CN105319580A - 一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，属于振动检测领域。所述基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统包括：三轴压力装置、水压裂装置和光纤光栅检测装置；被测模型安装在三轴压力装置上，在被测模型内部封装有导流管，导流管伸出被测模型外的一端与所述水压裂装置连接；所述光纤光栅检测装置上的光纤光栅传感器设置在所述被测模型的表面上。

Description

一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统

技术领域

本发明属于振动检测领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统。

背景技术

水力压裂是油气井增产的一项重要技术措施。它不仅广泛应用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中取得了很好的效果。它利用地面高压泵将流体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井中预定位置憋起高压。当此压力大于附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在预定位置附近产生裂缝以增加油气的渗透传输能力。在岩石等脆性材料的破裂过程中，一般伴随着声、电磁和变形等物理现象，其中声发射是一种常见的物理现象。当岩石受外力或内力作用产生变形或断裂时，就以弹性波形式释放出应力应变能，这一现象被称为微地震现象。

所谓微地震压裂监测技术就是监测水力压裂过程中地下岩石破裂所产生的微地震信号，通过数据处理和解释，描述压裂过程中裂缝产生的几何形状和空间展布，绘制裂缝发育的方向、变化和发育程度,为油气和非常规气开发提供科学依据。

在压裂现场，强烈的机械噪音和其他环境噪音干扰使得微地震信号难以检测。通过在室内模拟压裂实验，可以对岩石压裂裂缝扩展的实际物理过程进行监测，并且对形成的裂缝进行直接观察，从而得到裂缝微地震信号真实的特性。这对于正确认识特定层位水力裂缝扩展的机理，并在此基础上建立更贴近实际的数值模型具有重要的意义。

一个完整的室内模拟压裂实验系统应能做到：

①能模拟井中岩石在在一定范围内不同深度的受三轴压力的受力环境；

②注入流体的注入速度应该根据需要可调可控，在岩石渗透率大时需要快速注入，反之需要慢速注入；

③在可能的范围内，能够测试的岩石就可能大，越大与实际情况约接近；

④微地震信号检测点尽可能多，检测传感器应具有灵敏度高、宽频带、尺寸小和易于安装；

由于各方面的原因，现有的进行水力压裂模拟实验的微震模拟实验系统不能满足上面的全部要求，因此仿真度较低。其中一个重要原因是检测微地震信号的传感器体积相对较大，在三轴压力加入后，传感器的不好安装或安装个数多后影响三轴压力效果。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，通过采用光纤光栅传感器等技术构建一种新的水压裂微地震模拟实验系统。该系统通过对实验岩石施加三轴压力、进行可控水压裂并用光纤光栅传感器对微震信号进行高密度、宽频带采集，可在实验室内真实模拟野外水压裂微地震信号的产生过程和采集过程。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，包括：三轴压力装置、水压裂装置和光纤光栅检测装置；

被测模型安装在三轴压力装置上，在被测模型内部封装有导流管，导流管伸出被测模型外的一端与所述水压裂装置连接；

所述光纤光栅检测装置上的光纤光栅传感器设置在所述被测模型的表面上。

所述三轴压力装置包括：X轴、Y轴、Z轴以及用于分别驱动X轴、Y轴、Z轴的X轴液压驱动装置、Y轴液压驱动装置和Z轴液压驱动装置，在X轴、Y轴、Z轴上分别装有X轴压板、Y轴压板、Z轴压板，在X轴压板、Y轴压板和Z轴压板上均开有细槽。

所述三轴压力装置包括铲车、后定梁和顶出气缸；

被测模型被铲车装入三轴压力装置的压力仓中，通过控制X轴、Y轴、Z轴将被测模型推入压紧并加压直到压力达到预定值；

导流管从后定梁上开的流体注入孔中伸出，与水压裂装置的流体输出管相接以便输入高压流体；

所述顶出气缸用于将被测模型从压力仓中顶出。

所述水压裂装置采用恒速恒压泵；

恒速恒压泵将水加压经过导流管加注到被测模型内部并最终使其破裂。

所述光纤光栅检测装置包括：FP激光器，环形器，密集波分复用器，光电探测器,A/D转换器、光纤光栅传感器和计算机；

所述FP激光器与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光纤光栅传感器的一端连接；所述环形器的第三端口与所述密集波分复用器连接；

