CN113311138A - 一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法及系统 - Google Patents

一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法及系统，实现监测和重现流体在断层中泄漏时的不同围压、不同初始泄漏压力、不同初始系统温度、不同尺寸和类型的断层试样、不同流体介质和不同监测位置和监测点数的动态和可调整性的断层流体泄漏探测和追踪，该系统包括岩心夹持器模块、渗透率测试模块、光纤温度应变传感模块、温度控制模块和气源及其加卸载模块，本发明适用于各种恶劣酸碱性试验条件、安装方便、功能齐全、耐久性好、系统稳定、能够长时间实时在线监测断层流体泄漏时的温度、压力和断层3维时空应变情况。

Description

一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪 的方法及系统
技术领域
本发明涉及地下废弃物处置，石油、天然气、煤等常规油气煤藏开采，地热能、页岩气、煤层气等非常规能源开采，CO2和酸气等地下封存等领域中，更具体涉及一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法，同时还涉及一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，它适用于流体沿断层泄漏时的压力、温度、三维时空应变监测。
背景技术
随着地下废弃物处置，石油、天然气、煤等常规油气煤藏开采，地热能、页岩气、煤层气等非常规能源开采，CO2和酸气等地下封存等领域等工程的大力开展，地下流体的沿断层泄漏时的压力、温度和三维时空应变监测，对工程的安全施工和环境安全评估有重要的意义。此外，石油、天然气、页岩气、煤层气、地热水等沿断层泄漏将会造成能源的浪费和损失；而地下废弃物、CO2和酸气等沿断层泄漏会造成地下水、大气层、地表水和地表生物乃至人类生产生活遭到破坏。
对于一个复杂而重要的地下工程建设来说，临近断层的存在会危害整个工程的选址、施工进展和后期安全稳定性，因此进行地下流体的压力、温度和变形(三维时空应变)等的全过程动态监测是必不可少的。压力、温度和变形等是评价地下工程的是否发生泄漏、泄漏速率、泄漏时的焦耳汤姆逊效应强度和变形沉降滑移等的重要参数。继而是地下工程建设中密封性能和结构稳定性的重要指标。但是传统的电子式压力、温度传感器和变形计无法应用于现场复杂而恶劣测试环境；这些传感器大多数不耐酸、不耐高温、不耐腐蚀耐久性差等。
因此，为提高地下工程建设的安全性和可靠性，有必要将精度高、耐酸、耐腐蚀、耐高温的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器运用流体在断层泄漏的监测中。另外光纤光栅传感器体积小、结构简单、安装便捷，可以灵活布设在断层的外表面轴向和环向位置，也可以布设在断层泄漏的主要通道断层面上。光纤光栅传感器几乎可以布设在断层任何需要监测的位置。
光纤光栅传感在现场工程的运用及在室内试验监测中并不少见，但是能扩展性地将光纤光栅传感器布设在泄漏断层面上的发明设计几乎没有。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法，方法易行，操作简便，该发明巧妙地吸取了光纤光栅传感器埋设在土壤边坡监测中的设计，在断层面中精细走刀获得细长沟槽，而后埋设光纤光栅传感器并回填沟槽至原貌。解决了以往实验中无法监测断层泄漏面上的应变特征的不足。
本发明的另一个目的是在于提供了一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，结构简单，使用方便，较常规的光纤光栅传感器外部布设，该泄漏面内部布设光纤光栅传感器可以更精确、更原位地获得流体沿断层泄漏时的三维时空应变结果。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法，包括如下步骤：
1)将加工好的圆柱岩样上的残留油污用酒精清洗干净并用烘干箱烘干至恒温，然后测量其干密度、高度、直径和体积等参数；
2)将圆柱岩样采用巴西劈裂或锯切等方式获得断层面；
