【OFDR應(yīng)用案例】基于OFDR的巖石真三軸壓裂光纖應(yīng)變監(jiān)測研究

  概述

  本次實驗采用光頻域反射儀（OFDR）技術(shù)實現(xiàn)對室內(nèi)真三軸水力壓裂過程中裂縫進行實時監(jiān)測，精準(zhǔn)捕捉裂縫起始與擴展過程，獲取裂縫寬度、起始位置、擴展速度及高度等關(guān)鍵參數(shù)，為深入理解裂縫形態(tài)、優(yōu)化壓裂設(shè)計及油田高效開發(fā)提供技術(shù)支撐，解決傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)在裂縫形態(tài)和空間定位準(zhǔn)確性上的不足。

  測試方案

  （一）實驗裝置

  采用大型真三軸壓裂物理模擬系統(tǒng)，核心組件包括真三軸模型框架、高壓缸、液壓動力泵組、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及OFDR光纖監(jiān)測系統(tǒng)。OFDR光纖監(jiān)測系統(tǒng)為昊衡科技的OSI-D設(shè)備，進行分布式傳感光纖數(shù)據(jù)采集，其間分辨率能達到1.28mm，應(yīng)變測量精度1με，最大采樣率120Hz。

圖 1 真三軸壓裂物理模擬系統(tǒng)及OFDR分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)

  （二）樣品與光纖布局

  實驗樣品采用定制化整體澆鑄工藝，尺寸為400mm×400mm×400mm，由油井水泥和石英砂按2:5體積比混合制成，固化28天后獲得高強度、低滲透率樣品。光纖以“弓形”纏繞在金屬絲上，用棉線固定并點涂光纖膠水形成組件，通過拼接尾端反射消除器提升信號質(zhì)量，嵌入樣品指定高度，兩端延伸至模具外用于連接跳線。設(shè)置兩種監(jiān)測場景：裂縫與光纖垂直接觸時模擬相鄰水平井監(jiān)測，裂縫與光纖平行時模擬相鄰垂直井監(jiān)測。

圖 2光纖預(yù)埋方案

圖 3井筒與光纖位置關(guān)系

  （三）實驗參數(shù)與流程

  水平井監(jiān)測樣品的X軸應(yīng)力設(shè)定為25MPa、Y軸15MPa、Z軸10MPa，壓裂液采用10Pa·s硅油，注入排量30mL/min；垂直井監(jiān)測樣品的X軸應(yīng)力10MPa、Y軸25MPa、Z軸15MPa，壓裂液同前，注入排量20mL/min。

  實驗流程包括樣品放置與光纖連接、擋板安裝、光纖定位（通過溫水棉簽確定起始位置）、樣品推入壓裂腔室并施加三軸圍壓、注入壓裂液至樣品破裂、同步采集井口壓力與光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)，實驗后分析巖石破碎情況與裂縫形態(tài)。

  數(shù)據(jù)處理流程為：將高頻應(yīng)變數(shù)據(jù)降采樣生成LF-DAS信號，剔除異常值并過濾，創(chuàng)建應(yīng)變瀑布云圖，選取對稱點繪制單纖維應(yīng)變曲線，通過公式計算應(yīng)變與裂縫寬度。

  測試方案

  （一）相鄰水平井監(jiān)測結(jié)果

  壓裂后樣品沿水印線裂開，裂縫F1垂直于最小水平主應(yīng)力方向呈均勻圓形擴展。

  圖 4斷裂重建示意圖：(a)樣品的三維模型，(b)斷裂的俯視圖，(c)光纖路徑坐標(biāo)的示意圖

  在6.1分鐘時發(fā)生斷裂，斷裂壓力24.4MPa。OFDR監(jiān)測的光纖應(yīng)變經(jīng)歷應(yīng)變增強、應(yīng)變收斂和應(yīng)變帶形成三個階段，泵送停止后應(yīng)變速率帶反轉(zhuǎn)。通過應(yīng)變瀑布云圖可明確裂縫直接接觸各光纖的具體位置，結(jié)合時間差計算得出裂縫擴展速度：D-E段1.66mm/s、C-B段0.83mm/s、B-A段0.76mm/s，當(dāng)裂縫直接接觸C、D纖維時形成壓縮應(yīng)變帶，B、E纖維處應(yīng)變影響減弱。

圖 5(a)光纖應(yīng)變與(b)應(yīng)變率的瀑布云圖

圖 6c（左）段光纖、d（右）段光纖應(yīng)變瀑布圖

  裂縫寬度通過應(yīng)變曲線計算得出，最大寬度達0.1256mm，泵送停止后逐漸減小至0.0536mm。未接觸光纖時，光纖出現(xiàn)“雙峰應(yīng)變”現(xiàn)象，隨裂縫逼近逐漸收斂。

圖 7瀑布圖及不同時間點的應(yīng)變變化曲線

  （二）垂直井監(jiān)測結(jié)果

  樣品斷裂后呈現(xiàn)垂直于最小水平主應(yīng)力的單一裂隙F1，僅局限于巖石上半部。

  圖 8斷裂重建示意圖：(a)樣品的三維模型，(b)斷裂的俯視圖，(c)光纖路徑坐標(biāo)的示意圖

  7.2分鐘時達到27.3MPa破裂壓力。光纖布局方向與裂縫高度擴展方向平行，裂縫垂直擴展引發(fā)光纖軸向應(yīng)變，OFDR監(jiān)測的應(yīng)變瀑布圖在測量點1100附近出現(xiàn)明顯拉伸應(yīng)變帶，應(yīng)變率瀑布圖中該區(qū)域在泵停時出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

圖 9(a)光纖應(yīng)變與(b)應(yīng)變率的瀑布圖

  依據(jù)拉伸應(yīng)變帶的沿光纖坐標(biāo)估算裂縫高度，光纖A、B、C、D測得高度分別為23.55cm、23.12cm、23.16cm、23.58cm，平均值23.35cm，與實測值22.36cm相比誤差僅4.4%。

圖 10各光纖的預(yù)估斷裂高度

  測試結(jié)論

  OFDR分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)真三軸壓裂過程全時域高精度應(yīng)變觀測，結(jié)合泵送曲線與應(yīng)變、應(yīng)變率瀑布云圖，能精準(zhǔn)識別裂縫起始位置、擴展速度及擴展階段。

  判斷裂縫是否接觸光纖需綜合分析兩類瀑布云圖，接觸時會出現(xiàn)條帶狀分布，應(yīng)變幅值顯著高于未接觸狀態(tài)。裂縫引起的光纖應(yīng)變分為應(yīng)變增強、收縮收斂和應(yīng)變帶形成三階段，應(yīng)變速率變化分為增強、帶形成和泵停后反轉(zhuǎn)三階段；未接觸時光纖呈“雙峰應(yīng)變”，接觸后合并為單一峰值。當(dāng)裂縫高度擴展方向與光纖布局一致時，OFDR技術(shù)可準(zhǔn)確評估裂縫高度，誤差僅4.4%，為水力壓裂裂縫監(jiān)測提供了高效手段。

  原文來自：

  標(biāo)題：《Real-time monitoring of rock fracture by true triaxial test using fiberoptic strain monitoring in adjacent wells》

  作者：Yuanhang Zhang, Tiankui Guo, Ming Chen, Zhanqing Qu, Zunpeng Hu, Bo Zhang,Linrui Xue, Yunpeng Wang

  期刊：Journal of Rock Mechanics andGeotechnical Engineering 17 (2025)3762-3772