基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置及方法

1.本发明涉及盐穴储氦库井筒泄露监测技术领域，尤其是涉及一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置及方法。


背景技术：

2.2020年，我国95％左右的氦气依赖于进口。尽管我国有少量氦气资源，但总体相当贫乏，仅占世界2％左右。截至2017年，全球己探明的剩余氦气储量总量为7.4
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109m3，世界探明剩余氦气储量表现为逐渐减少的趋势。尽管有些大型氦气田陆续被发现，但全球氦气供不应求，长期短缺。从20年来的数据看，随着氦气应用范围的大幅增加，特别是在医疗、工业和电子行业的广泛应用，全球氦需求以每年4％～6％的速率增长导致目前氦气供不应求，长期短缺。据估算，2016年全球氦的需求量大约为230
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106m3，但年产量仅有154
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106m3。2017年全球己探明剩余氦气储量总量为7.43
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106m3，如果氦气产能每年增加5％，到2040年全球氦气储量将完全耗尽，因此加强国家氦气资源战略储备势在必行。
3.我国深部地下空间资源丰富，以盐矿为例，近10年来累计形成的采矿地下空间(盐穴)达到2亿方，并保持以每年10％的速度增加。但是，这些深部地下空间资源化利用效率较低，地质灾害频发。同时，盐矿采空区是国际上通用的大规模能源储备场所，已经储存了超过600亿方天然气、20亿桶原油。因此，如何利用我国盐穴进行氦气储备对快速提高我国氦气储备能力和确保氦气供给安全具有重要意义。
4.由于盐穴储氦库可进行多种战略资源的长期储存，而盐穴储氦库是进行天然气、氦气和氢气的盐穴优良载体储氦库盐穴储氦库。
5.然而，盐穴储氦库的长期安全监测是一个复杂的综合问题。其中，储氦库泄漏的产生是一切安全隐患的直接表现形式之一。盐穴盐穴储氦库潜在的泄漏类型有：夹层密闭性不足引起的气体近水平漏失、盖层被突破失效致使气体上窜、井筒完整性不足致使气体逃逸、夹层与断层连通致使气体流向断层等。
6.现有的盐穴储氦库井筒泄漏监测主要采用超声波检测法及井下照相法。
7.超声波检测法的原理是：超声波与次声波、声波频率段的声波能量相比，超声波具有更好的方向性和穿透能力，并且传播距离相对较短，易于获得更靠近泄漏源的声能。目前，已经形成了利用超声波检测原理在地面对阀门和井口装置等生产设备进行泄漏检测的技术，但针对盐穴盐穴储氦库井筒泄漏的安全监检测问题，还没有形成较好较快的声光电一体化测试方法及其具体实施方案。
8.井下照相机(如dhv)虽能有效检测各种泄漏和诊断其他问题，但是对井内液体或气体的清晰度要求很高，测试效果收到干扰的影响因素较多，测试效果不太理想。此外，用常规井眼漏点检测技术，也无法定位出现在多层管柱之外的泄漏。


技术实现要素：

9.有鉴于此，有必要提供一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置及方
法，用以解决现有的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法难以有效对盐穴储氦库井筒泄漏进行监测的技术问题。
10.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，所述储氦库井筒包括内套管及外套管，所述内套管的下端与盐穴储氦库连通，所述内套管的上端延伸至地面，所述外套管套设于所述内套管外，所述外套管与所述内套管之间形成一环空，所述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置包括第一光纤光缆、激光发射器及解调组件；
11.所述第一光纤光缆沿所述内套管的长度方向布置于所述环空内；
12.所述激光发射器用于向所述第一光纤光缆内发出激光脉冲；
13.所述解调组件与所述第一光纤光缆连接、并用于对所述第一光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露并确定井筒泄露的位置及泄露流量。
14.在一些实施例中，所述第一光纤光缆包括第一单模光纤、第一多模粗光纤及第一多模细光纤，所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤的尺寸规格不同；所述解调组件包括分布式光纤测声主机das及分布式光纤测温主机dts，所述分布式光纤测声主机das与所述第一单模光纤连接，并用于检测所述第一单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的位置，所述分布式光纤测温主机dts与所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤均连接，并用于检测所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，从而确定发生井筒泄露的位置。
