定位。根据上述解算和定位实现了温度场的分布式测量。
优选的，波分复用模块和测温光缆之间设置的光纤环模块包括指定长度的光纤环，即为与测温光缆同型号的裸纤，100m盘绕并保持松弛状态。将光纤环与高精度铂电阻温度传感器(Pt1000)一同放入密室中，以减少测试过程与外界环境的接触。通过高精度铂电阻温度传感器可以快速测量光纤环周围真实温度变化，用于取代分布式光纤温度采集装置所测量数据中光纤环段数据的温度，得出在环境温度相对稳定、测温光缆松弛、无续接情况下的光纤测量数据，可用于孔内测温光缆数据的实时温度校准。
综上所述，本发明实施例提供的分布式温度测试方法和系统，实现了干热岩深井的分布式温度测量，具有耐高温高压、抗电磁干扰和不受复杂几何空间等恶劣环境的限制等特点，同时随着测温深度的增加，单位信息的获取成本大大降低，对干热岩勘察、开采中的深井、水平井、岩层裂隙等精细化温度测量提供了一种有效的监测技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于干热岩深井的分布式温度测试系统，其特征在于，包括：分布式光纤温度采集装置、测井绞车、下井装置、测温光缆；其中，分布式光纤温度采集装置用于完成测温光缆沿线温度的采集与数据处理；测井绞车用于测温光缆的收纳和运输，也用于提供测温光缆定深、匀速下井和收缆的动力源；下井装置用于实现测温光缆下井和收缆的机械固定与导向；测温光缆是温度传感元件和数据传输通道；
所述分布式光纤温度采集装置包括光纤环模块；使用时，首先将光纤环模块中的光纤环与铂电阻温度传感器一同放入密室中，由铂电阻温度传感器快速测量光纤环周围的温度变化，取代分布式光纤温度采集装置所测量数据中光纤环段数据的温度，得出在环境温度相对稳定、测温光缆松弛、无续接情况下的光纤测量数据，用于测温光缆数据的实时温度校准；所述光纤环模块采用与测温光缆同型号的裸纤，盘绕并保持松弛状态；
所述测井绞车，包括滚筒、变速箱、电机和控制器；其中，滚筒用于测温光缆的缠绕与归纳；变速箱用于实现下井速度的阶段性变化；电机在控制器、变速箱的控制下带动滚筒旋转，实现测温光缆的放与收；控制器用于控制测井绞车的启动、停止、速度控制和下井深度显示；
所述下井装置包括扶正器和配重物；其中，扶正器固定于配重物上，保持配重物在干热岩深井变径位置处处于居中状态；配重物固定于测试光缆最前端，使测温光缆垂直向下；根据深度温度的不同，选择不同的扶正器，在240℃以下，采用聚四氟乙烯橡胶材料制成的橡胶扶正器；在测量深度接近5000m、最高温度达到350℃时，采用灯笼状半刚性扶正器；
所述测温光缆采用62.5/125多模耐高温纤芯；通过实时数据采集确定测温光缆纤芯温度与干热岩深孔内介质温度平衡时间，平衡时间后，高速采集模块采集的数据才用于温度解算。
2.根据权利要求1所述的分布式温度测试系统，其特征在于，所述分布式光纤温度采集装置还包括脉冲光源模块、波分复用模块、光电转换模块、高速数据采集模块、微控制模块、工控机、输入输出模块和电源模块；其中，微控制模块通过串口与工控机和脉冲光源模块控制端相连，脉冲光源模块输出高脉冲激光信号，激光进入波分复用模块输入端接口，波分复用模块的输出端包含接口1、接口2、接口3，接口1与光纤环模块连接，光纤环模块与测温光缆连接；接口2和3分别接入光电转换模块的两个输入端，光电转换模块输出端连接两通道的高速数据采集模块的两个输入端口，高速数据采集模块由光源同步脉冲控制，高速数据采集模块通过PCI接口接入工控机，由工控机进行数据解译与存储。
