CN113702157A - 基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，包括：步骤S100，采用两种安装方式在试样的裂缝扩展路径安装多处分布式光纤光缆，所述两种安装方式包括在试样内固结分布式光纤光缆、以及在试样内设置井筒且在井筒内固结分布式光纤光缆；步骤S200，压裂所述试样并确定所述分布式光纤光缆的应变传递效率；步骤S300，对所述试样开展压裂过程光纤应变监测针对性试验，实时记录分布式光纤光缆的应变；步骤S400，根据所述应变传递效率，对应变进行校正。步骤S500，根据修正后的应变，确定裂缝形态与分布式光纤光缆的应变监测的匹配关系。

Description

基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监 测方法

技术领域

本发明实施例涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法。

背景技术

页岩等非常规油气藏的高效开发离不开水力压裂技术的发展和应用，自水力压裂提出以来，水力压裂经历了直井、斜井和水平井体积压裂工艺方法的演进，其核心问题是如何高效设计以提高人工裂缝控制油气藏的程度。裂缝扩展机理的深入认识是进行科学合理设计的前提，是提升压裂裂缝控藏的关键。

水力压裂真三轴物理模拟试验是研究裂缝起裂与延伸规律最直接手段，在压裂裂缝形成机理方面具有重要作用。为描述压裂裂缝形态，目前主要方法包括压后扫描、劈裂试样观察和声发射监测技术等。试验后CT扫描可得到岩石内部裂缝走向，但无法获知裂缝扩展动态，而且对于较大尺寸岩石试样只能获知某些截面内裂缝形态，难以实现裂缝整体形态的重构；劈裂后压裂裂缝形态观察，同样无法获知裂缝扩展动态，而且劈裂容易带来观测误差；压裂过程的声发射技术通过岩石破裂的弹性波实现裂缝定位，可实现裂缝扩展动态分析，但裂缝定位精度较低，通常难以精细分析裂缝扩展动态，尤其是难以实现分段多簇压裂的多裂缝形态的精细区分。

分布式光纤应变监测技术是一种道路、桥梁、隧道等结构安全监测的方法。由于光纤可实现分布式测量，裂缝定位精度高，在结构健康检测中应用广泛。室内压裂试验同样需要定位和观测裂缝动态，然而目前基于分布式光纤应变的室内压裂试验监测试验还未见报道，尚缺少基于分布式光纤应变进行室内压裂试验监测的试验方法。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，旨在通过该方法实现对室内压裂裂缝扩展动态和形态的精细分析，推动压裂试验的精细分析与裂缝扩展机制的物理模拟试验研究。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，包括：

步骤S100，采用两种安装方式在试样的裂缝扩展路径安装多处分布式光纤光缆，所述两种安装方式包括在试样内固结分布式光纤光缆、以及在试样内设置井筒且在井筒内固结分布式光纤光缆；

步骤S200，压裂所述试样并确定所述分布式光纤光缆的应变传递效率；

步骤S300，对所述试样开展压裂过程光纤应变监测针对性试验，实时记录分布式光纤光缆的应变；

步骤S400，根据所述应变传递效率，对应变进行校正。

步骤S500，根据修正后的应变，确定裂缝形态与分布式光纤光缆的应变监测的匹配关系。

优选地，所述步骤S100中两种安装方式安装的分布式光纤光缆分别位于试样的压裂井对称位置；

相应地，所述步骤S200包括：

步骤S210，对试样加载高应力差实现对称扩展的水力压裂裂缝，实验过程中注入的压裂液采用高粘度液体，进行压裂过程两种固结方式的光纤应变；

步骤S220，试验记录试样内固结光纤应变ε_r和井筒内固结光纤应变ε_w随压裂注入时间的变化动态；

步骤S230，计算真三轴压裂过程的所述分布式光纤光缆的应变传递效率。

优选地，所述步骤S230包括：

根据试样内固结光纤应变ε_r和井筒内固结光纤应变ε_w的比值，计算真三轴压裂过程的所述分布式光纤光缆的应变传递效率，计算公式如下：

其中，ε_r为试件内固结光纤应变，无因次；

ε_w为井筒内固结光纤应变，无因次；

η为真三轴压裂的光纤传感应变传感效率，无因次。

优选地，所述步骤S300包括：

步骤S310，对所述试样开展压裂过程光纤应变监测针对性试验，设计多口井进行立体压裂，每口井的环空均固结光纤光缆，当其中一口井压裂时，其他井均作为分布式光纤应变监测井，实现裂缝长度、高度和宽度的监测与解释；