所密集波分复用器与所述光电探测器连接，所述光电探测器与A/D转换器连接，所述A/D转换器与计算机连接。

所述光纤光栅传感器采用在一根光纤上雕刻多个光纤光栅而制成，或者利用光纤将多个光纤光栅依次串联而制成。

所述光纤光栅传感器粘贴在被测模型的表面上，粘贴光纤光栅传感器的位置与X轴压板、Y轴压板或Z轴压板上的细槽对应，当X轴压板、Y轴压板或Z轴压板压紧被测模型时，所述光纤光栅传感器位于细槽中。

所述FP激光器输出多波长激光。

每只光纤光栅的设计中心波长与FP激光器的输出波长相匹配，即一个光纤光栅对应FP激光器的一个输出波长；

每个输出波长对应一个光电探测器，A/D转换及数据采集卡的每个通道连接一路信号。

所述FP激光器输出的激光通过环形器的第一端口进入环形器，然后从环形器的第二端口进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射的信号经过环形器的第二端口进入环形器，再从环形器的第三端口输出，进入密集波分复用器，密集波分复用器将光纤光栅传感器反射的波分复用信号分离后输入到光电探测器，光电探测器将解调后的光信号转换成电信号，通过A/D转换进行数据采集后，送至计算机进行处理及显示。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过该系统进行的室内微地震实验以及后期处理，可以弄清楚水力压裂岩石破裂规律与岩石所受力的关系，可以知道岩石破裂产生的微地震波的特征、频率、能量等参数，对裂缝方位、形态和延伸情况进行监测和描述，这些数据可用于裂缝形态的研究分析并用于指导野外三维微地震勘探。

附图说明

图1是三轴压力示意图

图2是压板开槽

图3是水压裂工作原理

图4是光纤光栅传感方法。

图5是本方法所用装置的结构示意图

图6-1是实施例中采集到的第一道微地震信号

图6-2是实施例中采集到的第二道微地震信号

图6-3是实施例中采集到的第三道微地震信号

图6-4是实施例中采集到的第四道微地震信号

图6-5是实施例中采集到的第五道微地震信号

图6-6是实施例中采集到的第六道微地震信号

图6-7是实施例中采集到的第七道微地震信号

图6-8是实施例中采集到的第八道微地震信号

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图5所示，本发明基于光纤光栅传感器的水压裂微地震模拟实验系统主要由三部分组成，即三轴压力装置501、水压裂装置503和光纤光栅检测装置504。

①三轴压力装置501

三轴压力装置如图1所示，包括：X,Y,Z,三轴液压驱动装置101,102,103，X轴压板104，被测试模型105，可以是水泥块或岩石，铲车106，后定梁107，顶出气缸108，测试模型导流管111。在三个轴上分别加上压板，便于光栅检测，图1上只标注了X轴压板，Y、Z轴都有压板，而且在压板上都开有细槽。

由三个相互垂直101,102,103可独立控制的压力系统组成。它们从三个相互垂直方向对测试岩石105施压，其目的不是将岩石压坏，而是模拟岩石在地层中的受压环境。从图1可以看出，被测岩石被铲车106装入，通过控制三轴压机的三轴101,102,103可将岩石或水泥块推入压紧并加压直到压力达到预定值。图中111是插入岩石或水泥块并粘接封好的导流管，当岩石或水泥块推到位后，导流管111从后定梁107上打的孔中伸出，可与水压裂部分的流体输出管309相接以便输入高压流体。图中顶出气缸108的作用是实验结束后将岩石从压力仓中顶出。104是X轴压板，图中Y、Z轴也有压板。

该部分最大压力为20兆帕

最大测试岩石几何尺寸为800x600x600毫米

一般这种装置都是根据用户的要求特制的。三轴压力装置有多种，适应不同压力和测试岩石尺寸，使用本系统时可以根据需要选用其它三轴压力装置。另外通过改变压板104大小和增加垫板也可对不同尺寸的测试模型施压。

图2是该装置的压板图，201,202,203分别对应三轴压力装置的X,Y,Z轴的压板。

②水压裂装置503

如图3所示，水压裂装置的主要功能是将水加压通过导流管309加注到岩石内部最终使岩石311破裂。它主要由输入阀303,304、输出阀305,306和活塞泵301,302组成。活塞泵的工作原理是先将水310注入到泵体内，然后根据需要，按预定速度输出。为了保证加压过程不会因水输出完，重新注入泵体时中断，采用了两组并行工作方式。当301输出加压时，302输入水；301压完后，302自动投入。这样就避免了由于岩石本身的渗透，压力加不上的问题。为防止超压，该部分配有过压阀(308)。307是压力检测表。

