分布式光纤监测技术在水平井分段压裂中的应用

水平井分段压裂过程中,涉及大量繁杂的数据监测与处理工作,同时,压裂过程的不确定性给实时监测带来了更大的难度。传统的井下监测方式存在监测精确度低、受电磁干扰、成本高昂等问题,分布式光纤传感技术的产生,为这些亟待解决的难题提供了新的解决思路。分布式光纤传感技术以其成本低、耐高温、性质稳定、不受电磁干扰等优势,逐渐在油田得到应用。对水平井分段压裂的应用现状进行研究,分析了分布式光纤传感技术原理,总结了分布式光纤的井下安装方式,归纳了分布式光纤传感技术在水平井分段压裂中的应用现状,最后提出了分布式光纤监测技术的发展建议。研究认为：目前,分布式光纤传感技术已受到广泛关注,将成为井下监测的重要工具;分布式光纤传感在水平井分段压裂中的应用主要有压裂液注入分布诊断、人工裂缝起裂及延伸诊断、封隔器泄漏监测和DTS/DAS数据定量解释;对未来温度和声学监测数据的解释方法将向定量解释的应用方向发展。     

覆岩垮落形态的光纤监测立体模型试验研究

采用BOTDA分布式光纤传感技术监测上覆岩层变形的内部应力、应变、位移等参量,对指导生产具有重要的工程应用价值。试验获得BOTDA分布式光纤的测试数据,分析了Brillouin频移值随工作面开挖与上覆岩层破断变形的关系。     

光纤传感器在煤矿井壁安全检测中的应用

光纤传感检测系统在大型建筑物安全监测中已经得到了广泛的应用。目前有可能用于煤矿井壁安全监测的光纤传感系统有2种:一是基于光纤微弯损耗原理的分布式光纤传感系统;二是基于耦合模理论的光纤光栅传感系统。分别阐述了这2种系统的优、缺点和在实际应用中应注意的问题。     

采场覆岩变形分布式光纤监测岩体-光纤耦合性分析

岩体与光纤之间的耦合性是决定分布式光纤感测岩体变形准确性的关键因素。通过岩层变形光纤响应特性的力学分析,结合运动学方法,提出了光纤-岩体的耦合性判据,并建立了岩层变形光纤监测模型。通过水平埋设在物理相似模型内部的传感光纤,监测不同开挖状态下关键层的结构性变形,并借助数字图像相关技术( DIC )对关键层挠度分布进行实时跟踪监测,综合分析覆岩变形特征及演化规律,并将2者监测结果进行对比分析。结果表明：当岩层变形较小时,岩体-光纤耦合性系数在0.9～1.0内,光纤应变计算的岩层挠度与DIC测量的实际岩层挠度基本一致,最大相对误差为8.9%;当岩层变形较大时,岩体-光纤耦合性系数呈断层式直线下降,直至岩层发生破断,裂缝处岩体-光纤发生脱离,光纤-岩体接触度与光纤-岩层耦合系数k值均为0;通过光纤监测数据反演,获得采动覆岩的变形范围及特征,从而反映出光纤沿线岩层移动变形的位置及程度。研究成果为分布式光纤传感技术应用于模型及现场覆岩变形监测提供了参考。     

采场覆岩变形分布式光纤监测岩体-光纤耦合性分析

岩体与光纤之间的耦合性是决定分布式光纤感测岩体变形准确性的关键因素。通过岩层变形光纤响应特性的力学分析,结合运动学方法,提出了光纤-岩体的耦合性判据,并建立了岩层变形光纤监测模型。通过水平埋设在物理相似模型内部的传感光纤,监测不同开挖状态下关键层的结构性变形,并借助数字图像相关技术(DIC)对关键层挠度分布进行实时跟踪监测,综合分析覆岩变形特征及演化规律,并将2者监测结果进行对比分析。结果表明:当岩层变形较小时,岩体-光纤耦合性系数在0.9～1.0内,光纤应变计算的岩层挠度与DIC测量的实际岩层挠度基本一致,最大相对误差为8.9%;当岩层变形较大时,岩体-光纤耦合性系数呈断层式直线下降,直至岩层发生破断,裂缝处岩体-光纤发生脱离,光纤-岩体接触度与光纤-岩层耦合系数k值均为0;通过光纤监测数据反演,获得采动覆岩的变形范围及特征,从而反映出光纤沿线岩层移动变形的位置及程度。研究成果为分布式光纤传感技术应用于模型及现场覆岩变形监测提供了参考。     

