關鍵詞：OFDR、分布式光纖傳感、裂縫傳播

一. 概述

四川盆地涼高山組優質頁巖油儲層存在復雜的垂直重疊巖性，大陸頁巖油儲層存在發育層理，薄層和天然裂縫，對水平井多級壓裂技術的裂縫網絡形態控制和監測構成挑戰。本研究提出了一種基于OFDR分布式光纖傳感的實驗室真三軸壓裂物理監測方法。采用U型平面布局方式監測水力壓裂開始到結束的應變數據。

二. 實驗過程

本次實驗選用250 mm×250mm×200mm的立方體露臺，將巖石兩邊及底部開槽，使用氰基丙烯酸酯速干膠將0.9mm緊護套光纖固定在槽內。圖1為實驗前準備過程圖。使用武漢昊衡科技研發的OSI-D分布式光纖動態傳感設備，采集向井筒內加液壓過程中光纖應變數據，光纖測試系統空間分辨率選用1.28mm，圖2為光纖測試儀器實物圖及光纖原理示意圖。

圖2分布式光纖光監測設備及原理。

三. 測試結果

圖3比較了3個頁巖油樣品壓裂前后的裂縫網絡形態。圖4為三個樣品壓裂后300s光纖應變數據及對應頁巖油樣品位置圖。此時壓裂網絡已經啟動并正在穩步擴展。從視覺上看，斷裂的數量、監測的應變和左右兩側的斷裂形態都存在差異。在樣品1#的左右兩側分別有2個和1個水力裂縫，其中HF1’和HF3’的應變相對接近，約為410με，HF2’為247με。樣品2#的左右兩側分別有4個和2個水力裂縫，其中HF3’’的應變值為432με，其余分布在200-300με范圍內。樣品3#的左右兩側分別產生兩個水力裂縫，HF3’’的應變為408με，其余分布在350-390με范圍內。分布光纖采集的單向應變特征是正態應變為拉伸應變，負應變為壓縮應變。因此，這六種都是拉伸形裂縫，也被稱為I形裂縫。

圖3真三軸壓裂試驗前后頁巖油樣裂縫對比

圖4 頁巖水力壓裂井筒左右兩側裂縫形態對比及對應光纖測試數據

通過OFDR分布式光纖傳感系統監測光纖應變，發現斷裂開始后存在應變恢復過程。以樣品2#為例。隨著壓裂液體的連續注入，液壓迅速增大。當壓力達到頁巖油試樣的壓裂壓力值時，巖樣開始斷裂，然后產生拉伸和壓縮應變。樣品2#在第一次開始時7s內監測的應變如圖5所示，斷裂的產生是瞬時且有彈性的。HF3’’的拉伸應變從47με上升到276με，HF1’’從190秒到193秒從18με上升到121με。在第194秒，HF3’’的應變達到最大值，437 με。隨后，HF3’’的應變開始下降，在第197秒達到402με后，下降了近8%。然后，在壓裂液體注入過程中，裂縫位置的應變保持不變。持壓過程和斷裂起始階段的應變迅速增加，隨后略有下降；這表明斷裂起始是一個彈性過程，在斷裂起始時刻存在一個適當的應變恢復階段。此外，參考紅線，HF5’’的應變和HF6’’的應變在第199秒達到最大值，表明垂直斷裂的光纖兩側有2s的時間偏差。時間偏差是指垂直裂縫到達露頭兩側與混凝土兩側的時間不同，水力裂縫沿最大水平主應力方向不均勻傳播。此外，每個裂縫的左右兩側的應變帶也是不對稱的。

圖5 樣品2#實驗開始后的應變和泵的壓力曲線

圖6為光纖應變云圖以及裂縫擴展位置圖，應變云圖可以快速確定由光纖監測得到的應變數據的演化規律。它可以通過拉伸應變來確定水力裂縫的位置。在樣品的持壓過程中，沒有明顯的光纖光變形。在裂縫起始點附近，光纖只檢測到一個很小的應變（在50με范圍內）。當樣品出現裂縫時，光纖監測到拉伸和壓縮應變，此時應變值最大。裂縫寬度保持不變，在水力裂縫群傳播過程中，周圍位置受到拉應力的影響。與樣品2#相比，樣品1#和樣品3#的紅色條帶較窄，水力裂縫的寬度較小。當泵停止，混合壓力開始緩解后，整個光纖就會產生變化，因此會出現張力和壓縮帶，重新說明光纖狀態良好。

（b）樣品2#的垂直裂縫延伸到邊界，產生4個不對稱層狀裂縫。裂縫到達兩側時時間相差接近2秒

（c）垂直裂縫沿天然裂縫延伸，呈高角度延伸，連接兩條層狀裂縫 圖6 光纖測試應變云圖以及裂縫云圖

四. 結論

基于OFDR分布光纖傳感技術對真三軸壓裂過程巖石應變的監測，發現了垂直裂縫和層狀裂縫的不對稱擴展行為，并進行了分類。其主要結論如下：

垂直裂縫和層狀裂縫的裂縫擴展形態和表面性質都有所不同。層壓頁巖儲層中裂縫群的不對稱傳播模式主要反映了它們的傳播速度和方向。裂縫到達兩側有2s的時差。同時，主垂直裂縫與水平最大原位應力之間的夾角分別為23°、15°和34°。

裂縫的開產生是瞬間發生的，裂縫產生后具有彈性恢復的特征。在3s內的最大應變回復率約為8%，在裂縫擴展過程中應變是穩定的。這一特性可以為油田裂縫尖端的產生和延伸過程中添加砂的時間提供一種方法。

以下工作值得進一步研究：通過分布式光纖監測得到的應變云圖可以單獨獲得裂縫的寬度、長度和形狀等信息。通過分布式光纖應變監測，可以進一步跟蹤和確定裂縫的傳播路徑。分布式光纖的u型布置可以為相鄰井的壓裂監測提供一個實用的思路。

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來源：Rock Mechanics and Rock Engineering

題名：Distributed Fiber Optic Monitoring of Asymmetric Fracture Swarm Propagation in Laminated Continental Shale Oil Reservoirs

作者： 侯冰、張其星、呂嘉昕

原文鏈接： https://doi.org/10.1007/s00603-024-03791-z