15.在一些实施例中，所述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置还包括第二光纤光缆，所述第二光纤光缆沿所述外套管的长度方向布置于所述外套管与岩壁之间，所述解调组件与所述第一光纤光缆及所述第二光纤光缆均连接，并用于对所述第一光纤光缆及所述第二光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露并确定井筒泄露的位置及泄露流量。
16.在一些实施例中，所述第二光纤光缆包括第二单模光纤、第二多模粗光纤及第二多模细光纤，所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤的尺寸规格不同；所述分布式光纤测声主机das与所述第一单模光纤及所述第二单模光纤均连接，并用于检测所述第一单模光纤及所述第二单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的位置，所述分布式光纤测温主机dts与所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤均连接，并用于检测所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，从而确定发生井筒泄露的位置。
17.在一些实施例中，所述第一光纤光缆的数量为多个，各个所述第一光纤光缆均匀分布于所述环空内；所述第二光纤光缆的数量为多个，各个所述第二光纤光缆均匀分布于所述外套管与所述岩壁之间。
18.在一些实施例中，所述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置还包括若干个第一接箍及若干个第二接箍；所述第一接箍套设于所述内套管及所述第一光纤光缆外，以使所述第一光纤光缆贴合于所述内套管的外壁上；所述第二接箍套设于所述外套管及所述第二光纤光缆外，以使所述第二光纤光缆贴合于所述外套管的外壁上。
19.本发明还提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所
述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：
20.通过激光发射器向所述第一光纤光缆内发出激光脉冲，同时通过解调组件对所述第一光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。
21.本发明还提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：
22.通过激光发射器向所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内发出激光脉冲，同时通过所述分布式光纤测温主机dts检测所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，并对所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。
23.本发明还提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：
24.通过激光发射器向所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内发出激光脉冲，同时通过所述分布式光纤测温主机dts检测所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号；
25.对所述第一多模粗光纤及所述第二多模粗光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量；
26.对所述第一多模细光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。
27.本发明还提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：
28.通过激光发射器向所述第一单模光纤、第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二单模光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内发出激光脉冲；
29.通过所述分布式光纤测声主机das检测所述第一单模光纤及所述第二单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的大致位置范围；
30.通过所述分布式光纤测温主机dts检测所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，并对所述大致位置范围内的第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行分析，确定发生井筒泄露的精准位置范围；
31.获取气体检测传感器的检测数据、环空带压及井口压力温度变化值，对井筒泄露数据进行修正。
32.与现有技术相比，本发明提出的技术方案的有益效果是：在使用时，通过激光发射器向所述第一光纤光缆内发出激光脉冲，同时通过解调组件对所述第一光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。由于第一光纤光