3)在断层面上采用精细走刀获得刚好能放置下光纤光栅传感器的沟槽，并在清理粉尘后，用环氧树脂胶水将光纤传感器埋在沟槽中，并恢复断层面原有形貌；
4)断层面中的光纤通过下游孔压垫块上的断层面光纤布拉格光栅传感器引出孔引出试样；
5)待断层面胶水干透后，将断层合拢，可以暂时用胶布固定断层岩样，然后用环氧树脂胶水粘贴环向和轴向光纤传感器；
6)待环向和轴向光纤传感器上的胶水干透后，利用耐CO2腐蚀的硅胶密封整个试样和上下垫块，使试样和上下垫块成为密封耐压的一个整体；
7)将试样放入岩心夹持器模块中，然后将光纤温度应变传感模块中与解调仪相连的尾纤与岩心夹持器模块中与监测点连接的尾纤相连，最后利用光纤数据采集软件及电脑实时在线采集断层下游温度和断层内外部的应变(相对变形量)数据，利用上游压力传感器、压差传感器、下游压力传感器、电源转换器、数据采集软件等采集压力数据；
8)利用围压加载计量泵对断层试样施加10.5MPa的围压，围压介质为去离子水，关闭泄漏入口球阀、平衡球阀、压差计保护球阀；
9)然后利用孔压加载计量泵向放置于超级恒温箱中的储流容器注入100ml的10MPa的二氧化碳(CO2)，待储流容器和内部二氧化碳(CO2)到达设定温度后，打开泄漏入口球阀，泄漏试验开始，泄漏流体是通过渗透率测试模块中测渗面板下游孔压入口管路到达岩心夹持器模块，首先到达岩心夹持器下游孔压流出钢管，然后泄漏流体依次到达上游孔压注入管、上游孔压垫块、试样、下游孔压垫块、下游孔压注入管、岩心夹持器下游孔压流出钢管，再次进入渗透率测试模块中的测渗面板下游孔压入口管路、下游压力传感器，最后到达测渗面板管路出口泄漏至大气；
10)在二氧化碳(CO2)泄漏过程中，断层上下游压力、断面内外部应变和断层下端的温度数据被实时在采集，通过分析压力、温度和应变数据，就可以计算二氧化碳(CO2)的实时相态以及泄漏速率、断层由泄漏影响的变形和断开度等参数。
通过上述技术措施，解决了以往实验中无法监测断层泄漏面上的应变特征的不足。较常规的光纤光栅传感器外部布设，该泄漏面内部布设光纤光栅传感器可以更精确、更原位地获得流体沿断层泄漏时的三维时空应变结果。
上述步骤的技术措施：最关键的是步骤S3、S4、S5，因为这几个步骤突破传统应变片在断层面中布设困难，不抗电磁干扰和应变传感器从断层内部引出困难等技术难点。解决了既往泄漏试验中只能监测断层外部变形量，而断层内部主要泄漏通道断层面上的应变(变形) 响应难以探测的问题。达到断层内外部三维时间和空间连续的、实时的断层应变(相对变形)监测的技术效果。本发明相对于现有的技术主要进步在于实现了断层内部断面应变(相对变形)监测，为后期泄漏压力突破时间的确定、突破压力的计算、泄漏面上流体泄漏到达位置的定位、泄漏前缘形态的刻画等提供了良好的泄漏流体探测和追踪系统。通过创新性组装既有的渗透率测试模块、温度控制模块、岩心夹持器模块、气源及其加卸载模块和改进的岩心夹持器模块模块，可实现不同渗透率大小、不同温度、不同孔压、不同围压、不同流体介质、不同岩样类型的流体在断层中泄漏时的流体泄漏到达位置的定位、泄漏前缘形态的刻画等泄漏探测和追踪。
本发明目的针对传统的电子式压力、温度传感器和变形计无法应用于现场复杂而恶劣测试环境；这些传感器大多数不耐酸、不耐高温、不耐腐蚀和耐久性差等；传统的电子式压力、温度传感器和变形计体积大，不能巧妙地布设在断层面上监测。因此为提高地下工程建设的安全性和可靠性，有必要将精度高、耐酸、耐腐蚀、耐高温的光纤光栅温度传感器和光纤光栅压力传感器运用到流体在断层泄漏的监测中。另外光纤光栅传感器体积小、结构简单、安装便捷，可以灵活布设在断层的外表面轴向和环向位置，也可以布设在断层泄漏的主要通道断层面上。光纤光栅传感器几乎可以布设在断层任何需要监测的位置。
基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪系统设计独特，克服了变形计或者应变计体积较大放置在断面上监测时，不能够保持断层原有结构。而本发明吸收光纤布拉格光栅传感器埋设土壤或者边坡中的运用启发，巧妙地将其地埋设于断层面中。工作性能有大幅度的提高，适用范围更广，具有更好的应用前景及商业价值。
