摘"要：在開(kāi)發(fā)利用地?zé)豳Y源過(guò)程中，為達(dá)到采灌均衡，需要對(duì)地?zé)釡囟乳_(kāi)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。文章基于分布式光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，對(duì)雄安新區(qū)地?zé)峋M(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，揭示熱儲(chǔ)層溫度及其動(dòng)態(tài)演化特性。研究結(jié)果表明，光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)能夠顯著提高地?zé)釡囟缺O(jiān)測(cè)的效率和精度，為地?zé)豳Y源的勘探與開(kāi)發(fā)提供了有力的技術(shù)支持。地?zé)峋販靥荻瓤梢赃_(dá)到5.33℃·（100 m）^-1，具有良好的地?zé)釛l件。由于非供暖期熱恢復(fù)特性，儲(chǔ)層溫度會(huì)有一定上升，然后趨于穩(wěn)定。從光纖監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)層深度和時(shí)間演化方面，儲(chǔ)層熱量受其他地?zé)崛壕_(kāi)采的影響，其溫度在供暖期會(huì)下降。該光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)溫的低成本和高效率，可以進(jìn)一步推廣到其他地?zé)崽锉O(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：地?zé)崮?；光纖測(cè)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?zé)豳Y源，作為地球內(nèi)部?jī)?chǔ)存的巨大熱能，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是可再生能源領(lǐng)域的重要組成部分（王貴玲等，2020）。近年來(lái)，隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的加劇，地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)利用受到了越來(lái)越多的關(guān)注（Sharmin et al.，2023）。地?zé)豳Y源的勘探和開(kāi)發(fā)過(guò)程面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)地?zé)釡囟鹊膭?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)（王卓卓，2021），以便準(zhǔn)確掌握其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為科學(xué)開(kāi)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(cè)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(fù)雜，且難以實(shí)現(xiàn)對(duì)地溫的實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。因此，探索新的監(jiān)測(cè)技術(shù)，提高監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，成為地?zé)豳Y源研究領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題（Ma Jingchen et al.，2024）。光纖傳感技術(shù)作為一種新興的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以其高精度、高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在地?zé)豳Y源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。特別是光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確傳輸，為地?zé)豳Y源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐（張輝等，2023）。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著光纖傳感技術(shù)和解譯技術(shù)不斷進(jìn)步，其在國(guó)際地?zé)衢_(kāi)發(fā)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。1996 年，加拿大首次實(shí)現(xiàn)了安裝光纖傳感器進(jìn)行溫度分布測(cè)量，將光纖下入地?zé)嵘a(chǎn)井，進(jìn)行供暖前后一定時(shí)間段地溫監(jiān)測(cè)，分析地?zé)衢_(kāi)發(fā)利用后地溫恢復(fù)情況。1997年，法國(guó)、德國(guó)、冰島、美國(guó)、日本等也開(kāi)始使用光纖測(cè)試系統(tǒng)，將光纖下入專(zhuān)門(mén)監(jiān)測(cè)井，開(kāi)始進(jìn)行供暖前后一定時(shí)間段地溫監(jiān)測(cè)，在一定時(shí)段分析地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用對(duì)地溫場(chǎng)的影響（Brown，2010；IKEDA Naotsugu et al.，2003）。1999年，英國(guó)將光纖下入專(zhuān)門(mén)監(jiān)測(cè)井并開(kāi)展長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，分析地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用對(duì)地溫的影響。我國(guó)開(kāi)展地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(cè)內(nèi)容以水位、水量、水溫、水化學(xué)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(duì)自身地?zé)岬刭|(zhì)條件出臺(tái)了監(jiān)測(cè)規(guī)范規(guī)程，建立了較完善的地?zé)岜O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)技術(shù)水平較高（馬峰等，2023）。然而，地?zé)岜O(jiān)測(cè)手段以傳統(tǒng)的井下溫度計(jì)方式定期測(cè)量，對(duì)于溫度的實(shí)時(shí)反饋和井下熱恢復(fù)過(guò)程不能很好地反映，因此開(kāi)展面向地?zé)豳Y源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)應(yīng)用研究具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

本文采用分布式光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，對(duì)雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)地?zé)峋M(jìn)行地溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)屬于首次應(yīng)用于水熱型地?zé)岵晒鄺l件下地溫長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)地溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以更加準(zhǔn)確地掌握地?zé)豳Y源變化情況，為地?zé)豳Y源的合理規(guī)劃和開(kāi)發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，該技術(shù)還可以為地?zé)豳Y源的保護(hù)和管理提供有力支持，促進(jìn)地?zé)豳Y源的可持續(xù)利用。

