1.概述

本文基于OFDR技術的光纖應變監測方法，監測了真三軸條件下人造巖石試樣與頁巖的水力壓裂試驗。結果表明，OFDR技術能以毫米級分辨率實時監測裂縫起裂、擴展及閉合全過程，并建立基于應變演化的裂縫判別準則，為光纖壓裂監測的工程應用提供有效指導。

2.實驗過程

人造試樣制備：水泥和石英砂按照1：1的體積比制成混凝土,澆筑成邊長為300mm的立方體試樣，將光纖嵌入到未凝固的混凝土中,并在試樣中下入與井筒夾角為60°的1張A5紙作為預制人造試樣的天然裂縫。

圖1分布式光纖及預制的天然裂縫在人造試樣中布設方式

頁巖試樣制備：所取的頁巖露頭為四川盆地梁高山組頁巖，將頁巖露頭切割成邊長為200mm的立方體,并在表面切割出Ｕ形槽用于光纖布設，為保證均勻施加圍壓,在頁巖試樣周圍包裹混凝土,制成邊長為300mm的立方體試樣。

圖2頁巖試樣照片及頁巖試樣混凝土包裹示意圖

3.實驗結果分析

人造試樣數據：

圖3為人造試樣壓裂后裂縫擴展形態。可以看出:人造試樣出現了３條橫切井筒的垂直裂縫,裂縫３為水力壓裂產生的主裂縫;因試樣內有預制的天然裂縫,壓裂液激活天然裂縫導致裂縫２起裂;裂縫１由試樣頂部滲液產生。３條裂縫均為非對稱擴展。

圖3人造試樣壓裂后裂縫擴展形態

壓裂液注入后，裂縫3（距光纖首端最遠）最先起裂，其擴展引發孔洞滲液使應變下降；裂縫2起裂前對應光纖位置出現壓應變區（天然裂縫閉合標志），激活后應變由壓轉張，其擴展導致裂縫3張應變減弱，表明相鄰裂縫存在寬度競爭效應。

裂縫1起裂導致泵壓驟降，但其應變響應強度顯著弱于裂縫2、3，因其由試樣頂部滲液形成，所以裂縫擴展受限。

圖4人造試樣壓裂過程光纖應變瀑布圖

頁巖試樣數據：

圖5顯示，頁巖試樣壓裂后形成一條高角度傾斜主裂縫（裂縫4），該縫連通多條層理縫。試樣因富含層理縫及高角度天然裂縫，壓裂液滲入層理和天然裂縫，促使多縫開啟擴展，最終形成由主縫、層理縫及誘導縫交織的復雜縫網。

圖5頁巖試樣壓裂后裂縫擴展形態

圖6顯示，頁巖試樣壓裂過程中泵壓出現三次顯著下降：首次源于高角度天然裂縫激活形成主裂縫（裂縫4），后兩次對應層理縫或誘導縫開啟。應變瀑布圖顯示，裂縫4初始階段因天然裂縫閉合呈現壓縮區，激活后轉為拉伸區。大范圍楔形張應變匯聚帶反映層理縫擴展（近光纖處信號強），而窄張應變帶對應天然裂縫誘導縫活動，中部壓應變帶則指示未激活的天然裂縫。

圖6頁巖試樣壓裂過程光纖應變瀑布圖

基于試驗結果，提出了裂縫形態判別準則（圖7）：

1.小范圍壓應變匯聚帶→高角度天然裂縫存在

2.壓應變轉張應變→高角度縫被水力裂縫溝通

3.楔形張應變帶→層理縫開啟擴展

4.多段弱張應變→天然裂縫誘導縫生成

該準則可通過鄰井光纖應變數據快速識別主裂縫及次生裂縫擴展形態，為現場壓裂監測提供直觀判據。

圖7不同類別裂縫誘發分布式光纖應變演化特征

4.結論

1.裂縫動態識別

光纖應變數據可精準判定水力裂縫數量、起裂位置及擴展時序，揭示多裂縫競爭擴展現象。壓應變區的出現指示該位置存在未被激活的天然裂縫。

2.天然裂縫狀態判別

未被溝通的高角度天然裂縫對應小范圍壓應變區；若水力裂縫與其連通，壓應變區迅速轉為張應變區。

3.層理縫擴展特征

層理縫開啟擴展時，光纖應變瀑布圖呈現“楔形”張應變匯聚帶，信號強度與層理縫至光纖距離相關。

4.復雜縫網形成標志

頁巖層理及高角度天然裂縫擴展時，壓裂液激活多縫形成復雜縫網，光纖應變圖中出現多條窄張應變匯聚帶（對應天然裂縫誘導縫），局部壓應變帶反映未激活裂縫。

5.現場應用價值

基于不同裂縫類型（主縫、層理縫、誘導縫等）的應變演化特征，可反演出主裂縫及次生裂縫擴展動態，提升分布式光纖監測數據的解釋效率，為水力壓裂提供可靠的數據支持。

通過OFDR分布式光纖傳感技術，可在水力壓裂過程中,準確地監測裂縫的生成與擴展，這對于評估壓裂效果、優化施工參數和提高經濟效益具有重要意義。

如需下載原文，請移至:

題名：水力壓裂多裂縫擴展誘發光纖應變演化試驗研究

作者：王 溯 陳 勉 呂嘉昕

原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=-Y4qPNLDuvbl9QtTPZVfw5Es5gY583s8L3VNHTmadq9UrJ8Y5PX4E1gvk6ZLgc8RnaBTHRM_zC-Esu7UDjEABHLFeJIZqMuApdveVpmRKPJDiQNA6G96I2jMYn7L-4hV6II78L8ffeEXdbhrrsDoiKquE4FTVhjxLy-s6b5wG1fJ2mevacGUHQ==&uniplatform=NZKPT&language=CHS