缆能够实现对监测对象的长期长距离地实时全面覆盖检测，并且光纤光缆具有实时直读、寿命长、传输与监测距离长、耐高温高压、不受电磁干扰、可靠性高、井下无电等优点，且光纤的成本低廉，可用于长期可靠的连续在线监测。利用光波在光纤中传输时相位、偏振等对振动敏感的特性，连续实时地监测光纤附近的振动。根据干涉传感原理和后向散射探测技术，当管柱某处发生泄漏即可扰动光纤，使此处的后向散射光强减弱，结合达到探测器的时间即可定位井筒泄露位置，相对于现有的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法具有显著的进步。
附图说明
33.图1是本发明提供的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置及方法的一实施例的结构示意图；
34.图2是分布式光纤测温主机dts测量到的井筒泄漏信号；
35.图3是分布式光纤dts主机测量到的井筒泄漏信号；
36.图4是本发明提供的一种井筒泄漏状态判定流程；
37.图5是不同泄漏量大小情况下(3mpa/5mpa/7mpa)的三组对比实验结果(背景噪声/微小/小/中/大流量)；
38.图中：100-内套管、200-外套管、300-第一光纤光缆、400-解调组件、410-分布式光纤测声主机das、420-分布式光纤测温主机dts、500-第二光纤光缆、600-岩壁。
具体实施方式
39.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
40.请参照图1，本发明提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，所述储氦库井筒包括内套管100及外套管200，所述内套管100的下端与盐穴储氦库连通，所述内套管100的上端延伸至地面，所述外套管200套设于所述内套管100外，所述外套管200与所述内套管100之间形成一环空，所述环空内用于封装环空保护液(如水)。
41.所述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置包括第一光纤光缆300、激光发射器(未示出)及解调组件400；所述第一光纤光缆300沿所述内套管100的长度方向布置于所述环空内；所述激光发射器用于向所述第一光纤光缆300内发出激光脉冲；所述解调组件400与所述第一光纤光缆300连接、并用于对所述第一光纤光缆300内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露并确定井筒泄露的位置及泄露流量。
42.在使用时，通过激光发射器向所述第一光纤光缆300内发出激光脉冲，同时通过解调组件400对所述第一光纤光缆300内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。由于第一光纤光缆300能够实现对监测对象的长期长距离地实时全面覆盖检测，并且光纤光缆300具有实时直读、寿命长、传输与监测距离长、耐高温高压、不受电磁干扰、可靠性高、井下无电等优点，且光纤的成本低廉，可用于长期可靠的连续在线监测。利用光波在光纤中传输时相位、偏振等对振动敏感的特性，连续实时地监测光纤附近的振动。根据干涉传感原理和后向散射探测技术，当管柱某处发生泄漏即可扰动光纤，使此处的后向散射光强减弱，结合达到探测器的时间即可定位井筒泄露位置，相对于现有的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法具有显著的进步。
43.为了具体实现解调组件400的功能，请参照图1，在一优选的实施例中，所述第一光纤光缆300包括第一单模光纤、第一多模粗光纤及第一多模细光纤，所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤的尺寸规格不同，本实施例中，第一多模粗光纤的规格为62.5/125um，第一多模细光纤的规格为50/125um，由于第一多模粗光纤相较于第一多模细光纤的信号强度较大，而环境因素对第一多模粗光纤及第一多模细光纤的影响大致相同，因此可通过对第一多模粗光纤及第一多模细光纤的信号进行差分分析，降低环境因素的影响，提高测试分析准确度；所述解调组件400包括分布式光纤测声主机das 410及分布式光纤测温主机dts 420，所述分布式光纤测声主机das 410与所述第一单模光纤连接，并用于检测所述第一单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的位置，所述分布式光纤测温主机dts 420与所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤均连接，并用于检测所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，从而确定发生井筒泄露的位置。
44.为了进一步提高检测结果的准确度，请参照图1，在一优选的实施例中，所述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置还包括第二光纤光缆500，所述第二光纤光缆500沿所述外套管200的长度方向布置于所述外套管200与岩壁600之间，所述解调组件400与所述第一光纤光缆300及所述第二光纤光缆500均连接，并用于对所述第一光纤光缆300及所述第二光纤光缆500内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露并确定井筒泄露的位置及泄露流量。