基于分布式光纤的煤矿电力电缆测温系统的设计

煤矿井下的电力电缆运行中存在的故障难以检测和处理,而局部故障引起的温升可能会导致火灾。针对此问题,提出了运用分布式光纤温度传感器对矿井电力电缆进行实时监测,对分布式光纤传感器与传统传感器的性能进行了对比,介绍了分布式光纤传感系统在矿井的电力电缆温度监测系统的应用结构原理。     

基于分布式光纤传感技术的冻结温度场监测系统

分析冻结法凿井施工采用分布式光纤温度传感器进行温度场监测的可行性,给出了基于分布式光纤温度传感器的冻结温度场监测系统的组成、原理和光缆布设方案.通过与传统的单总线温度传感系统数据对比,其具有测量温度值准确,数据量大,系统稳定性高,布设更加方便等优点.     

分布式光纤传感测温技术在煤矿的应用研究

基于煤矿传统测温技术的不足,阐述了分布式光纤测温系统监测采煤工作面温度的工作原理:光的散射以及光谱分析,分析了测温系统的合理安装位置,并在王楼煤矿27304采煤工作面进行现场试验.试验结果表明:分布式光纤传感测温技术可实时监测采煤工作面温度,且实现综合监测预警,为遏制煤矿采煤工作面发火提出了一种新的方法.     

分布式光纤测温系统在采空区火灾监控预警中的应用

为解决现有束管系统在煤矿采空区火灾监控预警中响应慢、无法定位的缺陷,在分析采空区火灾成因及过程的基础上,提出新的火灾监测办法,利用光纤传感技术实现采空区分布式长距离连续测温。介绍了分布式光纤测温的原理及其在采空区的应用实现方法,并给出其实时测温曲线,充分验证了基于光纤传感的测温系统对比已有束管系统的响应快、远程传输、实时、抗干扰等优势。     

分布式光纤及光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的应用现状及展望

目前国内煤矿普遍采取高强度(大采高)的开采现状，伴随着煤矿开采智能化快速发展，对煤矿安全监测也提出了更高的要求。现有的煤矿巷道一般长达几千米，工作面面积更是能达到几平方千米，很难通过人工方式或使用传统的点态传感器来准确、实时地获取如此大面积的监测信息。由于光纤材质具有易于加工、耐磨性高、耐腐蚀性强、绝缘性好、抵抗地下水和电磁干扰能力强等优点，随着近代光学基础理论及光纤通信的发展，各种光学器件的制造成本也在不断降低，将光纤监测技术用于监测领域是发展的必然结果。而且光纤主要成分为二氧化硅，属于本质安全型传感器，特别适合于在煤矿等高危环境下监测。本文系统总结了各类光纤传感技术的基本原理、优缺点和适用条件，重点介绍了采用光纤光栅及分布式光纤传感技术在煤矿安全监测中进行煤矿立井壁变形、采空区地层沉陷变形、采动覆岩变形、巷道安全及稳定性、煤矿瓦斯监测预警等方面的应用现状，展望了分布式光纤监测技术的应用前景。通过对已有文献的分析，获得了如下结论：光纤传感技术能够满足在不同条件下对煤矿安全监测的基本要求，可以在各种恶劣环境下使用。与现有的传统人工监测、点态传感器等常规测试方式和技术相比，光纤监测技术的...     

