一. 概述
分布式光纤应变传感已成为水力压裂实时监测的前沿技术。本研究在岩石制作过程将光纤嵌入式布设在内部各个位置，利用昊衡科技的OSI设备测量了裂缝传播过程的应变变化，通过测试数据推算裂缝的几何形状。
二. 测试过程
本研究在一个大规模的真三轴试验现场采用大型混凝土样品进行压裂实验，混凝土样品由水泥、石英粉和水按10：4：5的比例制成，切割至尺寸为762mm×762mm×914mm，将光纤S形嵌入式布设在岩石内部。
图1. 光纤布设示意图
图2. (a)光纤测试系统 (b)混凝土光纤出口处
在加载约束应力后，向井筒中注入液体。压裂处理数据如图3所示。在注液过程中，光纤测试系统空间分辨率选用5.12mm（即5.12mm一个传感点），实时记录光纤保存数据。
图3. 实验的压裂数据，包括注射速率与时间和处理压力与时间
三. 测试结果
实验结束后将光纤应变数据进行处理，随着裂缝逐渐接近光纤，裂缝前的光纤会感知到拉伸应变，当裂缝到达光纤位置时，光纤局部位置应变变大，出现大应变梯度，此时数据出现异常波动，我们可以认定此时裂缝已经到达该光纤位置，图4为注液过程中不同时期的应变监测截图，可以看到裂缝从井筒位置向外部逐渐扩散，最终泵关闭时，图4（d）最外侧有拉伸应变但没有出现异常数据波动，我们判断裂缝此时接近该光纤位置。
图4. 不同时期光纤测量应变信号的动态监测界面截图
图5. (a)压裂期间的光纤测量应变 (b)压裂期间的应变率
图5（a）将H-N阶段的应变数据使用等高线图画出，可以识别出6个线条，这是裂缝产生的位置，随着时间的推移，线条逐渐变粗，表明裂缝宽度增大。泵停机后，线条逐渐变细，说明裂缝逐渐闭合。图5(b)为注液过程应变率的等高线图，可以与应变数据进行比较。图6显示了应变数据，其图例聚焦于0−300με。我们可以看到典型的“圆锥形/心形”和“条纹”模式，这可以表明裂缝与光纤位置的相对关系。对“锥形/心形”的基本理解是裂缝向光纤接近的过程，“条纹”是指裂缝穿过光纤位置，裂缝继续传播。“锥形/心形”和“条纹”的交点是裂缝正好到达光纤位置。
图6. 应变数据显示在一个紧凑的值范围内，可以观察到典型的“锥形/心形”和“条纹”模式。
实验结束后，我们对混凝土样品进行切片和扫描，最终通过一种算法进行合成，形成裂缝的几何形状。我们将使用光纤传感监测结果输入模拟的裂缝形态与切割和扫描解释合成的裂缝形态进行了比较，发现裂缝形态的一致性在一个相当好的范围内。
图7 (a)混凝土切片样本；(b)通过扫描和算法处理合成的裂缝形态
四. 实验结论
首次成功地利用基于OFDR的光纤传感技术监测裂缝传播和推算裂缝几何形状进行了大规模的实验研究。OFDR基于高空间分辨率和高精度应变测量的分布式传感器在压裂处理过程中监测混凝土样品应变变化的室内实验研究中具有显著的潜力。这是第一次大规模室内压裂实验能够精确地测定裂缝传播位置和时间，为开展许多大规模的多三轴实验研究提供了巨大的帮助和启示，它们需要准确地计算裂缝的传播位置、时间以及确认裂缝的形态。
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来源：Society of Petroleum Engineers DOI 10.2118/215635-MS（SPE国际水力压裂技术会议和展览会）
题名：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
原文链接：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
