水力壓裂多裂縫擴展誘發光纖應變演化試驗研究

為解決光纖監測水力壓裂過程中裂縫擴展形態認識不清的難題，提出了一種基于光纖應變監測的水力壓裂物理模擬試驗方法。將基于光頻域反射（OFDR）技術的分布式光纖解調器與大型真三軸壓裂物理模擬試驗相結合，開展了人造試樣及頁巖試樣水力壓裂光纖實時監測物理模擬試驗。試驗結果表明，基于OFDR的分布式光纖傳感技術可以高空間分辨率、高精度監測應變的演化，光纖的應變數據可以清晰地反映裂縫的產生、擴展和閉合。根據試驗結果提出了一種基于光纖應變感測的水力壓裂裂縫形態判別準則，該準則可以根據光纖應變演化信息判斷部分裂縫類別。研究結論可高效地指導分布式光纖數據解釋工作，可為光纖壓裂監測的現場規模應用提供參考。

水力壓裂；裂縫識別；分布式光纖監測；頁巖儲層；層理縫；高角度天然裂縫；光纖應變

TE357

A

013

Experimental Study on Fiber Strain Evolution Induced by

Multi-Fracture Propagation in Hydraulic Fracturing

Wang Su Chen Mian Lü Jiaxin

（State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting，China University of Petroleum （Beijing）；MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering，China University of Petroleum （Beijing））

The propagation morphology of fractures in hydraulic fracturing process with optical fiber monitoring remains unclear.In this regard，a physical simulation test method for hydraulic fracturing based on fiber strain monitoring was presented.A distributed optical fiber demodulator based on optical frequency domain reflectometer （OFDR） was combined with large-scale true triaxial fracturing physical simulation test to perform physical simulation test of optical fiber real-time monitoring on hydraulic fracturing of artificial and shale samples.The test results show that the distributed optical fiber sensing technology based on OFDR can monitor the evolution of strain with fine spatial resolution and high precision，and the strain data of the optical fiber can clearly reflect the initiation，expansion，and closure of fractures.Moreover，a hydraulic fracture morphology discrimination criterion based on fiber strain sensing was presented based on the test results，which can determine the types of some fractures based on the fiber strain evolution information.The research conclusions can efficiently guide the interpretation of on-site distributed fiber data，can providing reference for large-scale field application of optical fiber monitoring of fracturing.

hydraulic fracturing；fracture identification；distributed optical fiber monitoring；shale reservoir；bedding fracture；high-angle natural fracture；fiber strain

0 引 言

水力壓裂作為一項提高油氣井產量的核心技術，在非常規油氣資源的開發中扮演著重要的角色^［1-3］。在水力壓裂過程中，準確地監測裂縫的生成與擴展對于評估壓裂效果、優化施工參數和提高經濟效益具有重要意義^［4-7］。傳統的監測方法如微地震監測，在追蹤裂縫擴展方面發揮了作用，但在空間分辨率、實時反饋及環境適應性等方面存在局限^［8］。隨著技術的發展，分布式光纖監測技術因其獨特的優勢逐步成為工業界關注和研究的重點^［9-11］。

分布式光纖監測技術利用沿井下布置的光纖作為傳感器，通過感知光纖中因外部環境變化而產生的光信號變化，實時監測井內的聲波、溫度及應變等物理參數^［12］。Shell公司在加拿大一口致密氣井中首次使用DAS（分布式光纖聲波傳感）技術監測測井、射孔和壓裂過程，提出了光纖有效識別裂縫擴展動態的方法^［13］。HFTS-2礦場試驗^［14-16］使用了DAS、DTS（分布式光纖溫度傳感）和DSS-RFS（基于瑞利散射的分布式光纖應變傳感）3種光纖監測技術，分別布置了3口水平光纖井及一口垂直光纖井，通過不同的光纖布置方式估算裂縫擴展形態。分布式光纖監測技術以其高空間分辨率和實時監測的特性，為水力壓裂裂縫擴展的研究提供了新的視角。

然而，由于地下環境的復雜性，直接在現場監測裂縫擴展存在著極大的技術和經濟挑戰。室內物理模擬試驗因此成為研究水力壓裂裂縫擴展的有力手段，它可以在可控的環境下模擬井下條件，為研究裂縫的生成和擴展提供直觀且詳盡的數據。許多學者進行了室內光纖壓裂物理模擬試驗。ZHANG Q.X.等^［17］將基于OFDR（光頻域反射）的分布式光纖解調器與大型真三軸壓裂物理模擬設備相結合，開展了混凝土試樣的室內水力壓裂物理模擬試驗，得到了垂直裂縫擴展誘發鄰井光纖應變演化規律。WANG S.等^［18］將分布式光纖與分簇動態控流試驗設備相結合，開展了光纖應變感測的多簇水力壓裂物理模擬試驗，提出了根據光纖應變演化數據判斷多裂縫擴展誘發光纖應變演化特征的方法。