应用于锚喷支护的巷道变形监测的光纤传感技术

简要介绍了光纤传感技术的基本特点,讨论了分布式光纤传感技术在煤矿锚喷支护的巷道变形监测中的应用,对该技术的未来发展进行了展望。     

锚杆支护巷道光纤光栅实时动态监测系统研究

基于光纤光栅FBG的传感原理,设计研制了由光纤光栅传感器构成的煤矿锚杆支护巷道实时、动态监测系统。其传感器通过光波信息可实现应变、压强、温度、位移、振动等物理量的测量,具有抗电磁干扰,无源本质安全,远距离传输以及串/并连接构成分布式测量等优点。该监测系统经煤矿井下工业性试验,取得了良好的效果。     

矿山围岩变形与破坏光纤感测理论技术及应用

矿山围岩应力与结构演化机理是深部煤炭资源开采围岩控制的关键科学问题。开展采场和巷道围岩应力演化与变形破坏监测,是掌握应力场动态迁移规律,分析覆岩分区破裂、结构演化的重要手段,也是实现井下灾害超前辨识和危险区域感知预判的基础。近年来光纤传感技术在解调原理、传感器研发方面取得了长足的进步,可实现不同尺度的围岩应力、变形,大范围、分布式动态监测,成为了岩体变形破坏的重要监测手段之一。分析了光纤传感技术在矿山围岩变形与破坏监测方面的应用进展,总结了用于采场和巷道围岩变形监测中的光纤传感理论及适用特点,归纳了光纤传感系统布设方法与安装工艺,讨论了采场覆岩"横三区、竖三带"分布,覆岩结构演化,支承压力分布,顶底板变形特征的光纤表征机制,介绍了光纤传感技术在矿山围岩变形表征中的最新成果。结果表明:光纤传感技术在矿山围岩监测中的应用仍处于现场应用研究阶段,在智慧矿山建设背景下,采场和巷道围岩变形监测技术向多参数、智能化、实时动态监测发展,光纤传感技术存在多参量、多尺度传感器研发,多维度光纤传感系统及布设工艺,大数据光纤传感数据智能分析系统构建等研究热点。研究成果对推动矿山围岩光纤传感智能监测技术研发与应用具有积极意义。     

深井煤矿TBM掘进巷道围岩扰动特性监测研究

以张集煤矿TBM掘进采煤工作面高抽巷为研究对象,采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术(BOTDR),监测TBM掘进扰动下围岩的变形、扰动特性。通过在试验巷道前方和侧方施工监测钻孔,安装分布式传感光纤,使传感光纤与围岩变形协调。在TBM掘进过程中,通过监测和分析监测光纤的应变分布特征及其动态变化过程,获得了TBM掘进过程中对围岩的扰动特性。TBM掘进时对掌子面前方的岩石扰动影响范围为5~7 m。在围岩深度4~12 m范围内出现压应变,而在围岩深度12~18 m的范围内出现拉应变,巷道围岩未出现明显的大范围破坏。相较于传统的钻爆法施工,煤矿岩巷TBM法施工掘进效率更高,对围岩扰动更小。     

煤矿巷道锚杆支护应用实例分析

在传统顶板点式监测的基础上,应用BOTDR对采煤工作面回采巷道煤巷顶板沉降位移进行分布式监测。首先通过对BOTDR监测原理和煤巷顶板变形状态的理论分析,提出应用锚杆(索)在煤巷顶板进行光纤定点布设,并根据BOTDR测量的相邻定点间光纤轴向应变和变形量,推导出光纤应变量化煤巷顶板沉降位移的数学表达式;然后进行煤巷顶板沉降的光纤定点拉伸和区段拉伸室内模拟试验,试验中光纤应变表征的位移与光纤拉伸距离的误差分别为0.690%和1.545%,拉伸距离和应变表征光纤位移基本一致;最后进行了采煤工作面回采过程中进风巷煤巷顶板的BOTDR现场监测试验,试验期间,光纤应变表征出最大沉降位移平均值为64.09 mm和135.63 mm的2个顶板沉降区域。与井下十字观测法测量值相比,顶板沉降变形范围的最大误差为5.60%,顶板沉降位移的最大误差为4.96%,顶板垂直位移的绝对误差值小于4 mm,证明了BOTDR定量表征顶板的沉降变形范围和沉降位移的可行性。