一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，它由岩心夹持器模块、渗透率测试模块、光纤温度应变传感模块、温度控制模块和气源及其加卸载模块五大模块组成，其特征在于：岩心夹持器模块中的岩心夹持器围压注入钢管与渗透率测试模块中的测渗面板围压出口管路相连，以实现围压从测渗面板流入围压腔，岩心夹持器模块中的岩心夹持器上游孔压注入钢管与渗透率测试模块中的测渗面板下游孔压出口管路相连，以实现孔压流体从测渗面板上游进入试样，岩心夹持器模块中的岩心夹持器下游孔压流出钢管与渗透率测试模块中的测渗面板下游孔压入口管路相连，以实现试验孔压流体进入渗透率测试模块下游，岩心夹持器模块中的试样及连接件监测点连接的尾纤与光纤温度应变传感模块中解调仪前端尾纤相连，以实现监测点光纤传感器监测数据被解调仪采集和解调；渗透率测试模块中测渗面板上游孔压入口管路与温度控制模块的泄漏流体出口管相连，以实现对流入测渗面板的孔压流体加热，渗透率测试模块中测渗面板围压入口管路与气源及其加卸载模块中围压介质出泵口连接，以实现围压加压，渗透率测试模块中测渗面板管路出口与气源及其加卸载模块中真空泵接口相连，以实现对整个系统抽离杂质流体；温度控制模块中加温介质出口管与气源及其加卸载模块中加温介质入泵口相连，以实现超级恒温水浴箱对孔压泵进行加温，温度控制模块中加温介质入口管与气源及其加卸载模块中加温介质回流口相连，以实现加温流体回流至超级恒温水浴箱，温度控制模块中泄漏流体入口管与气源及其加卸载模块中泄漏流体出泵口相连，以实现泄漏气体加压。温度控制模块中泄漏流体出口管与渗透率测试模块中测渗面板上游孔压入口管路相连，以实现将加温后气体流动到渗透率测试模块。通过所述连接，泄漏气体通过气源及其加卸载模块加压和温度控制模块加温后，流经渗透率测试模块，最终到达岩心夹持器模块进行泄漏试验。通过布设在上的光纤应变传感器和光纤温度传感器实现流体在断层中泄漏的探测和追踪。
所述岩心夹持器模块分别与所述渗透率测试模块和光纤温度应变传感模块连接，以构建实时泄漏过程中渗透率测量子系统和连续在线温度压力光纤传感监测子系统；
所述渗透率测试模块通过与温度控制模块与气源及其加卸载模块相连，由此构成泄漏试验前端操作子系统。
优选的，岩心夹持器模块包括：围压腔、与围压腔相连的围压注入孔、固定在围压腔中的围压注入孔密封螺栓、固定在围压腔的围压腔内部固定螺栓、与所述围压注入孔相连的岩心夹持器围压注入钢管、与上游孔压注入管相连的岩心夹持器上游孔压注入钢管、与与监测点连接的尾纤相连的光纤引入孔、与所述光纤引入孔连接的光纤引入孔的密封螺栓、放置于所述光纤引入孔中的氟橡胶密封圈、用于固定岩心夹持器外部腔体的岩心夹持器外部固定螺栓、包裹在所述岩心夹持器外部腔体外的外腔体加温套、放在围压腔内的试样及连接件、布设在试样断层面上的断层面光纤布拉格光栅轴向传感器、与所述断层面光纤布拉格光栅轴向传感器相连的断层面光纤引出孔、填充于所述断层面光纤布拉格光栅轴向传感器中的断层面光纤引出孔密封胶、布设在下游孔压注入管上的下游温度光纤布拉格光栅传感器、布设于试样外部的断层外部轴向光纤布拉格光栅传感器、布设于试样外部的断层外部环向光纤布拉格光栅传感器、与监测点连接的尾纤、与试样下游端相连的下游孔压垫块、与试样上游端相连的上游孔压垫块、与上游孔压垫块相连的上游孔压注入管、与下游孔压垫块相连的下游孔压注入管、布设在试样横向的断层面光纤布拉格光栅横向传感器、与渗透率测试模块中测渗面板下游孔压入口管路相连的岩心夹持器下游孔压流出钢管。泄漏流体是通过渗透率测试模块中测渗面板下游孔压入口管路到达岩心夹持器模块，首先到达岩心夹持器下游孔压流出钢管。然后泄漏流体依次到达上游孔压注入管、上游孔压垫块、试样、下游孔压垫块、下游孔压注入管、岩心夹持器下游孔压流出钢管。围压通过岩心夹持器围压注入钢管与渗透率测试模块中测渗面板围压出口管路相连以实现从测渗面板流入围压腔。岩心夹持器模块适用于直径在25～50mm，高度在50～150mm的多尺度试样，试样类型可以为：花岗岩、砂岩、泥岩、灰岩、页岩等岩样，但不适用于散土试样。