45.本实施例中，第一光纤光缆300布置在环空中，第二光纤光缆500布置在外套管200与岩壁600(或水泥环)之间，并都连接解调组件400进行井筒泄漏测试。根据埋深1000米左右的深部能源储库气压特征，正常1000米液压环境下，环空液压压强差在10mpa，而井筒套管底部盐穴腔体正常注采气的气压大概范围是在6mpa～16mpa之间。因此，在环空中布置的第一光纤光缆300可以实现井筒内高压气体的泄漏安全监检测及其泄漏时空演变规律的研究，而在外套管与岩壁600之间布置的第二光纤光缆500(外套管200与岩壁600之间浇灌的永久式光缆)可以实现外套管200因长期腐蚀而导致的外套管200破裂损伤和整体井筒密封性和腔体气密性的研究评价。
46.为了具体实现通过解调组件400对所述第一光纤光缆300及所述第二光纤光缆500内的光信号进行解调，请参照图1，在一优选的实施例中，所述第二光纤光缆500包括第二单模光纤、第二多模粗光纤及第二多模细光纤，所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤的尺寸规格不同，本实施例中，第二多模粗光纤的规格为62.5/125um，第二多模细光纤的规格为50/125um；所述分布式光纤测声主机das 410与所述第一单模光纤及所述第二单模光纤均连接，并用于检测所述第一单模光纤及所述第二单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的位置，所述分布式光纤测温主机dts 420与所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤均连接，并用于检测所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，从而确定发生井筒泄露的位置。
47.为了提高检测结果准确度，请参照图1，在一优选的实施例中，所述第一光纤光缆300的数量为多个，各个所述第一光纤光缆300均匀分布于所述环空内；所述第二光纤光缆500的数量为多个，各个所述第二光纤光缆500均匀分布于所述外套管与所述岩壁之间。本
实施例中，第一光纤光缆300的数量为两个，分别为光纤光缆b及光纤光缆c，所述第二光纤光缆500的数量为两个，分别为光纤光缆a及光纤光缆d。
48.为了对第一光纤光缆300和第二光纤光缆500进行固定，请参照图1，在一优选的实施例中，所述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置还包括若干个第一接箍及若干个第二接箍(未示出)；所述第一接箍套设于所述内套管100及所述第一光纤光缆300外，以使所述第一光纤光缆300贴合于所述内套管100的外壁上；所述第二接箍套设于所述外套管200及所述第二光纤光缆500外，以使所述第二光纤光缆500贴合于所述外套管200的外壁上。
49.在上述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置的基础上，本发明还提供了以下多种确定盐穴储氦库井筒泄漏的方法。
50.首先，作为最基本的检测方法，本发明提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，包括：
51.通过激光发射器向所述第一光纤光缆300内发出激光脉冲，同时通过解调组件400对所述第一光纤光缆300内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。
52.其次，作为优选的检测方法，本发明还提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，包括：
53.通过激光发射器向所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内发出激光脉冲，同时通过所述分布式光纤测温主机dts 420检测所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，并对所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。
54.本实施例中，第一多模粗光纤的规格为62.5/125um，第一多模细光纤的规格为50/125um，由于第一多模粗光纤相较于第一多模细光纤的信号强度较大，而环境因素对第一多模粗光纤及第一多模细光纤的影响大致相同，因此可通过对第一多模粗光纤及第一多模细光纤的信号进行差分分析，降低环境因素的影响，提高测试分析准确度。
55.再次，作为进一步优选的检测方法，本发明还提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，包括：
56.(1)通过激光发射器向所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内发出激光脉冲，同时通过所述分布式光纤测温主机dts 420检测所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号；
57.(2)对所述第一多模粗光纤及所述第二多模粗光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。
58.(3)对所述第一多模细光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。