1 "研究區(qū)概況

1.1 "地質(zhì)概況

研究區(qū)位于雄安新區(qū)牛駝鎮(zhèn)，根據(jù)地?zé)峋昃畧?bào)告及區(qū)域地層資料，地?zé)峋陨隙裸@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(jù)地?zé)峋昃畧?bào)告，地?zé)峋谒南德裆钤?72.9～444 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(xì)砂河湖相沉積物，結(jié)構(gòu)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(zhì)泥巖與灰綠、淺灰、深灰色細(xì)砂巖、粉細(xì)砂巖、粉砂巖、中細(xì)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(lèi)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(chǔ)厚比為30%。

1.2 "地?zé)崽卣?/p>

薊縣系霧迷山組為地?zé)崂脽醿?chǔ)層，巖性為燧石結(jié)核條帶白云巖，致密堅(jiān)硬。該儲(chǔ)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(xué)類(lèi)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(cè)井特征

研究區(qū)地?zé)峋_(kāi)采井、回灌井和監(jiān)測(cè)井（圖1），地?zé)峋念?lèi)型均為水熱型地?zé)峋?。根?jù)實(shí)際采灌情況，本次研究考慮兩采兩灌，其中X193號(hào)回灌井和X195號(hào)開(kāi)采井為一對(duì)井，X192號(hào)回灌井和X190號(hào)開(kāi)采井為一對(duì)井。監(jiān)測(cè)井編號(hào)為R059，深度為1 285 m。在兩對(duì)采灌井動(dòng)態(tài)開(kāi)采過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)RO59號(hào)井溫度的動(dòng)態(tài)變化。

2 "光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)應(yīng)用

2.1 "光纖監(jiān)測(cè)原理及方法

光纖傳輸技術(shù)是一種利用光的傳輸媒介進(jìn)行信息傳輸?shù)募夹g(shù)。光纖具有傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、帶寬大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在通信、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)連接等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以該項(xiàng)技術(shù)為核心研發(fā)的分布式光纖測(cè)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(jìn)的OTDR技術(shù)和Raman散射光對(duì)溫度敏感的特性，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量，其技術(shù)原理主要由拉曼散射原理和光時(shí)域反射（OTDR）原理構(gòu)成（趙曉鷹等，2019）。

2.2 "光纖監(jiān)測(cè)設(shè)備

全井溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備包括深井分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)和測(cè)溫光纜。DBDTS-2000型深井分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度的傳感系統(tǒng)，在系統(tǒng)中光纖既是傳感介質(zhì)也是傳輸媒體。利用光纖的拉曼光譜效應(yīng)，光纖所處空間各點(diǎn)溫度場(chǎng)調(diào)制了光纖中傳輸?shù)墓廨d波，經(jīng)解調(diào)后實(shí)時(shí)地顯示光纖所在空間的溫度值；利用光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)，由光纖中的光傳播速度和背向光回波時(shí)間，可對(duì)所測(cè)各溫度點(diǎn)定位，如圖2所示。

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

2.3 "動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)程

R059號(hào)地?zé)峋子谐练e物堆積，二開(kāi)臺(tái)階嚴(yán)重偏心，套管內(nèi)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(kāi)變徑位置扶正、垂直入井、井口懸掛的安裝方式安裝全井測(cè)溫光纜，安裝示意圖見(jiàn)圖4。通過(guò)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(cè)設(shè)備于2023年3月22日安裝，隨即進(jìn)行校正調(diào)試，自2023年3月22日至6月14日，調(diào)試期85"d，后進(jìn)入穩(wěn)定監(jiān)測(cè)期。光纖實(shí)時(shí)測(cè)溫設(shè)備采樣時(shí)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(diǎn)^-1，監(jiān)測(cè)深度1"200 m。為驗(yàn)證該方法監(jiān)測(cè)的可靠性和高效性，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中采用地球物理測(cè)溫方法同步監(jiān)測(cè)。