优选的，渗透率测试模块包括：不锈钢管、包裹在所述不锈钢管外的管路保温套、连接在不锈钢管上的上游压力传感器、连接在不锈钢管上的压差传感器、连接在不锈钢管上的下游压力传感器、与所述上游压力传感器压差传感器和下游压力传感器相连的压力压差数据采集卡、与所述压力压差数据采集卡相连的电源转换器、与所述电源转换器相连的数据采集软件和电脑、与所述下游压力传感器相连的测渗面板下游孔压入口管路、与所述上游压力传感器相连的测渗面板上游孔压出口管路、与温度控制模块泄漏流体出口管相连的测渗面板上游孔压入口管路、与气源及其加卸载模块中围压介质出泵口相连的测渗面板围压入口管路、与所述岩心夹持器模块中的岩心夹持器围压注入钢管相连的测渗面板围压出口管路、流体泄漏出口的测渗面板管路出口。泄漏流体是通过测渗面板上游孔压入口管路与泄漏流体出口管相连将被加温流体从温度控制模块流动到渗透率测试模块。被加温流体在渗透率测试模块中依次流过测渗面板上游孔压入口管路、上游压力传感器、测渗面板上游孔压出口管路、岩心夹持器模块、测渗面板下游孔压入口管路、下游压力传感器，最后到达测渗面板管路出口泄漏至大气。围压是通测渗面板围压入口管路和与气源及其加卸载模块中围压介质出泵口相连实现围压加压的。渗透率测试模块位于温度控制模块和岩心夹持器模块，在泄漏试验中起到将加温后的流体中转到岩心夹持器中；但其主要功能是用于测量断层泄漏前后的渗透率。测试时可以根据断层渗透率大小来选择具体的渗透率测试方法。当渗透率较大时，采用恒流法测试；当渗透率较小时，采用压力脉冲法。具体渗透率测试方法参见TPM-6型脉冲法渗透仪使用方法。渗透率测试模块可以广泛地测量不同渗透率大小、不同温度、不同孔压、不同围压、不同流体介质、不同岩样类型的流体在断层中泄漏前后的渗透率大小。其中渗透率、温度、孔压、围压和流体介质由压力传感器、压差传感器、超级恒温箱和岩心夹持器的外腔加温套、孔压加压计量泵、围压加压计量泵等的量程和气瓶种类决定。本发明案例中渗透率测试量程：1D-1nD；温度：室温～100℃；孔压：0-55MPa；围压：0-55MPa；流体介质类型：二氧化碳、氮气、氦气、去离子水、咸水等。
优选的，光纤温度应变传感模块包括：光纤布拉格光栅传感解调仪、解调仪前端尾纤、与所述光纤布拉格光栅传感解调相连的光纤数据采集软件及电脑。光纤温度应变传感模块中解调仪前端尾纤与监测点尾纤相连，以实现监测点光纤传感器监测的温度和应变数据被解调仪采集和解调。光纤温度传感用于监测从断层流出的流体温度，温度测量范围：-30～300℃；精度为：±0.1℃。光纤应变传感器可根据具体需求，用环氧树脂等适合的胶水粘贴于圆柱状岩样的轴向18e、环向18f乃至断层的断面上18a，由此实现立体的三维时空应变监测。应变监测量程：-0.003～+0.003；精度：1.2*10-12(应变无单位)；采样频率：1000Hz。
优选的，温度控制模块包括：储流容器、与所述储流容器相连的流体注入控制的球阀、与所述储流容器相连的泄漏流体入口管、与所述泄漏流体入口管相连的泄漏流体出口管、用于给储流容器放置和加温的超级恒温箱、与超级恒温箱相连的加温介质出口管和加温介质入口管。其中加温介质出口管和加温介质入口管和气源及其加卸载模块中加温介质回流口和加温介质入泵口相连，以实现超级恒温水浴箱对孔压泵进行回流加温。其特征在于温度控制模块中泄漏流体入口管与气源及其加卸载模块中泄漏流体出泵口相连以实现泄漏气体加压。温度控制模块中泄漏流体出口管与渗透率测试模块中测渗面板上游孔压入口管路相连以实现将加温后气体流动到渗透率测试模块。其特征还在于泄漏流体是通过加温介质出口管和加温介质入口管和气源及其加卸载模块中加温介质回流口和加温介质入泵口相连对孔压加载计量泵进行回流加温，使进入储流容器的泄漏流体在孔压加载计量泵中已经被预加热到设定温度。其特征还在于放置于超级恒温箱中水浴加热的储流容器被再次加温和维稳温度。通过预加热和后面的再加温和维稳温度实现泄漏流体的加温。使得从泄漏流体出口管流出的泄漏流体到达渗透率测试模块时是设定温度流体。该温度控制模块可与岩心夹持器模块组合形成内外环境温度控制系统。其中超级恒温箱用于控制泄漏流体初始温度和管路初始温度等外环境温度，而岩心夹持器的外腔加温套用于控制岩样等内环境温度。温度控制子系统可实现变外环境温度，定内环境温度、定外环境温度变内环境温度和内外环境均变化等复杂温度控制。内外环境温度控制量程均为：室温～100℃，精度为：±0.1℃。