3.根据权利要求1所述的分布式温度测试系统，其特征在于，测井绞车还包括集流环、排缆装置、深井计数码盘；其中，集流环用于实现从固定位置向旋转电机提供电能；排缆装置用于完成测温光缆的顺序、分层排列；深井计数码盘用于对下井深度计数。
4.根据权利要求1所述的分布式温度测试系统，其特征在于，下井装置包括井口稳定平台、天地轮；其中，井口稳定平台用于固定井口和天地轮相对位置；天地轮是可拆卸的固定在井口稳定平台上的定滑轮，用于实现测温光缆水平和铅锤向下井的方向转换。
5.根据权利要求4所述的分布式温度测试系统，其特征在于，根据干热岩孔不同时期、不同泥浆比例设计多组配重物。
6.根据权利要求1所述的分布式温度测试系统，所述测温光缆的62.5/125多模耐高温纤芯外敷耐高温涂覆层和不锈钢管，不锈钢管内充填纤膏，光缆外层由钢丝铠装保护。
7.一种采用权利要求1-6之一所述分布式温度测试系统的干热岩深井分布式温度测试方法，其特征在于，包括下述步骤：
在干热岩钻孔停钻期间或成孔后，通过测井绞车和下井装置，将测温光缆测量端下井到孔内指定测量深度，测温光缆另一端连接分布式光纤温度采集装置；所述测温光缆采用62.5/125多模耐高温纤芯；所述测井绞车，包括滚筒、变速箱、电机和控制器；其中，滚筒用于测温光缆的缠绕与归纳；变速箱用于实现下井速度的阶段性变化；电机在控制器、变速箱的控制下带动滚筒旋转，实现测温光缆的放与收；控制器用于控制测井绞车的启动、停止、速度控制和下井深度显示；所述下井装置包括扶正器和配重物；其中，扶正器固定于配重物上，保持配重物在干热岩深井变径位置处处于居中状态；配重物固定于测试光缆最前端，使测温光缆垂直向下；根据深度温度的不同，选择不同的扶正器，在240℃以下，采用聚四氟乙烯橡胶材料制成的橡胶扶正器；在测量深度接近5000m、最高温度达到350℃时，采用灯笼状半刚性扶正器；
启动地面上的分布式光纤温度采集装置，由装置中的脉冲光源模块发射激光；激光经过波分复用模块，接着进入光纤环模块，再进入测温光缆中；
在测温光缆中，激光会发生后向散射，生成斯托克斯光和反斯托克斯光，两束不同波长的光沿测温光缆原路返回；
斯托克斯光和反斯托克斯光再依次经过光纤环模块和波分复用模块，在波分复用模块中分离，分别进入光电转换模块进行光电转换，形成两个不同强度的电信号；转换后的电信号经过高速数据采集模块进行采集和处理，再进入工控机进行解调分析，并通过输入输出模块进行参数输入与数据展示，通过实时数据采集确定测温光缆纤芯温度与干热岩深孔内介质温度平衡时间，平衡时间后，高速采集模块采集的数据才用于温度解算；
将光纤环模块中的光纤环与铂电阻温度传感器一同放入密室中，由铂电阻温度传感器快速测量光纤环周围的温度变化，取代分布式光纤温度采集装置所测量数据中光纤环段数据的温度，得出在环境温度相对稳定、测温光缆松弛、无续接情况下的光纤测量数据，用于测温光缆数据的实时温度校准；所述光纤环模块采用与测温光缆同型号的裸纤，盘绕并保持松弛状态。
8.根据权利要求7所述的分布式温度测试方法，其特征在于，所述转换后的电信号经过高速数据采集模块进行采集和处理进一步包括：采用数字累加平均完成信号的重复叠加。
9.根据权利要求7所述的分布式温度测试方法，其特征在于，所述工控机中进行的解调分析是指温度解算和温度点定位；温度解算还包括根据不同的孔内介质，换算干热岩温度。
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