     

FBG传感技术在矿山地压监测中的应用

在分析光纤Bragg光栅传感(FBG)原理的基础上,提出基于FBG的地压监测系统。在承德铜兴矿业有限责任公司建立该地压监测系统,实时监测岩体的位移和压力变化。监测结果表明,FBG传感技术可有效监测岩体位移和压力变化,可靠性和稳定性较好,具有广阔的应用前景。     

煤层气水平井产出剖面光纤监测工艺技术

文章从分布式光纤DAS、DTS测量原理出发,结合煤层气水平井的生产实际,分析了产水和产气对井筒环境的影响,论证了分布式光纤DAS、DTS用于煤层气水平井方法的适用性,首次提出了利用DAS量化水平段产气量的评价方法。根据煤层气水平井特殊的生产工艺特点,制定了水平段采用油管内泵送布设、直井段采用油管外绑定的光纤布设方法,解决了油管与套管的环空过小、射孔处有煤粉煤块产出等工程难题,同时采用偏心井口密闭技术为安全施工提供保障,总结出一套适用于煤层气水平井产出剖面光纤监测的工艺技术。通过一口水平井实际案例应用分析,证明该工艺技术在煤层气水平井产出剖面监测中有非常好的适用性。     

高边坡变形光纤监测应用现状及发展趋势分析

通过回顾边坡变形与光纤监测技术的结合过程,以及现有光纤监测技术在岩土工程中的应用、分类以及优缺点,突出光纤监测技术在边坡监测领域中的先进性和重要性。通过案例分析法、比较分析法和文献分析法系统阐述了现有光纤监测技术存在的问题。通过在环境、边坡稳定性和岩体变形方面进行分析,结合物联网与大数据,对光纤监测技术未来的发展方向进行合理的分析和展望。结果表明,光纤传感技术能够满足在不同条件下对边坡全寿命周期监测的基本要求,与现有的传统技术相比,光纤监测技术的灵敏度高、监测范围大以及连续性强,具有较好的应用前景。     

光纤传感技术在煤矿采空区防发火监测系统中的应用研究

基于传统采空区温度监测系统的不足,提出利用光纤传感技术对煤矿采空区温度进行监测,并在淮北矿业集团杨柳矿1071综采面进行现场试验。试验结果表明:光纤分布式温度传感技术具有良好的温度敏感性,可准确监测采空区温度,可如果顶板矸石垮落,对其监测的稳定性具有一定影响,使得温度监测曲线出现波动。因此,在其埋入采空区前应进行物理防护,并保证能与采空区环境进行充分的热交换,以获得理想的监测效果。     

浅埋煤层隔水关键层失稳光纤传感检测试验研究

隔水关键层破断失稳是矿井水害及开采引起的生态脆弱区水资源破坏的根本原因,准确有效地对隔水关键层稳定性进行科学监测,是实现保水开采及岩层控制的重要基础。隔水层稳定性尚无有效直接监测手段,常采用钻孔探测、理论分析及数值模拟等计算导水裂隙带高度间接评判隔水层导通性。随着光纤传感技术的发展,将光纤布拉格光栅(FBG)、分布式光纤(BOTDA)等技术用于采动覆岩隔水关键层稳定性监测,为光纤传感技术在相似模型试验中的推广提供依据。研究表明:浅埋煤层当基岩厚度仅为60～67 m时,开采厚度为2 m的煤层时导水裂隙带将直接发育至地表,势必造成基岩含水层水体破坏,结构关键层裂隙被其上软弱岩层充填弥合具有一定隔水性,两侧断裂线及其附近发育的纵向裂隙成为主要渗流通道;分布式光纤检测应变因岩层断裂位臵应力集中而呈现"双峰"特征,峰值位臵与断裂线基本对应,可通过传感光纤预测采动覆岩破断线位臵分布;给出基于光纤传感检测的隔水关键层破断极限应变阈值为2 000με;光纤光栅可对特定位臵岩体变形进行精准监测,检测隔水关键层破断失稳位臵与实际观测及分布式光纤检测结果基本一致。