优选的，气源及其加卸载模块包括：气瓶，与所述气瓶相连的孔压加载计量泵，位于所述孔压加载计量泵上的接口加温介质回流口、加温介质入泵口、泄漏流体出泵口，真空泵，围压加载计量泵，位于所述围压加载计量泵上的围压介质出泵口，真空泵接口。其特征在于真空泵接口与渗透率测试模块中测渗面板管路出口相连以实现对整个系统抽离杂质流体。其特征还在于加温介质回流口和加温介质入泵口分别于加温介质出口管和加温介质入口管相连，以实现对孔压加载计量泵进行回流加温。其特征还在于泄漏流体出泵口于温度控制模块中泄漏流体入口管相连，以实现泄漏气体的加压。其特征还在于围压介质出泵口与测渗面板围压入口管路相连，实现围压加压。该压力控制由围压压力传感器、围压压力加载计量泵、孔压压力传感器、孔压压力加载计量泵、岩芯夹持器耐压值五者共同决定。当五者量程和精度一致，到达压力控制最优状态，当五者量程和精度不一致时，取决于量程和精度最小者。本发明案例中，五者量程一致均为：0-55MPa，精度0.25％。
上述所述的五个模块中，岩心夹持器模块中的试样及连接件为关键部件，其中布设在断层面上的断层面光纤布拉格光栅传感器首创性地将应变传感器运用到试样内部。该运用解决了目前对于断层面上的应变状态、泄漏前缘探测难的困境。较既有的应变监测系统，其特征还在于本发明首创性地实现断层面轴向、断层面横向、外部轴向、外部环向三维立体的应变监测。其特征还在于本发明克服了布设在断层面上的断层面光纤布拉格光栅轴向传感器从孔压垫块中引出的技术难点，通过在下游孔压垫块中的0.5mm的通孔将断层面光纤布拉格光栅轴向传感器从试样内部引到外部。通过在不锈钢孔压垫块中钻 0.5mm直径的通孔，然后断层面上的光纤穿过通孔，并用环氧树脂胶水(断层面光纤引出孔密封胶)密封通孔。试验结束后，可用解胶剂清理垫块通孔，依次达到重复利用。
本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法及系统，与现有技术相比，具有以下优点：
相对于现有的技术主要进步在于突破传统应变片在断层面中布设困难，不抗电磁干扰和应变传感器从断层内部引出困难等技术难点。解决了既往泄漏试验中只能监测断层外部变形量，而断层内部主要泄漏通道断层面上的应变(变形)响应难以探测的问题。达到断层内外部三维时间和空间连续的、实时的断层应变(相对变形)监测的技术效果。本发明相对于现有的技术主要进步在于实现了断层内部断面应变(相对变形)监测，为后期泄漏压力突破时间的确定、突破压力的计算、泄漏面上流体泄漏到达位置的定位、泄漏前缘形态的刻画等提供了良好的泄漏流体探测和追踪系统。通过创新性组装既有的渗透率测试模块、温度控制模块、岩心夹持器模块、气源及其加卸载模块和改进的岩心夹持器模块模块，可实现不同渗透率大小、不同温度、不同孔压、不同围压、不同流体介质、不同岩样类型的流体在断层中泄漏时的流体泄漏到达位置的定位、泄漏前缘形态的刻画等泄漏探测和追踪。
附图说明
图1为一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统结构示意图；
图2为一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统的岩心夹持器模块示意图；
图3为18-试样及连接件的放大图；
图4为一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统的渗透率测试模块示意图；
图5为一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统的光纤温度应变传感模块示意图；
图6为一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统的温度控制模块示意图；
图7为一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统的气源及其加卸载模块示意图；
图8为泄漏过程中上下游压力和下游温度随泄漏时间的变化曲线。试验条件为：初始温度20.7℃、初始压力4MPa的二氧化碳(CO2)，从100ml的储流容器从泄漏；
图9是断层外部轴向、断层外部环向、断层内部轴向监测线1和断层内部轴向监测线2的应变随泄漏时间的变化曲线。试验条件为：初始温度20.7℃、初始压力4MPa的二氧化碳(CO2)，从100ml的储流容器从泄漏。
