基于分布式光纤监测的真三轴水力压裂试验研究+分布式光纤监测致密砾岩样品的水力压裂

关键词：分布式光纤；真三轴；水力压裂；物理模拟；应变监测

文献信息：Zhang, Qixing, Hou, Bing, Chang, Zhi, Wang, Su, and Jinyang Xie. "Experimental Study on True Triaxial Hydraulic Fracturing Based on Distributed Fibre-Optical Monitoring." Paper presented at the International Geomechanics Symposium, Abu Dhabi, UAE, November 2022. doi:10.56952/IGS-2022-209

摘要译文：

本文详细介绍了一种基于光频域反射（OFDR）的分布式光纤解调器。然后，结合大型真三轴压裂物理模拟设备，利用裸光纤对混凝土样品进行了裂缝监测的室内实验。实验结果表明，OFDR光纤传感技术可以在全时域内以高空间分辨率和高精度监测裂纹萌生、扩展和闭合过程中的应变演化变化。当泵送排量从15ml/min增加到50ml/min时，混凝土样品破裂后产生的水力裂缝宽度增加了约两倍。分布式光纤传感器在水力压裂监测中的应用。

摘要原文：

This paper introduces a distributed fibre-optical demodulator based on optical frequency domain reflectance (OFDR) in detail. Then, combined with large-scale true triaxial fracturing physical simulation equipment, the laboratory experiments of fracture monitoring of concrete samples were carried out with bare optical fibre. The experimental results show that OFDR optical fibre sensing technology can monitor the change of strain evolution with high spatial resolution and high accuracy in fracture initiation, propagation, and closure in the whole-time domain. When the pumping displacement is increased from 15ml/min to 50ml/min, the hydraulic fracture width generated after the fracturing of the concrete sample increases by about twice. Hydraulic fracture monitoring by distributed optical fibre sensors under true triaxial fracturing can provide reference and guidance for the oilfield stimulation and fracture monitoring technology.

图一 基于反向瑞利散射的检测技术原理图

光纤散射有三种：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。

瑞利散射也称为弹性散射，因为入射光和散射光的频率和波长相同。OFDR是一种基于反向瑞利散射的检测技术。可调谐激光器发射的线性频率扫描光被耦合器分为两束，其中一束在到达反射器后返回耦合器作为参考光。当另一束光束作为待测光进入待测光纤并向前传播时，会连续产生反向瑞利散射信号。信号光和参考光在耦合器中相互干涉，并且由干涉引起的拍频与待测量光纤的位置成比例。拍频信号随后被光电转换。

当要测量的光纤受到温度或应变的影响时，光纤内部的折射率分布将发生变化。待测量的光纤将产生瑞利散射频移。计算可以获得测量信号（有扰动）和参考信号（无扰动）之间的瑞利散射频移。因此，我们可以实现对光纤特定位置的应变和温度的测量，以及对整个光纤的分布式测量。

图二 真三轴压裂模拟实验系统示意图

本实验采用中国石油大学（北京）岩石力学实验室设计的大型真三轴压裂模拟实验系统。模拟了垂直井筒中水力裂缝的起裂、转向和扩展形态，OFDR系统监测了整个实验过程。测试系统由真三轴实验组件、三轴液压稳压源（WY-300/III）、液压流体和液压动力油隔离组件、MTS增压和控制器、数据采集和处理系统、声发射监测器和OFDR监测仪器组成。

在实验过程中，水平最大主应力和水平最小主应力分别设定为10MPa和5MPa。没有施加覆盖层压力，以便于放置光纤线路并检查光纤是否处于良好状态。

图三 真三轴压裂实验平台及混凝土样品示意图

图四 真三轴压裂实验的泵压曲线和排量设定

结果表明，水力裂缝不仅穿透天然裂缝，而且沿垂直井眼方向形成剪切裂缝；也有水力裂缝连接自然裂缝，然后改变方向，形成复杂的裂缝网络的情况。当泵停止吸液时，泵压迅速下降；然后启动泵，泵压直线上升，然后下降，这表明样品破裂或与自然裂缝相连。这主要是因为在启动泵的时刻向样品提供脉冲压力，这导致示例破裂。实验结果表明，突排压裂可以提高裂缝网络密度，提高储层的预测能力。