步骤S320，采用OFDR光纤应变解调仪进行光纤应变的监测记录及解调，实时记录分布式光纤光缆的应变。

优选地，所述步骤S320包括：

采用OFDR光纤应变解调仪，设置OFDR光纤应变解调仪空间分辨率为2mm，即每隔2mm一个测点，实时记录光纤光缆的应变。

优选地，所述步骤S400包括：

根据所述应变传递效率，对固结在井筒内的分布式光纤光缆的应变进行校正。

优选地，所述根据所述应变传递效率，对固结在井筒内的分布式光纤光缆的应变进行校正的步骤中，采用的校正公式为：

其中，ε_m为井筒内固结光纤监测到的应变，无因次；

ε为校正后岩石的真实应变，无因次；

η为真三轴压裂的光纤传感应变传感效率，无因次。

优选地，所述步骤S500包括：

步骤S510，绘制井底压力、光纤测点校正后应变随压裂时间变化曲线图，每条光纤校正后应变随注入时间变化的瀑布图；

步骤S520，基于每个时刻光纤校正后的应变，计算每一时刻光纤的应变率并绘制随注入时间变化的瀑布图；

步骤S530，离散时间点监测得到应变与应变率具有粗糙度，采用高斯滤波方法将应变与应变率进行光滑处理。

优选地，每一时刻的应变率的计算公式如下：

其中，t为时刻，s；

Δt为时间间隔，s；

ε为光纤校正应变，无因次；

为应变率，s-1。

本发明提出了分布式光纤应变监测水力裂缝扩展动态和岩石应变的完整方法，首次根据岩心内固结光纤应变与井筒内光纤应变，提出了应变传递效率实测和计算方法，实现了分布式光纤应变对压裂岩心内应变的精确解读。本发明也提供了针对多井钻采的情况，可通过多口井的分布式光纤应变监测实现裂缝形态的全方位监测。本发明提供的方法为分布式光纤应变在压裂裂缝监测理论和应用方面研究提供了实验手段，有利于推动该技术深入应用于水力压裂领域，对于精细认识压裂裂缝起裂与扩展机理、水力压裂工程设计具有重要实用价值。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为基于分布式光纤应变传感的真三轴压裂物理模拟系统中的真三轴水力压裂物理模拟装置：

图2为基于分布式光纤应变传感的真三轴压裂物理模拟系统中的OFDR光纤传感解调仪；

图3为基于分布式光纤应变传感的真三轴压裂物理模拟系统中的岩心及光纤传感光缆布置示意图；

图4为单井压裂光纤传感光缆布置位置设计第一实施例的示意图；

图5为单井压裂光纤传感光缆布置位置设计第二实施例的示意图；

图6为单井压裂光纤传感光缆布置位置设计第三实施例的示意图；

图7为单井压裂光纤传感光缆布置位置设计第四实施例的示意图；

图8为多井立体压裂分布式光纤应变监测布置方案一实施例的示意图；

图9为多井立体压裂分布式光纤应变监测布置方案又一实施例的示意图；

图10为光纤应变率试验监测与平滑处理后的结果图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1为真三轴水力压裂应力加载实验系统、图2为光纤应变监测解调仪和图3为试样内光纤布置和应力加载挡板设计，请参阅图1至图3，本发明压裂实验的目标是分析页岩水平井压裂过程光纤应变演化动态，采用50cm见方的压裂试样，试样包括混凝土人工试样和页岩露头试样。其中，混凝土人工试样是用于确定井筒内光纤应变传递效率，页岩试样是天然露头试样的一种类型，可以替换为其他岩性试件。

具体地，本发明提供一种基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，请参阅图1至图3，包括：

步骤S100，采用两种安装方式在试样的裂缝扩展路径安装多处分布式光纤光缆，所述两种安装方式包括在试样内固结分布式光纤光缆、以及在试样内设置井筒且在井筒内固结分布式光纤光缆；

具体地，所述步骤S100中试样为混凝土人工试样，如此，可以同时在试样内固结分布式光纤光缆、以及在试样内设置井筒且在井筒内固结分布式光纤光缆，具体地，试样的尺寸为30-50cm边长的立方块。在其他实施例中，试样也可以为混凝土人工试样和天然岩心，如此，在混凝土人工试样内固结分布式光纤光缆，在天然岩心内设置井筒且在井筒内固结分布式光纤光缆。