其中：1-岩心夹持器模块、2-渗透率测试模块、3-光纤温度应变传感模块、4-温度控制模块、5-气源及其加卸载模块；11a-围压腔、 11b-围压注入孔、11c-围压注入孔密封螺栓、11d-围压腔内部固定螺栓、11e-岩心夹持器围压注入钢管、12-岩心夹持器上游孔压注入钢管、13a-光纤引入孔、13b-光纤引入孔的密封螺栓、14-氟橡胶密封圈、15-岩心夹持器外部固定螺栓、16-岩心夹持器外部腔体、17-外腔体加温套、18-试样及连接件、19-岩心夹持器下游孔压流出钢管、 18a-断层面光纤布拉格光栅轴向传感器(监测线1)、18b-断层面光纤引出孔、18c-断层面光纤引出孔密封胶、18d-下游温度光纤布拉格光栅传感器、18e-断层外部轴向光纤布拉格光栅传感器、18f-断层外部环向向光纤布拉格光栅传感器、18g-与监测点连接的尾纤、18h- 下游孔压垫块、18i-上游孔压垫块、18j-下游孔压注入管、18k-上游孔压注入管、18m-试样、18n-断层面光纤布拉格光栅横向传感器、18o- 断层面光纤布拉格光栅轴向传感器(第二监测线)、19-岩心夹持器下游孔压流出钢管、21a-不锈钢管、21b-管路保温套、23a-上游压力传感器、23b-压差传感器、23c-下游压力传感器、23d-电源转换器、23e- 数据采集软件和电脑、23f-压力压差数据采集卡、24-测渗面板下游孔压入口管路、25-测渗面板上游孔压出口管路、26-测渗面板上游孔压入口管路、27-测渗面板围压入口管路、28-测渗面板围压出口管路、 29-测渗面板管路出口、31-解调仪前端尾纤、32-光纤布拉格光栅传感解调仪、33-光纤数据采集软件及电脑、41-储流容器、42-超级恒温箱、43-加温介质出口管、44-加温介质入口管、45-流体注入控制的球阀、46-泄漏流体入口管、47-泄漏流体出口管、51-气瓶、52- 真空泵、53-孔压加载计量泵、54-围压加载计量泵、55-加温介质回流口、56-加温介质入泵口、57-泄漏流体出泵口、58-围压介质出泵口、59-真空泵接口。
具体实施方式
实施例1：
一种基于光纤布拉格光栅传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法，其步骤是：
1)将加工好的圆柱岩样上的残留油污用酒精清洗干净并用烘干箱烘干至重量保持不变(烘干温度设置60℃)，然后测量其干密度、高度、直径和体积等参数。
2)在将圆柱岩样采用巴西劈裂或锯切等方式等方式获得断层面。
3)在断层面上采用精细走刀获得刚好能放置下光纤光栅传感器的沟槽，清理粉尘后。用环氧树脂胶水(市场上购置，如中蓝晨光化工研究设计院有限公司生产的“555新型万能胶粘剂”)将光纤传感器埋在沟槽中，并恢复断层面原有形貌。
4)断层面中的光纤通过下游孔压垫块18h上的断层面光纤引出孔引出试样。
5)待断层面胶水干透后，将断层合拢，可以暂时用胶布固定断层岩样，然后用环氧树脂胶水粘贴环向和轴向光纤传感器。
6)待环向和轴向光纤传感器上的胶水干透后，利用耐CO2腐蚀的硅胶密封整个试样和上下垫块，使试样和上下垫块成为密封耐压的一个整体。
7)将试样放入岩心夹持器模块中，然后将光纤温度应变传感模块中解调仪前端尾纤与监测点尾纤18g相连。最后利用光纤数据采集软件及电脑实时在线采集断层下游温度和断层内外部的应变(相对变形量)数据。利用上游压力传感器、压差传感器、下游压力传感器、电源转换器、数据采集软件等采集压力数据。
8)利用围压加载计量泵54对断层试样施加10.5MPa的围压，围压介质为去离子水。关闭泄漏入口球阀、平衡球阀、压差计保护球阀。
9)然后利用孔压加载计量泵向放置于超级恒温箱中的储流容器注入100ml的10MPa的二氧化碳(CO2)。待储流容器和内部二氧化碳(CO2)到达设定温度后。打开泄漏入口球阀，泄漏试验开始。泄漏流体是通过渗透率测试模块中测渗面板下游孔压入口管路到达岩心夹持器模块，首先到达岩心夹持器下游孔压流出钢管。然后泄漏流体依次到达上游孔压注入管、上游孔压垫块、试样、下游孔压垫块、下游孔压注入管、岩心夹持器下游孔压流出钢管。再次进入渗透率测试模块中的测渗面板下游孔压入口管路、下游压力传感器，最后到达测渗面板管路出口泄漏至大气。
10)在二氧化碳(CO2)泄漏过程中，断层上下游压力、断面内外部应变和断层下端的温度数据被实时在采集。通过分析压力、温度和应变数据，就可以计算二氧化碳(CO2)的实时相态以及泄漏速率、断层由泄漏影响的变形和断开度等参数。
