[发明专利]基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法

权利要求书

1.一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，具体方法如下：

步骤1)辨识井壁受力特征

1.1)根据井壁和周围岩土体中传感光纤所测的应变分布，分别计算井壁和周围岩土体的沉降量，确定周围岩土体对井壁的附加应力

有关井壁和周围岩土体的沉降计算公式为：

式中，S为基于分布式实测应变的井壁或井壁周围岩土体的沉降量；ε_m为实测应变；n为采样点数量；l_i和l_i+1分别为井壁或井壁周围岩土体中任意段埋深范围；

有关周围岩土体对井壁的附加应力为：

式中，q为附加应力；E为井壁混凝土弹性模量；r为井壁的外径；ε_i和ε_i+1分别为井壁埋深分别为h_i和h_i+1的实测应变；

1.2)根据温度传感光纤测量井壁内外温度差异，建立井壁内、外壁温度与切向应力之间关系，确定井壁受力特征，计算公式为：

式中，σ_x为切向应力；E为井壁的弹性模量；α为井壁的材料膨胀系数；μ为井壁混凝土材料的泊松比；ΔT为沿井壁壁厚各点的温度变化值；分别为井壁传感光纤环向应变梯度和纵向应变梯度；

1.3)利用混凝土井壁沿线布设的应变传感光纤，建立应变传感光纤所受剪应力与应变梯度之间关系，确定井壁裂隙发育位置，即

式中，τ为应变传感光纤与井壁混凝土之间的剪应力；E为应变传感光纤的弹性模量；D为应变传感光纤的直径；为应变传感光纤沿深度的应变梯度；

裂隙上、下应变传感光纤剪应力受力方向互为相向，且[σ]＝E·ε大于井壁混凝土的抗拉强度σ_b时，井壁发生裂隙；

步骤2)当高寒区含水层冻胀压力、水压力及注浆压力等作用下井壁发生变形破坏时，利用井壁和周围岩土体沿线布设的应变传感光纤，计算岩土体沉降量对井壁的附加应力，确定井壁变形破坏位置；

步骤3)利用井壁沿线布设的温度传感光纤，当井壁受含水层水压、冻土压力及注浆压力作用下发生破裂时，地下水或注浆浆液沿裂隙流动并形成井壁温度的降低区，通过对温度降低区的辨识，确定裂隙发育位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，所述的温度降低区的确定方法包括：

1)基于井壁沿线布设的温度传感光纤，测量井壁温度分布，当温度传感光纤所测的温度低于零度时，确定井壁冻结深度；或

2)通过含有碳纤维加热丝的温度传感光纤，测量井壁温度分布，计算井壁沿线温度梯度，根据温度梯度的特征点，确定井壁冻结深度,温度梯度的计算公式为

式中，TG为温度梯度；k为比例系数；T为温度传感光纤所测岩土体和混凝土温度；T₀为通过碳纤维加热丝控制的温度传感光纤基础温度。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，分别在立井周围岩土体、井壁与岩土体边界、立井外壁与立井内壁之间及立井内壁表面布设多根垂向传感光纤；同时沿立井内壁表面环向布设传感光纤，传感光纤沿立井深度设置多层；所有传感光纤以首尾相连方式熔接后，与预留在井口的光缆进行熔接并铺设至监测室，通过光缆与分布式光纤解调仪连接后，测量井壁沿线应变和温度参量；所述的传感光纤为一体式应变、温度传感光纤，将温度传感光纤测量数据作为温度补偿，校准应变传感光纤量值。

4.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，所述应变传感光纤为紧套传感光纤；温度传感光纤分为两种，一种为松套传感光纤；另一种为在松套传感光纤的传感光纤与护套之间添加碳纤维加热丝，加热丝连通电源之后能够调节传感光纤的温度值。

5.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤技术的高寒区井壁变形状态辨识方法，其特征在于，沿立井井壁开凹槽，凹槽的宽度为3mm、深度为5mm，传感光纤嵌装于凹槽内，待传感光纤布设后，采用环氧树脂与稀释剂组合的粘结剂进行充填。