一. 概述
分布式光纖應(yīng)變傳感已成為水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的前沿技術(shù)。本研究在巖石制作過程將光纖嵌入式布設(shè)在內(nèi)部各個(gè)位置，利用昊衡科技的OSI設(shè)備測(cè)量了裂縫傳播過程的應(yīng)變變化，通過測(cè)試數(shù)據(jù)推算裂縫的幾何形狀。
二. 測(cè)試過程
本研究在一個(gè)大規(guī)模的真三軸試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采用大型混凝土樣品進(jìn)行壓裂實(shí)驗(yàn)，混凝土樣品由水泥、石英粉和水按10：4：5的比例制成，切割至尺寸為762mm×762mm×914mm，將光纖S形嵌入式布設(shè)在巖石內(nèi)部。
圖1. 光纖布設(shè)示意圖
圖2. (a)光纖測(cè)試系統(tǒng) (b)混凝土光纖出口處
在加載約束應(yīng)力后，向井筒中注入液體。壓裂處理數(shù)據(jù)如圖3所示。在注液過程中，光纖測(cè)試系統(tǒng)空間分辨率選用5.12mm（即5.12mm一個(gè)傳感點(diǎn)），實(shí)時(shí)記錄光纖保存數(shù)據(jù)。
圖3. 實(shí)驗(yàn)的壓裂數(shù)據(jù)，包括注射速率與時(shí)間和處理壓力與時(shí)間
三. 測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨著裂縫逐漸接近光纖，裂縫前的光纖會(huì)感知到拉伸應(yīng)變，當(dāng)裂縫到達(dá)光纖位置時(shí)，光纖局部位置應(yīng)變變大，出現(xiàn)大應(yīng)變梯度，此時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動(dòng)，我們可以認(rèn)定此時(shí)裂縫已經(jīng)到達(dá)該光纖位置，圖4為注液過程中不同時(shí)期的應(yīng)變監(jiān)測(cè)截圖，可以看到裂縫從井筒位置向外部逐漸擴(kuò)散，最終泵關(guān)閉時(shí)，圖4（d）最外側(cè)有拉伸應(yīng)變但沒有出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)波動(dòng)，我們判斷裂縫此時(shí)接近該光纖位置。
圖4. 不同時(shí)期光纖測(cè)量應(yīng)變信號(hào)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)界面截圖
圖5. (a)壓裂期間的光纖測(cè)量應(yīng)變 (b)壓裂期間的應(yīng)變率
圖5（a）將H-N階段的應(yīng)變數(shù)據(jù)使用等高線圖畫出，可以識(shí)別出6個(gè)線條，這是裂縫產(chǎn)生的位置，隨著時(shí)間的推移，線條逐漸變粗，表明裂縫寬度增大。泵停機(jī)后，線條逐漸變細(xì)，說明裂縫逐漸閉合。圖5(b)為注液過程應(yīng)變率的等高線圖，可以與應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖6顯示了應(yīng)變數(shù)據(jù)，其圖例聚焦于0?300με。我們可以看到典型的“圓錐形/心形”和“條紋”模式，這可以表明裂縫與光纖位置的相對(duì)關(guān)系。對(duì)“錐形/心形”的基本理解是裂縫向光纖接近的過程，“條紋”是指裂縫穿過光纖位置，裂縫繼續(xù)傳播?！板F形/心形”和“條紋”的交點(diǎn)是裂縫正好到達(dá)光纖位置。
圖6. 應(yīng)變數(shù)據(jù)顯示在一個(gè)緊湊的值范圍內(nèi)，可以觀察到典型的“錐形/心形”和“條紋”模式。
實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，我們對(duì)混凝土樣品進(jìn)行切片和掃描，最終通過一種算法進(jìn)行合成，形成裂縫的幾何形狀。我們將使用光纖傳感監(jiān)測(cè)結(jié)果輸入模擬的裂縫形態(tài)與切割和掃描解釋合成的裂縫形態(tài)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)裂縫形態(tài)的一致性在一個(gè)相當(dāng)好的范圍內(nèi)。
圖7 (a)混凝土切片樣本；(b)通過掃描和算法處理合成的裂縫形態(tài)
四. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
首次成功地利用基于OFDR的光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)裂縫傳播和推算裂縫幾何形狀進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究。OFDR基于高空間分辨率和高精度應(yīng)變測(cè)量的分布式傳感器在壓裂處理過程中監(jiān)測(cè)混凝土樣品應(yīng)變變化的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究中具有顯著的潛力。這是第一次大規(guī)模室內(nèi)壓裂實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚓_地測(cè)定裂縫傳播位置和時(shí)間，為開展許多大規(guī)模的多三軸實(shí)驗(yàn)研究提供了巨大的幫助和啟示，它們需要準(zhǔn)確地計(jì)算裂縫的傳播位置、時(shí)間以及確認(rèn)裂縫的形態(tài)。
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來源：Society of Petroleum Engineers DOI 10.2118/215635-MS（SPE國(guó)際水力壓裂技術(shù)會(huì)議和展覽會(huì)）
題名：Large-Scale Experimental Investigation of Fracture Propagation Using OFDR-Based Distributed Fiber-Optic Strain Sensing
作者：Jin Tang, Haifeng Fu, Nailing Xiu, Dingwei Weng, and Qun Lei, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina
原文鏈接：http://onepetro.org/SPEIHFT/proceedings-pdf/23IHFT/2-23IHFT/3249942/spe-215635-ms.pdf by Research Inst Petr Expl & Dev user on 18 September 2023