水压裂装置503采用KD-240(江苏珂地石油仪器有限公司的产品)双缸恒速恒压泵。该泵为立式双缸双伺服电机形式，自动控制，内部设计有单板机，控制自成一体，不依赖其他计算机实现控制，但配置有通讯口，可与计算机联网采集泵相关数据，也可由计算机通过软件控制泵的工作用于提供流体的连续无脉冲驱替，能恒速、恒压工作。该泵输出最大压力为60兆帕,流体输出速度为0.01-30毫升/分。使用本发明时，可以根据需要选用不同的活塞泵，大容量的活塞泵，出水速度快，在对渗透性较强的物体进行压裂时，需要出水速度快的泵。

③光纤光栅检测装置504

光纤光栅检测装置504如图4所示，包括：FP激光器401，环形器402，密集波分复用器403，光电探测器404,A/D转换器405，计算机406、光纤光栅传感器407。FP激光器401输出多波长激光。采用在一根光纤上面雕刻多个光纤光栅传感器FBG(数量不固定)的方式。

所述FP激光器401与所述环形器402的第一端口连接，所述环形器402的第二端口与所述光纤光栅传感器407的一端连接；所述环形器402的第三端口与所述密集波分复用器403连接；

所密集波分复用器403与所述光电探测器404连接，所述光电探测器404与A/D转换器405连接，所述A/D转换器405与计算机406连接。如果采用8个光纤光栅103，则需要8个光电探测器，每个波长对应一个光电探测器，A/D采集卡也是8个通道，每个通道接一路信号。

光纤光栅检测装置的工作原理如下：激光器输出的激光通过环形器402的第一端口，然后从环形器402的第二端口进入光纤光栅传感器407，光栅传感器反射的信号经过环形器的第二端口进入环形器402，再从第三端口输出，进入多通道的密集波分复用器403，密集波分复用器403将光栅传感器反射的波分复用信号分离，最后，通过光电探测器404将解调后的光信号转换成电信号，通过A/D转换405进行数据采集后，送至计算机406进行处理及显示。

光纤光栅传感器具有体积小、频带宽和灵敏度高等特点，与传统压电式传感器相比在进行高密度检测时优势比较明显。在进行压裂实验时，光纤光栅传感器粘贴在被测岩石表面，一般面对X轴压机前端压板104，也可根据需要，粘贴在面对压机Y、Z轴前端压板202,203上。从图2(图2中的201对应图1中的104，这是X轴方向的压板，Y、Z轴的压板与此相同，201，202，203分别为X、Y,Z轴压板)可以看出，在X轴压机前端推动的压板上开有多组细槽，开这些细槽是为了避开岩石上粘贴的是光纤光栅传感器同时又不影响施压。在粘贴光纤光栅传感器时，必须粘贴在细槽对应的位置上。由于每个光纤光栅传感器极细(一般长1厘米，直径小于200微米)，在一条细槽对应的位置上可粘贴多组光纤光栅传感器(一条光纤上雕刻的多个光纤光栅，根据系统设计时采集的通道数来定，例如可采用8个光纤光栅，一组光纤光栅对应图4中的8个通道，即八个波长)，光纤光栅水平放置，开槽的长度大于传感器长度即可。另外在压板上也可以开多条细槽，因此这样可根据需要在一个面上可铺设足够多的光纤光栅传感器(相邻光纤光栅的距离根据检测点的坐标需要而定)。光纤光栅传感的另外一个特点是频带宽(0-200kHz)，因此得到的微地震信号频谱比较丰富。当外界被测应变和温度发生变化时，对光纤光栅的折射率和光栅空间周期产生影响，光纤光栅传感系统对传感光栅反射谱进行实时监测，得到波长变化量，进而分析外界物理量的变化。

④系统总体架构

基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统的总体架构如图5所示。

总体实验过程如下：首先将光纤光栅传感器部分粘贴在被测岩石502上，然后将岩石放置在三轴压力装置501上，该设备将岩石推到压裂仓中加压直到预定的压力后停止增压并维持不变。将水压裂装置503的输出与导流管连上，进行加压，直到岩石完全破裂。与此同时，光纤光栅检测装置504对压裂过程中测试的微地震信号不断进行采集，并转化成数字信号后存入计算机用于后期处理。