通过上述的具体技术措施，特别是步骤2、3、4和5解决了以往实验中无法监测断层泄漏面上的应变特征的不足。较外部布设监测传感器，该泄漏面内部布设光纤光栅传感器可以更精确、更原位地获得流体沿断层泄漏时的三维时空应变结果。通过上述实施例1，开展了具体的试验研究，试验条件为：初始温度20.7℃、初始压力4MPa的二氧化碳(CO2)，从100ml的储流容器从泄漏，并从页岩断层中泄漏的试验监测结果如图8和图9所示。其中图8是泄漏过程中上下游压力和下游温度随泄漏时间的变化曲线；图9是断层外部轴向、断层外部环向、断层内部轴向第一监测线1和断层内部轴向第二监测线的应变随泄漏时间的变化曲线。图9的试验数据展示了应变随泄漏时间和断层位置的三维时空演化特征。对于一个复杂而重要的地下工程建设来说，临近断层的存在会危害整个工程的选址、施工进展和后期安全稳定性，因此进行地下流体的压力、温度和变形(三维时空应变)等的全过程动态监测是必不可少的。本实施案例较好地展示了本发明在流体沿断层泄漏过程中对压力、温度和三维时空应变的探测和追踪上的优越性。
实施例2：
根据图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7可知，一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，它由岩心夹持器模块 1、渗透率测试模块2、光纤温度应变传感模块3、温度控制模4、气源及其加卸载模块5组成，其特征在于：岩心夹持器模块1中岩心夹持器围压注入钢管11e与渗透率测试模块2中测渗面板围压出口管路 28相连，以实现围压从测渗面板流入围压腔，岩心夹持器模块1中岩心夹持器上游孔压注入钢管12与渗透率测试模块2中测渗面板下游孔压出口管路25相连，以实现孔压流体从测渗面板上游进入试样，岩心夹持器模块1中岩心夹持器下游孔压流出钢管19与渗透率测试模块2中测渗面板下游孔压入口管路24相连，以实现试验孔压流体进入渗透率测试模块下游，岩心夹持器模块1中与监测点连接的尾纤 18g与光纤温度应变传感模块3中解调仪前端尾纤31相连，以实现监测点光纤传感器监测数据被解调仪采集和解调；渗透率测试模块2 中测渗面板上游孔压入口管路26与温度控制模块4上的泄漏流体出口管47相连，以实现对流入测渗面板的孔压流体加热，渗透率测试模块2中测渗面板围压入口管路27与气源及其加卸载模块5中围压介质出泵口58连接，以实现围压加压，渗透率测试模块2中测渗面板管路出口29与气源及其加卸载模块5中真空泵接口59相连，以实现对整个系统抽离杂质流体；温度控制模块4中加温介质出口管43 与气源及其加卸载模块5中加温介质入泵口56相连，以实现超级恒温水浴箱对孔压泵42进行加温，温度控制模块4中加温介质入口管 44与气源及其加卸载模块5中加温介质回流口55相连，以实现加温流体回流至超级恒温水浴箱42，温度控制模块4中泄漏流体入口管46与气源及其加卸载模块5中泄漏流体出泵口57相连，以实现泄漏气体加压。温度控制模块4中泄漏流体出口管47与渗透率测试模块 2中测渗面板上游孔压入口管路26相连，以实现将加温后气体流动到渗透率测试模块。通过所述连接，泄漏气体通过气源及其加卸载模块加压和温度控制模块加温后，流经渗透率测试模块，最终到达岩心夹持器模块进行泄漏试验。通过布设在18m上的光纤应变传感器和光纤温度传感器实现流体在断层中泄漏的探测和追踪。
通过上述实施例2，开展了具体的试验研究，设定储容容器中存储初始压力8MPa，体积100ml的CO2，开展不同初始温度：20.7℃(液态CO2)、35℃(超临界CO2)、45℃(超临界CO2)和55℃(超临界 CO2)在页岩断层中泄漏试验。通过本发明的5个模块对不同相态CO2在断层中的泄漏进行探测和追踪。获得20.7℃(液态CO2)、35℃(超临界CO2)、45℃(超临界CO2)和55℃(超临界CO2)CO2泄漏时，断层外部环向应变时空演化规律图、断层外部轴向应变时空演化规律图、断层内部监测线1应变时空演化规律图和断层内部监测线2应变时空演化规律图如图8和图9所示。该实施案例的技术优点在于，压力、应变和温度是同时在线和原位监测，不存在时间滞后和空间位置监测变动的不准确因素干扰。解决了以往实验中无法监测断层泄漏面上的应变特征的不足。较常规的光纤光栅传感器外部布设，该泄漏面内部布设光纤光栅传感器可以更精确、更原位地获得流体沿断层泄漏时的三维时空应变结果。该实施案例的技术优点还在于可以改变泄漏流体的压力、温度介质类型等。

Claims (5)

1.一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法，其步骤是：
