分布式光纤测温技术在中深层地岩换热器应用研究

高 嵩 戴志清 郭 璞

（1.中国能源建设集团有限公司工程研究院 2.中能建地热有限公司 3.中国能源建设集团科技发展有限公司）

0 引言

地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源，具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点，是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。我国地热资源丰富，地热资源包括浅层地热资源、水热型地热资源（中低温、高温）和干热岩资源［1］。

我国地热能产业正处在能源供需多极化格局越来越清晰，能源结构低碳化趋势越来越明显的当下，随着“碳达峰、碳中和”的目标进一步明确，地热能在能源结构调整、应对气候变化、大气污染治理中将发挥更积极的作用，2020年地热能年利用量7000万吨标准煤，地热能供暖年利用量4000万吨标准煤。京津冀地区地热能年利用量达到约2000万吨标准煤［2］。预计我国到2050年非化石比重占能源消费总量比重超过47%，地热能贡献量约占可再生能源总量的50%［3］。浅层地热能供暖、制冷，热水型地热多能互补综合应用技术快述发展。深层中低温热水型稳定发展，干热岩发电研究与工程实践刚刚起步［4］。中深层地热能的利用目前在世界范围内的研究方兴未艾，主要用于供暖。

深层地岩换热器是在不抽取地下热水的前提下，获得中深层地热能并加以利用，研制深层地岩换热器，建立井管外壁地岩温度、井管内部水温测量模型，完成不同工况下的实际换热能力实验，通过对实测温度数据的分析，结合地下岩石的物理特性建立换热器分段传热数理模型。综上，为实现上述研究，测温方案的研究是十分必要的。

1 测温方案

1.1 测温方案的提出

示范项目中采用中深层地岩换热器外管长度2100～2300m，垂直埋入钻孔中，需要测量不同深度的套管内水温及相应深度的桶外土壤、岩石温度。任何测温部位的温度变化范围在＋5℃到＋90℃之间，测温点最大环境压强为20MPa，测温点间距20m。以一定步长时间为间隔持续测量，并记录全部数据加以存储，为后续数据分析建模提供依据。需要研究选择适当的测温仪器设备、传感器，满足测温要求。

鉴于地下井高温、多水的环境特点和需要连续测温的要求，采用分布式感温光纤测温方式［5］，近年来发展起来的一种实时、在线、多点的温度传感技术，测温范围广（－40℃～＋120℃），可以实时测量温度，感应灵敏、信号回传速度快，比传统的点式测温节省大量的测温仪器和信号放大装置；使用寿命长，尤其在高温、高热、强电磁辐射等恶劣环境下具有特殊优势。

1.2 测温原理

分布式光纤温度传感系统DTS是基于光纤拉曼散射现象。激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用，发生散射，散射光有多种类型，如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等。其中拉曼散射是与光纤分子的热振动相关联的，因而对温度有敏感，可以用来进行温度测量。在光纤中，散射信号是连续的，通过使用高速信号采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔，可以得到拉曼散射光发生的位置，由于拉曼散射光对温度敏感，所以可以沿着光纤测量到相应的温度分布。

图1 为分布式光纤测温系统结构图，在同步控制模块的触发下，激光器发出的光在光脉冲调制器的作用下，形成特定重复频率和宽度的脉冲光。脉冲光通过光耦合器连接到恒温槽和传感光纤上。在脉冲光的传输过程中，不同测试点的散射光信号会有部分沿着传输光路返回至光耦合器。光耦合器会将约50%的拉曼散射光耦合至光处理子系统。

图1 分布式光纤温度传感系统的结构

1.3 测温系统的构成

测温系统硬件框图如图2所示。

图2 测温系统构成框图

系统主要由内管光缆、外管光缆、测温主机、上位机、热能计几大关键部件构成。内管光缆、外管光缆实时测量地层与管内循环水的温度；测温主机调制、解调内（外）管光缆测温信号；上位机数据存储和显示；热能计测量流量及进出口温度，构成原理如图3所示。

图3 流量与温度测量系统构成框图

2 结果与讨论

本项目中光纤光缆需下到约2000m井深，2000m内部工质（水）压强为20MPa，介质（水和土壤）温度不超过100℃，因此压强是对光缆的最苛刻要求。通过热力井测温光缆承受压力演算公式：

压力≤（壁厚×2×钢管材质抗拉强度）／（外径×系数）推算出光缆外径须满足：

外径≤（2×钢管材质抗拉强度×壁厚）／（压力×系数S）

SST钢管焊接拉拔成型做成光缆，SST钢管焊接拉拔成型后抗拉强度890MPa，壁厚0.18mm。经测算，光缆外径小于4.01mm可以从理论上满足抗压20MPa的要求：

外径≤（2×890MPa×0.18mm）／（20MPa×4）＝4.01mm

最终确定光缆SST钢管外径为2.6mm。

根据需要，共有内管和外管两根测温光缆，如图4和图5所示，分层、实时测量地层与管内循环水的动、静态温度（动态指温度渐变过程；静态指前后时刻温差为0，系统稳定）。

图4 内外光缆安装位置示意图

图5 内外光缆空间位置关系示意图

内、外管两根光缆由井口向下敷设至井底，外管测温光缆通过水泥与岩石固结在一起，实现对岩层温度的实时测量，内管光缆插入循环水中，实时测量循环水的温度。

3 结束语

中深层地岩换热器是在不抽取地下热水的前提下，获得中深层地热能并加以利用，本项目依托示范项目开展研究深层地热能情况，研究并提出了应用于中深层地岩换热器的光纤测温系统，建立井管外壁地岩温度、井管内部水温测量方案。通过上述研究证明了中深层地岩换热器采用分布式感温光纤测温的可行性。