59.本实施例中，由于第一多模粗光纤及第一多模细光纤属于第一光纤光缆300，而第一光纤光缆300设置于环空内，而第二多模粗光纤及第二多模细光纤属于第二光纤光缆500，而第二光纤光缆500设置于外套管200与所述岩壁600之间，因此，第一多模粗光纤及第一多模细光纤的检测信号受井筒泄露的影响很大，而第二多模粗光纤及第二多模细光纤的检测信号受井筒泄露的影响很小，可作为背景信号进行信号对齐与信号差分，去除干扰噪声，从而提取更为精确的井筒泄漏信号。
60.需要指出的是，在上述实施例中，光纤光缆a、光纤光缆b、光纤光缆c和光纤光缆d中的单模光纤及多模光纤同时连接一台分布式光纤测温主机dts 420和分布式光纤测声主机das 410进行同步数据采集与分析。在此情况下，则采用该分布式光纤测温主机dts 420分别连接光缆a、光缆b、光缆c和光缆d中的多模光纤，同步同时连接到分布式光纤测温主机dts 420的多个通道中进行井筒泄漏信号的对比分析。由于光纤光缆a和光纤光缆d为切近外侧岩壁水泥环，井筒泄漏信号对其的干扰较少，故光缆a和光缆d的检测主要作为背景信号进行信号对齐与信号差分，去除干扰噪声，提取更为精确的井筒泄漏信号。
61.在其他实施例中，若现场有两台分布式光纤测温主机dts 420时，则采用一台分布式光纤测温主机dts 420分别连接光缆a、光缆b或光缆c、光缆d中的多模光纤(50/125um)，另外一台分布式光纤测温主机dts 420分别连接光缆a、光缆b或光缆c、光缆d中的多模光纤(62.5/125um)；然后同时连接到分布式光纤测温主机dts 420的多个通道中进行井筒泄漏信号的对比分析。
62.最后，作为综合性的检测方法，本发明还提供了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，包括：
63.(1)通过激光发射器向所述第一单模光纤、第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二单模光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内发出激光脉冲；
64.(2)通过所述分布式光纤测声主机das 410检测所述第一单模光纤及所述第二单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的大致位置范围；
65.本实施例中，如图2所示，若井筒已经出现大量泄漏情况，则分布式光纤测声主机das 410在排除干扰后，能立刻检测定位到井筒泄漏的大概位置深度，由于分布式光纤测声主机das 410的定位精度较低，国内最好的设备定位精度都在2米以上，因此，分布式光纤测声主机das410只能满足井筒较大泄漏量的初始定位分析，无法进行1米以内的准确定位分析。
66.请继续参照图2，图2中泄漏点的深度位置在52米左右的位置，泄漏量的大小与颜色有关，颜色越深表明泄漏量越大，泄漏量的大小与泄漏振动声波的相位差直接相关。
67.若das检测信号较为微弱，并且无法排除干扰时，则这时应该保留记录信号，与下一步的dts检测信号进行联动分析定位。
68.(3)通过所述分布式光纤测温主机dts 420检测所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，并对所述大致位置范围内的第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行
分析，确定发生井筒泄露的精准位置范围；
69.本实施例中，由于分布式光纤测温主机dts 420的定位精度在1米以内，因此通过das信号获取井筒泄漏的初步定位，然后再采用分布式光纤测温主机dts 420重点分析初步定位区域的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号(如图3所示)。最后通过dts波形实现井筒泄漏源位置的精确定位。
70.(4)获取气体检测传感器的检测数据、环空带压及井口压力温度变化值，对井筒泄露数据进行修正。
71.本实施例中，如图4所示，根据das+dts实时监测的光信号特征进行分析处理，提取关键变化特征信号，并建立信号特征数据库。然后，结合油气泄漏特征及其局部环境变化机制，研究井筒泄漏判定准则，并拟合出高灵敏度实时决策信号。必要时借助其他辅助手段，比如气体检测传感器、环空带压、井口压力温度变化等，综合提高决策信号的灵敏度和准确性。最后，形成光纤综合决策系统，并形成自动化处理软件，实时监测井筒泄漏情况并进行安全评估预警。
72.(5)针对井筒泄漏特征及其泄漏定位需求，最终形成一套井筒泄漏das+dts检测流程，确定井筒泄漏判定准则，实现井筒泄漏定性判断和泄漏点深度量化定位。
73.例如，本实施例中得到的一种井筒泄漏状态判定准则为：
74.①
das频率振幅持续动态变化；
75.②
dts温差变化0.2℃。
76.以注采井口深度作为对齐的参考，分别进行了dts的热源校准试验和das敲击震源定位测试，测试误差小于1米。
77.针对泄漏信号与环境噪声同频带难以区分的问题，采用长时间、频率特征动态分析的方法识别泄漏信号并完成泄漏点深度定位。
78.通过试验可知，分布式光纤泄露监测技术能够准确发现泄露点进行报警，且报警点精度较高，泄露情况可于
±
1m以内空间准确定位，系统至少可以测量的泄漏量下限为0.83l/min，满足井下实验要求。