1)将加工的圆柱岩样上的残留油污用酒精清洗干净并用烘干箱烘干至重量保持不变，烘干温度设置为60℃，然后测量其干密度、高度、直径和体积等参数；
2)将圆柱岩样采用巴西劈裂或锯切方式获得断层面；
3)在断层面上采用精细走刀获得放置光纤光栅传感器的沟槽，清理粉尘后，用环氧树脂胶水将光纤传感器埋设在沟槽中，并恢复断层面原有形貌；
4)断层面中的光纤通过下游孔压垫块上的断层面光纤引出孔引出试样；
5)待断层面胶水干透后，将断层合拢，用胶布固定断层岩样，然后用环氧树脂胶水粘贴环向和轴向光纤传感器；
6)待环向和轴向光纤传感器上的胶水干透后，利用耐腐蚀的硅胶密封整个试样和上下垫块，使试样和上下垫块成为密封且耐压的一个整体；
7)将试样放入岩心夹持器模块中，然后将光纤温度应变传感模块中解调仪前端尾纤与监测点尾纤相连，最后利用光纤数据采集软件及电脑实时在线采集断层下游温度和断层内外部的应变数据，利用上游压力传感器、压差传感器、下游压力传感器、电源转换器、数据采集软件等采集压力数据；
8)利用围压加载计量泵对断层试样施加10.5MPa的围压，围压介质为去离子水，关闭泄漏入口球阀、平衡球阀、压差计保护球阀；
9)然后利用孔压加载计量泵向放置于超级恒温箱中的储流容器注入100ml的10MPa的二氧化碳，待储流容器和内部二氧化碳到达设定温度后，打开泄漏入口球阀，泄漏试验开始，泄漏流体是通过渗透率测试模块中测渗面板下游孔压入口管路到达岩心夹持器模块，首先到达岩心夹持器下游孔压流出钢管，然后泄漏流体依次到达上游孔压注入管、上游孔压垫块、试样、下游孔压垫块、下游孔压注入管、岩心夹持器下游孔压流出钢管，再次进入渗透率测试模块中的测渗面板下游孔压入口管路、下游压力传感器，最后到达测渗面板管路出口泄漏至大气；
10)在二氧化碳泄漏过程中，断层上下游压力、断面内外部应变和断层下端的温度数据被实时在采集，通过分析压力、温度和应变数据，计算二氧化碳的实时相态以及泄漏速率、断层由泄漏影响的变形和断开度参数。
2.一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，其特征在于：包括权利要求1所述的一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的方法，由岩心夹持器模块(1)、渗透率测试模块(2)、光纤温度应变传感模块(3)、温度控制模(4)、气源及其加卸载模块(5)组成，岩心夹持器模块(1)中岩心夹持器围压注入钢管(11e)与渗透率测试模块(2)中测渗面板围压出口管路(28)相连，岩心夹持器模块(1)中岩心夹持器上游孔压注入钢管(12)与渗透率测试模块(2)中测渗面板下游孔压出口管路(25)相连，岩心夹持器模块(1)中岩心夹持器下游孔压流出钢管(19)与渗透率测试模块(2)中测渗面板下游孔压入口管路(24)相连，岩心夹持器模块(1)中与监测点连接的尾纤(18g)与光纤温度应变传感模块(3)中解调仪前端尾纤(31)相连，渗透率测试模块(2)中测渗面板上游孔压入口管路(26)与温度控制模块(4)上的泄漏流体出口管(47)相连，渗透率测试模块(2)中测渗面板围压入口管路(27)与气源及其加卸载模块(5)中围压介质出泵口(58)连接。
3.权利要求2所述的一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，其特征在于：所述渗透率测试模块(2)中测渗面板管路出口(29)与气源及其加卸载模块(5)中真空泵接口(59)相连。
4.权利要求3所述的一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，其特征在于：所述的温度控制模块(4)中加温介质出口管(43)与气源及其加卸载模块(5)中加温介质入泵口(56)相连，温度控制模块(4)中加温介质入口管(44)与气源及其加卸载模块(5)中加温介质回流口(55)相连。
5.权利要求4所述的一种基于光纤传感的断层中流体泄漏探测和追踪的系统，其特征在于：所述的温度控制模块(4)中泄漏流体入口管(46)与气源及其加卸载模块(5)中泄漏流体出泵口(57)相连，温度控制模块(4)中泄漏流体出口管(47)与渗透率测试模块(2)中测渗面板上游孔压入口管路(26)相连。
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