在本实施例中，在试样内设置井筒且在井筒内固结分布式光纤光缆，可以在试件制备后钻井筒(例如φ2.5cm×50cm)注环氧树脂胶固结光纤。

分布式光纤光缆的安装位置也可以依据研究目标灵活设计分布式光纤光缆的安装位置。为观测裂缝扩展过程的应变动态，在裂缝扩展路径布置多处光纤光缆(在本实施例中，裂缝扩展路径布置3处光纤光缆)，可用于分析裂缝扩展过程的光纤应变演化，并根据应变动态推断裂缝扩展速度、扩展形态。

由于真三轴压裂实验过程需要在试样六个侧面加载应力，为保护光纤光缆，设计带引导槽的加压挡板，其中引导槽的尺寸和位置如图3所示。

步骤S200，压裂所述试样并确定所述分布式光纤光缆的应变传递效率；

为了确定井筒内固结光纤的应变传递效率，所述步骤S100中两种安装方式安装的分布式光纤光缆分别位于试样的压裂井对称位置(在本实施例中，对称位置为±12cm)，所述步骤S200包括：

步骤S210，对试样加载高应力差实现对称扩展的水力压裂裂缝，实验过程中注入的压裂液采用高粘度液体，进行压裂过程两种固结方式的光纤应变；

其中，高粘度液体可以为硅油，通过高粘度流体可以减小裂缝扩展速度，充分进行压裂过程两种固结方式的光纤应变。

具体地，通过人工试样在钻取盲孔，加载高应力差实现对称扩展的水力压裂裂缝。试验过程注入的压裂液采用高粘度液体(如硅油)，通过高粘度流体可减小裂缝扩展速度，充分进行压裂过程两种固结方式的光纤应变。为保证裂缝沿预期方向延伸，设置垂向、水平最大和水平最小主应力分别为15、12、6MPa；人工试样在制作过程中可在起裂点位置预制纸片模拟初始裂缝，进一步确保水力裂缝沿着固定面扩展。

步骤S220，试验记录试样内固结光纤应变ε_r和井筒内固结光纤应变ε_w随压裂注入时间的变化动态；

步骤S230，计算真三轴压裂过程的所述分布式光纤光缆的应变传递效率。

具体地，所述步骤S230包括：

根据试样内固结光纤应变ε_r和井筒内固结光纤应变ε_w的比值，计算真三轴压裂过程的所述分布式光纤光缆的应变传递效率，计算公式如下：

其中，ε_r为试件内固结光纤应变，无因次；

ε_w为井筒内固结光纤应变，无因次；

η为真三轴压裂的光纤传感应变传感效率，无因次。

步骤S300，对所述试样开展压裂过程光纤应变监测针对性试验，实时记录分布式光纤光缆的应变；

具体地，所述步骤S300包括：

步骤S310，对所述试样开展压裂过程光纤应变监测针对性试验，设计多口井进行立体压裂，每口井的环空均固结光纤光缆，当其中一口井压裂时，其他井均作为分布式光纤应变监测井，实现裂缝长度、高度和宽度的监测与解释；

在所述步骤S310之前还包括开展天然或人工岩心压裂过程光纤应变动态试验，在裂缝扩展路径的多个位置布置光纤光缆，请参阅图6，人工岩样内光纤光缆采用固结方式，请参阅图7，天然岩心内光纤通过钻井筒方式固结在岩心内。