79.系统创新的模式识别功能可以滤除杂乱干扰信号并准确识别有用信号，目前国内没有针对井筒泄露监测技术的推广。且分布式光纤监测系统具有目前国内其他井筒测试技术所不具备的实时性监测特点，可实时监测气体在储氦库生产井注采运行过程中是否发生泄漏，保障储氦库的安全运行。
80.分布式温度探测(dts)作为一项已经成熟的井温监测技术，利用多模光纤的光时域反射(otdr)技术，由光纤中的光传播速度和背向光的回波时间对所测各温度点进行精确定位，监测生产时井筒内温度分布情况判断泄露发生的位置。dts技术可以与das技术集成运用，互为验证，进一步提高仪器监测的精度和准确性，形成das+dts新型光纤井下泄漏检测技术。
81.由于das技术受环境噪声影响较大，对于实际工况来说，测试期间可能会受到风吹雨打、车辆行驶等噪音的干扰，所以仍需进行现场试验后再进行推广应用。
82.为了验证分布式光纤传感技术用来监测井筒泄漏的可行性和实用性，进行室内外模拟实验。通过模拟井下工况条件，测试分布式光纤传感系统das+dts的测量精度及测量下限，结合噪声测井技术的结果，辅助评价分布式光纤监测技术的可靠性，为后续井下试验理
论研究和工程技术应用提供依据。在内外套管之间，贴着内管布置井下das+dts实时监测系统，研究分布式光缆高温高压复杂地质环境下的封装技术和井下作业技术，研究das+dts的光纤传感监测方法和光信号的高精度调制解调技术。另外，在工程条件允许的情况下，在外套管与岩层之间浇灌永久式封装光缆，采用das+dts长期随时监测的方式检验井筒外套管及周边岩层的泄漏情况。
83.针对不同气压不同泄漏量大小情况下的井筒泄漏工况，采用上海光机所最新研发的das设备，在内外罐压差分别3mpa、5mpa和7mpa情况下，分别进行无泄漏(0l/min)背景噪声下的测试、微小泄漏流量约0.5l/min、小泄漏流量约2.5l/min、中泄漏流量约5.5l/min和大泄漏流量约9.5l/min情况下的对比测试，主要对比测试结果如图5所示。由图5可知，das设备测试的效果比较好，在井筒模拟试验装置中能够测试到极其微弱泄漏的声波振动信号，基本上可以验证该设备在工程应用上。
84.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。

技术特征：
1.一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，所述储氦库井筒包括内套管及外套管，所述内套管的下端与盐穴储氦库连通，所述内套管的上端延伸至地面，所述外套管套设于所述内套管外，所述外套管与所述内套管之间形成一环空，其特征在于，所述基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置包括第一光纤光缆、激光发射器及解调组件；所述第一光纤光缆沿所述内套管的长度方向布置于所述环空内；所述激光发射器用于向所述第一光纤光缆内发出激光脉冲；所述解调组件与所述第一光纤光缆连接、并用于对所述第一光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露并确定井筒泄露的位置及泄露流量。2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，所述第一光纤光缆包括第一单模光纤、第一多模粗光纤及第一多模细光纤，所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤的尺寸规格不同；所述解调组件包括分布式光纤测声主机das及分布式光纤测温主机dts，所述分布式光纤测声主机das与所述第一单模光纤连接，并用于检测所述第一单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的位置，所述分布式光纤测温主机dts与所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤均连接，并用于检测所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，从而确定发生井筒泄露的位置。3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，还包括第二光纤光缆，所述第二光纤光缆沿所述外套管的长度方向布置于所述外套管与岩壁之间，所述解调组件与所述第一光纤光缆及所述第二光纤光缆均连接，并用于对所述第一光纤光缆及所述第二光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露并确定井筒泄露的位置及泄露流量。4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，所述第二光纤光缆包括第二单模光纤、第二多模粗光纤及第二多模细光纤，所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤的尺寸规格不同；所述分布式光纤测声主机das与所述第一单模光纤及所述第二单模光纤均连接，并用于检测所述第一单模光纤及所述第二单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的位置，所述分布式光纤测温主机dts与所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤均连接，并用于检测所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，从而确定发生井筒泄露的位置。5.根据权利要求3所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，所述第一光纤光缆的数量为多个，各个所述第一光纤光缆均匀分布于所述环空内；所述第二光纤光缆的数量为多个，各个所述第二光纤光缆均匀分布于所述外套管与所述岩壁之间。6.根据权利要求3所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，还包括若干个第一接箍及若干个第二接箍；所述第一接箍套设于所述内套管及所述第一光纤光缆外，以使所述第一光纤光缆贴合于所述内套管的外壁上；