具体实施时，在水加压前一点，启动激光器进行采集,但计算机将采集到的信号真假进行判断决定是否存储。比如设定信号门槛值，如信号幅值小于某个预先设定的门槛值，则认为是干扰信号，不予存储；反之只要有一道某个时刻的信号超过门槛值则认为是有效信号(或事件)，对各道该时刻前后设定时间段内的信号进行存储和显示。

本发明的一个实施例如下：

将一组光纤传感器(8道)安装好，然后对水泥块进行三轴加压和水压裂，破裂时产生微地震信号被光纤传感器采集后送给采集卡转化成数字信号送给计算机进行存储、处理和显示。实施例中采集到的八道微地震信号如图6-1至图6-8所示。

本发明集合了光纤光栅传感技术、水压裂模拟装置和三轴压力模拟装置，形成了一套基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟系统。所述系统利用控制施加三轴压力的装置模拟压裂岩石在井中不同深度的受压环境，利用可控水压裂装置对测试岩石进行压裂以模拟井中水压裂过程，产生裂缝和微地震信号，在施压三轴压力和水压力的同时利用光纤光栅传感器装置对压裂裂缝产生的微地震信号进行多点和宽频带检测，获得电压信号，再将所述电压信号转化为数字信号传输给计算机进行处理。本发明可应用于水压裂微地震模拟实验，对野外微地震信号检测有一定的指导意义。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统包括：三轴压力装置、水压裂装置和光纤光栅检测装置；

被测模型安装在三轴压力装置上，在被测模型内部封装有导流管，导流管伸出被测模型外的一端与所述水压裂装置连接；

所述光纤光栅检测装置上的光纤光栅传感器设置在所述被测模型的表面上。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述三轴压力装置包括：X轴、Y轴、Z轴以及用于分别驱动X轴、Y轴、Z轴的X轴液压驱动装置、Y轴液压驱动装置和Z轴液压驱动装置，在X轴、Y轴、Z轴上分别装有X轴压板、Y轴压板、Z轴压板，在X轴压板、Y轴压板和Z轴压板上均开有细槽。

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述三轴压力装置包括铲车、后定梁和顶出气缸；

被测模型被铲车装入三轴压力装置的压力仓中，通过控制X轴、Y轴、Z轴将被测模型推入压紧并加压直到压力达到预定值；

导流管从后定梁上开的流体注入孔中伸出，与水压裂装置的流体输出管相接以便输入高压流体；

所述顶出气缸用于将被测模型从压力仓中顶出。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述水压裂装置采用恒速恒压泵；

恒速恒压泵将水加压经过导流管加注到被测模型内部并最终使其破裂。

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述光纤光栅检测装置包括：FP激光器，环形器，密集波分复用器，光电探测器,A/D转换器、光纤光栅传感器和计算机；

所述FP激光器与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光纤光栅传感器的一端连接；所述环形器的第三端口与所述密集波分复用器连接；

所密集波分复用器与所述光电探测器连接，所述光电探测器与A/D转换器连接，所述A/D转换器与计算机连接。

6.根据权利要求5所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器采用在一根光纤上雕刻多个光纤光栅而制成，或者利用光纤将多个光纤光栅依次串联而制成。

7.根据权利要求6所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器粘贴在被测模型的表面上，粘贴光纤光栅传感器的位置与X轴压板、Y轴压板或Z轴压板上的细槽对应，当X轴压板、Y轴压板或Z轴压板压紧被测模型时，所述光纤光栅传感器位于细槽中。

8.根据权利要求7所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述FP激光器输出多波长激光。

9.根据权利要求8所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：每只光纤光栅的设计中心波长与FP激光器的输出波长相匹配，即一个光纤光栅对应FP激光器的一个输出波长；

每个输出波长对应一个光电探测器，A/D转换及数据采集卡的每个通道连接一路信号。

10.根据权利要求9所述的基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，其特征在于：所述FP激光器输出的激光通过环形器的第一端口进入环形器，然后从环形器的第二端口进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射的信号经过环形器的第二端口进入环形器，再从环形器的第三端口输出，进入密集波分复用器，密集波分复用器将光纤光栅传感器反射的波分复用信号分离后输入到光电探测器，光电探测器将解调后的光信号转换成电信号，通过A/D转换进行数据采集后，送至计算机进行处理及显示。