步骤S320，采用OFDR光纤应变解调仪进行光纤应变的监测记录及解调，实时记录分布式光纤光缆的应变。

具体地，所述步骤S320包括：

采用OFDR光纤应变解调仪，设置OFDR光纤应变解调仪空间分辨率为2mm，即每隔2mm一个测点，实时记录光纤光缆的应变。

步骤S400，根据所述应变传递效率，对应变进行校正。

具体地，所述步骤S400包括：

根据所述应变传递效率，对固结在井筒内的分布式光纤光缆的应变进行校正。

所述根据所述应变传递效率，对固结在井筒内的分布式光纤光缆的应变进行校正的步骤中，采用的校正公式为：

其中，ε_m为井筒内固结光纤监测到的应变，无因次；

ε为校正后岩石的真实应变，无因次；

η为真三轴压裂的光纤传感应变传感效率，无因次。

步骤S500，根据修正后的应变，确定裂缝形态与分布式光纤光缆的应变监测的匹配关系。

具体地，所述步骤S500包括：

步骤S510，绘制井底压力、光纤测点校正后应变随压裂时间变化曲线图，每条光纤校正后应变随注入时间变化的瀑布图；

步骤S520，基于每个时刻光纤校正后的应变，计算每一时刻光纤的应变率并绘制随注入时间变化的瀑布图；

具体地，每一时刻的应变率的计算公式如下：

其中，t为时刻，s；

Δt为时间间隔，s；

ε为光纤校正应变，无因次；

为应变率，s-1。

基于以上数据处理手段，分析单裂缝与多裂缝扩展过程的光纤应变与应变率的演化机制，并观察最终裂缝形态与光纤应变监测的匹配关系。

步骤S530，离散时间点监测得到应变与应变率具有粗糙度，采用高斯滤波方法将应变与应变率进行光滑处理。

具体地，请参阅图8和图9，多井立体压裂分布式光纤应变监测布置方案。图10为光纤应变率试验监测与平滑处理后的结果图。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，包括：

步骤S100，采用两种安装方式在试样的裂缝扩展路径安装多处分布式光纤光缆，所述两种安装方式包括在试样内固结分布式光纤光缆、以及在试样内设置井筒且在井筒内固结分布式光纤光缆；

步骤S200，压裂所述试样并确定所述分布式光纤光缆的应变传递效率；

步骤S300，对所述试样开展压裂过程光纤应变监测针对性试验，实时记录分布式光纤光缆的应变；

步骤S400，根据所述应变传递效率，对应变进行校正。

步骤S500，根据修正后的应变，确定裂缝形态与分布式光纤光缆的应变监测的匹配关系。

2.如权利要求1所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，所述步骤S100中两种安装方式安装的分布式光纤光缆分别位于试样的压裂井对称位置；

相应地，所述步骤S200包括：

步骤S210，对试样加载高应力差实现对称扩展的水力压裂裂缝，实验过程中注入的压裂液采用高粘度液体，进行压裂过程两种固结方式的光纤应变；

步骤S220，试验记录试样内固结光纤应变ε_r和井筒内固结光纤应变ε_w随压裂注入时间的变化动态；

步骤S230，计算真三轴压裂过程的所述分布式光纤光缆的应变传递效率。

3.如权利要求2所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，所述步骤S230包括：

根据试样内固结光纤应变ε_r和井筒内固结光纤应变ε_w的比值，计算真三轴压裂过程的所述分布式光纤光缆的应变传递效率，计算公式如下：

其中，ε_r为试件内固结光纤应变，无因次；

ε_w为井筒内固结光纤应变，无因次；

η为真三轴压裂的光纤传感应变传感效率，无因次。

4.如权利要求1所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，所述步骤S300包括：

步骤S310，对所述试样开展压裂过程光纤应变监测针对性试验，设计多口井进行立体压裂，每口井的环空均固结光纤光缆，当其中一口井压裂时，其他井均作为分布式光纤应变监测井，实现裂缝长度、高度和宽度的监测与解释；

步骤S320，采用OFDR光纤应变解调仪进行光纤应变的监测记录及解调，实时记录分布式光纤光缆的应变。

5.如权利要求4所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，所述步骤S320包括：

采用OFDR光纤应变解调仪，设置OFDR光纤应变解调仪空间分辨率为2mm，即每隔2mm一个测点，实时记录光纤光缆的应变。

6.如权利要求1所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，所述步骤S400包括：

根据所述应变传递效率，对固结在井筒内的分布式光纤光缆的应变进行校正。

7.如权利要求6所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，所述根据所述应变传递效率，对固结在井筒内的分布式光纤光缆的应变进行校正的步骤中，采用的校正公式为：

其中，ε_m为井筒内固结光纤监测到的应变，无因次；

ε为校正后岩石的真实应变，无因次；

η为真三轴压裂的光纤传感应变传感效率，无因次。

8.如权利要求7所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，所述步骤S500包括：

步骤S510，绘制井底压力、光纤测点校正后应变随压裂时间变化曲线图，每条光纤校正后应变随注入时间变化的瀑布图；

步骤S520，基于每个时刻光纤校正后的应变，计算每一时刻光纤的应变率并绘制随注入时间变化的瀑布图；

步骤S530，离散时间点监测得到应变与应变率具有粗糙度，采用高斯滤波方法将应变与应变率进行光滑处理。

9.如权利要求8所述的基于分布式光纤应变监测的真三轴压裂试验裂缝扩展动态监测方法，其特征在于，每一时刻的应变率的计算公式如下：

其中，t为时刻，s；

Δt为时间间隔，s；

ε为光纤校正应变，无因次；

为应变率，s-1。

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