所述第二接箍套设于所述外套管及所述第二光纤光缆外，以使所述第二光纤光缆贴合于所述外套管的外壁上。7.一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于如权利要求1-6中任意一项所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：通过激光发射器向所述第一光纤光缆内发出激光脉冲，同时通过解调组件对所述第一光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。8.一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于如权利要求2所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：通过激光发射器向所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内发出激光脉冲，同时通过所述分布式光纤测温主机dts检测所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，并对所述第一多模粗光纤及所述第一多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。9.一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于如权利要求4所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：通过激光发射器向所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内发出激光脉冲，同时通过所述分布式光纤测温主机dts检测所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号；对所述第一多模粗光纤及所述第二多模粗光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量；对所述第一多模细光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行信号对齐和差分分析，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。10.一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测方法，适用于如权利要求4所述的基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置，其特征在于，包括：通过激光发射器向所述第一单模光纤、第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二单模光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内发出激光脉冲；通过所述分布式光纤测声主机das检测所述第一单模光纤及所述第二单模光纤内的后向瑞利散射信号，并根据所述后向瑞利散射信号，确定发生井筒泄露的大致位置范围；通过所述分布式光纤测温主机dts检测所述第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号，并对所述大致位置范围内的第一多模粗光纤、所述第一多模细光纤、所述第二多模粗光纤及所述第二多模细光纤内的斯托克斯信号、反斯托克斯信号和温度信号进行分析，确定发生井筒泄露的精准位置范围；获取气体检测传感器的检测数据、环空带压及井口压力温度变化值，对井筒泄露数据进行修正。

技术总结
本发明公开了一种基于分布式光纤的盐穴储氦库井筒泄漏监测装置及方法，装置包括第一光纤光缆、激光发射器及解调组件；第一光纤光缆沿内套管的长度方向布置于环空内；激光发射器用于向第一光纤光缆内发出激光脉冲；解调组件用于对第一光纤光缆内的光信号进行解调。本发明提出的技术方案的有益效果是：通过解调组件对所述第一光纤光缆内的光信号进行解调，以判断是否发生井筒泄露以及井筒泄露的位置及泄露流量。由于第一光纤光缆能够实现对监测对象的长期长距离地实时全面覆盖检测，并且光纤光缆具有实时直读、寿命长、传输与监测距离长、耐高温高压、不受电磁干扰、可靠性高、井下无电等优点，可用于长期可靠的连续在线监测。可用于长期可靠的连续在线监测。可用于长期可靠的连续在线监测。


技术研发人员：王同涛 邹先坚 杨春和 陈锋 黄广谭 廖友强
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：2023.01.14
技术公布日：2023/7/11