3 "結(jié)果與分析

3.1 "地溫場(chǎng)垂向分布特征

通過(guò)對(duì)R059號(hào)監(jiān)測(cè)井中5月份的地球物理測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)地溫在200 m以淺數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，不足以說(shuō)明二者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。故利用光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算地溫梯度時(shí)，第四系平原深度按200～390 m計(jì)算，得出地溫梯度為5.33℃·（100 m）^-1，與同范圍內(nèi)地球物理測(cè)溫結(jié)果相差1.88℃，表明光纖實(shí)時(shí)測(cè)溫技術(shù)在準(zhǔn)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(cè)到地?zé)峋疅峄謴?fù)特性。圖6表示R059監(jiān)測(cè)井在非采暖季儲(chǔ)層光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)演化曲線(xiàn)，可以看出熱儲(chǔ)層地溫整體波動(dòng)在77.5℃至83.5℃之間。從時(shí)間上看，非供暖季地溫較高，主要是因?yàn)樵诖诉^(guò)程中受大地?zé)崃鞯挠绊?，熱恢?fù)在熱儲(chǔ)層中一直進(jìn)行，且隨著熱恢復(fù)時(shí)間的增加，儲(chǔ)層溫度也逐漸增加。從深度上看，1 120 m前后出現(xiàn)明顯溫度拐點(diǎn)，1"120 m以深儲(chǔ)層增溫率降低，說(shuō)明在非采暖季地溫演化過(guò)程中，不同深度大地?zé)崃髦挡煌?，受熱恢?fù)效果也有差異。

圖7表示R059監(jiān)測(cè)井在供暖季光纖測(cè)溫演化曲線(xiàn)，可以看出在采暖季，儲(chǔ)層地溫整體波動(dòng)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(duì)采灌井在供暖季開(kāi)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(shì)與非采暖季相近，供暖期地層增溫率基本一致。采暖季儲(chǔ)層地溫波動(dòng)幅度比非采暖季小，主要是因?yàn)镽059號(hào)監(jiān)測(cè)井距離采灌井有一定距離，在供暖季會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)井熱儲(chǔ)層溫度產(chǎn)生影響，其受大地?zé)崃鞯挠绊懗潭炔蝗绶枪┡靖摺?/p>

3.2 "溫度場(chǎng)動(dòng)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(chǔ)層淺部（1 115 m）、中部（1"150"m）、深部（1 180 m）地溫?cái)?shù)據(jù)，分析地溫動(dòng)態(tài)特征。從圖8表示R059井溫度隨深度演化曲線(xiàn)，可以看出非采暖季蓋層增溫率略大，接近儲(chǔ)層部位增溫率升高，進(jìn)入儲(chǔ)層后增溫率降低。進(jìn)入采暖季后，蓋層、儲(chǔ)層增溫率與非供暖季末期變化規(guī)律基本一致，表明在地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，由于該地地溫條件良好，對(duì)遠(yuǎn)端的地溫影響較小。

熱蓋層溫度演化反應(yīng)出研究區(qū)“熱毯”作用，其溫度的變化對(duì)于熱儲(chǔ)層保溫效果有較大影響。對(duì)于R059號(hào)監(jiān)測(cè)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(kāi)始后，受地?zé)衢_(kāi)采和大地?zé)崃鞯墓餐绊?，蓋層淺部地溫波動(dòng)明顯，但相對(duì)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(shì)，延續(xù)波動(dòng)，相對(duì)穩(wěn)定在58℃上下，如圖9所示。

對(duì)于熱儲(chǔ)層，供暖季開(kāi)始后，地溫呈下降趨勢(shì)，如圖10所示。主要是因?yàn)殡S著供暖期開(kāi)始，儲(chǔ)層熱量被快速提取，其熱流來(lái)不及補(bǔ)償，溫度會(huì)有一定降低。因此，綜合地溫動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，從空間角度分析，蓋層、儲(chǔ)層各層段地溫變化趨勢(shì)基本一致。從時(shí)間角度分析，采暖季同深度蓋層地溫變化相對(duì)穩(wěn)定，儲(chǔ)層地溫呈下降趨勢(shì)。

4 "結(jié)論

通過(guò)對(duì)雄安新區(qū)地?zé)崛壕晒噙^(guò)程中進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，基于光纖實(shí)時(shí)傳輸溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析了地?zé)岜O(jiān)測(cè)井供暖季和非供暖季溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，明確了光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)在地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)利用中的應(yīng)用價(jià)值，得出結(jié)論如下：1）通過(guò)對(duì)地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可靠性較強(qiáng)，利用光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)進(jìn)行地溫場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是可行的。2）光纖實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)可以在時(shí)間和空間上得到對(duì)應(yīng)的井溫?cái)?shù)據(jù)，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(chǔ)層地溫趨于穩(wěn)定，受熱恢復(fù)影響增溫率相對(duì)高，后期地溫逐漸趨于穩(wěn)定。4）從空間角度分析，蓋層、儲(chǔ)層各層段地溫變化趨勢(shì)基本一致；從時(shí)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(chǔ)層地溫呈下降趨勢(shì)。

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