关键词：分布式光纤；真三轴；物理模拟；水力压裂；生产监测；砾石

文献信息：Wang, Zhenyu, and Botao Lin. "Hydraulic Fracturing of a Tight Conglomerate Sample with Distributed Optical Fibre Monitoring." Paper presented at the 57th U.S. Rock Mechanics/Geomechanics Symposium, Atlanta, Georgia, USA, June 2023. doi: 10.56952/ARMA-2023-0097

摘要译文：

本文采用分布式光纤监测系统，在真三轴物理模拟实验中精细地描述了砾石对裂缝扩展的影响。试验结果表明，在应力差控制下，大粒砾石对裂缝的阻碍作用远高于小粒砾石对裂纹的阻碍作用。裂隙主要遇到大粒砾石缠绕在砾石周围，裂隙在岩石内部产生较多的微裂隙。瀑布云地图显示拉伸和压缩区域的变化较大。当裂缝遇到小砾石时，裂缝仍然以砾石包裹为主，并有一些砾石渗透，瀑布云图上的应变分布是均匀的。当砾石无序时，断裂形态复杂多样。

摘要原文：

In this paper, a distributed fiber-optic monitoring system is used to finely portray the effect of gravel on crack extension during a true triaxial physical simulation experiment. The experimental results show that under the control of stress difference, the obstruction effect of large-grained gravels on cracks is much higher than that of small-grained gravels on cracks. The fracture encounters the large-grained gravels to wind around the gravels mainly, and the fracture produces more microfractures within the rock. The waterfall cloud map shows a greater variation in the stretching and compression regions. When the fractures encounter small gravels, the fractures are still predominantly gravel-wrapping with some gravel penetration, and the strain distribution on the waterfall cloud diagram is uniform. When the gravel is disordered, the fracture morphology is complex and diverse.

光纤折射率的变化会产生瑞利散射。散射点的位置是散射的和随机的。当检测脉冲遇到散射点时，它会产生所有方向的瑞利散射光。只有满足全反射的背散射光才能返回入射端，这种散射光就成为背散射瑞利光。脉冲光和后向瑞利光在正方向上传输。脉冲光的散射前端在反向传播过程中会产生叠加效应。检测脉冲在光纤内部的传播常数可以表示为。脉冲频率的扫描速率可以表示为k，单位为oct/min。随时间线性扫描的光波的频率可以表示为Hz，k可由以下方程所表示。

对纤维岩的力学结构进行了以下假设，1. 纤维芯和包层的机械性能相同。我们可以忽略核心和包层之间的滑动；2. 纤维岩的变形是各向同性的。

图一 OFDR光纤监测设备

实验设备为大型实三轴实验机和OSI分布式光纤监测系统。OSI系统通过外部接线板连接到样品内部的预制光纤。通过周边压力板实验施加周边压力，并添加一定量的磷光体作为裂缝示踪剂。真三轴实验平台和光纤监测设备如图1所示。

图二 人工砾岩实验样品

图三 岩石样品和纤维安装示意图

样品制作过程与光纤安装过程如图二和图三所示。

在实验结束时，将试样沿裂纹表面切开，裂缝沿着垂直于最小水平地面应力的方向形成横向裂缝。整体裂缝模式为T形缝。当裂缝横向延伸到纤维时，裂缝与纤维相交，相交后，裂缝继续沿着纤维向尾端延伸，最后，压裂液从纤维出口泄漏。实验方案将两个方向之间的应力差设置为10MPa。应力差与裂缝更为紧密，裂缝在砾石周围表现出整体膨胀。

图四 岩样的裂缝扩展形态

图五 岩石状光纤应变瀑布图

图六 岩样泵注圧力曲线

实验得出以下结论：1.分布式光纤监测技术可以全时段、高精度地监测整个压裂过程中的应力应变，并结合泵送压力曲线，准确判断压裂过程中裂缝的萌生和扩展。岩石内部的时间和空间变化可以通过绘制应力-应变瀑布云来直观地描绘。2.在应力差控制下，大粒砾石对裂缝的阻碍程度远高于小粒砾石对裂隙的阻碍程度。裂缝遇到大颗粒砾石，主要缠绕在砾石周围，裂缝在岩石中产生更多的裂缝。瀑布云图显示了拉伸和压缩区域的较大变化。当裂缝遇到小砾石时，裂缝仍然以砾石缠绕为主，并有一些砾石穿透，瀑布云图中的应变分布相对均匀。当砾石无序时，断裂形态复杂多样。