目前，分布式光纖監測水力壓裂室內物理模擬試驗中存在以下問題：分布式光纖如何布設在試樣中、試驗參數的設置如何符合現場情況以及得到的試驗數據如何解釋。為此，本文將基于OFDR的分布式光纖解調器與大型真三軸壓裂物理模擬試驗相結合，開展水平鄰井光纖監測人造試樣及頁巖試樣的水平井壓裂室內物理模擬試驗；對水力壓裂過程中水平鄰井光纖應變數據進行分析，得到不同類型裂縫起裂誘發不同的光纖應變演化特征，并以此提出評價裂縫擴展形態的方法。研究結果可為光纖壓裂監測的現場規模應用提供參考。

1 分布式光纖監測水力壓裂物理模擬試驗

1.1 光頻域反射技術原理

采用的分布式光纖解調器基于OFDR原理，其通過分析反射或散射光的頻率變化檢測光纖中的事件和失效。原理如下：OFDR的光源向光纖發送一系列頻率不同的窄脈沖光信號，光信號在光纖中傳播時因光纖內部的變化（如應變、溫度變化）發生反射。這些反射信號被光纖捕獲并返回至系統。OFDR分析接收到的反射信號的頻率特性，并根據信號的頻率分布確定光纖中的變化位置和性質。最后，系統會對數據進行處理，生成反映光纖中應變或溫度變化的圖像或數據，以供分析和監測使用。在水力壓裂室內物理模擬試驗中，OFDR可以用來監測分布式光纖沿線的應變或溫度分布，從而推斷裂縫的產生和擴展。

1.2 試驗設備

數據采集采用OSI-D設備，如圖1所示。其配件包括引纖光纜、引纖盒及跳線，并配備高精度分布式光纖傳感系統。OFDR解調器的靜態數據采集空間分辨率為0.64 mm，應變測量精度可達±1 με，最高采樣率為120 Hz，引纖光纜的長度為100 m。

傳感光纖為125 μm的裸光纖，主要用于監測應變信息及傳輸數據，光纖外部包裹的PI（聚酰亞胺）涂層用于固定和保護內部的裸光纖，裸光纖的應變傳遞損失可忽略不計。

水力壓裂物理模擬試驗采用中國石油大學（北京）巖石力學實驗室設計的大型真三軸壓裂模擬試驗系統，模擬井筒中水力裂縫的開啟、轉向和擴展形態，OFDR監控整個試驗過程^［18］。測試系統由真三軸試驗組件、三軸液壓穩定源（WY-300Ⅷ）、液壓流體和液壓動力油隔離組件、MTS加壓和控制器、數據采集和處理系統組成，如圖2所示。

1.3 人造試樣水力壓裂物理模擬試驗

試樣制備。由水泥和石英砂按照1∶1的體積比制成混凝土，澆筑成邊長300 mm的立方體試樣。試樣制備時，將井筒放置在未凝固的混凝土正中央，在放置井筒之前，在底部塞上透水的橡皮泥，防止混凝土進入井筒；預先計算光纖傳感段長度（20 cm），在首端熔接跳線，在末端熔接尾端反射消除器；確認下入位置，將光纖緩慢下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；將跳線段連接設備，檢查光纖是否出現斷折。分布式光纖及預制的天然裂縫在人造試樣中的布設方式如圖3所示。人造試樣澆筑完成后，放置30 d進行固化和風干。人造試樣的基本力學參數如表1所示。

試驗條件。試驗過程中，水平最大主應力和最小主應力值分別設置為20和5 MPa，上覆應力為10 MPa，排量為15 mL/min；壓裂液的溫度需要和室溫相同以消除溫差對傳感光纖的影響。真三軸壓裂試驗平臺及人造試樣應力施加方向情況如圖4所示。

試驗操作步驟如下：

（1）放入試樣及安裝圍壓板。將樣品放入真三軸物理模擬試驗架中，安裝扁千斤壓力板及圍壓部件（見圖4），期間需對光纖跳線段進行保護避免其發生錯斷。

（2）連接光纖與引纖盒。將光纖首端清潔后接入引纖盒中，檢測光纖傳感部分的完整性。

（3）施加三軸圍壓。對試樣施加三軸圍壓模擬地應力，根據油田地應力測試結果以及相似準則計算試驗參數^［19］；加載圍壓后，等待約30 min，觀察圍壓是否不平衡。

（4）對光纖的傳感段進行定位。用光纖針蘸取少量液氮進行光纖定位，確定光纖傳感段，并記錄光纖傳感段的起始點。

（5）開始壓裂并進行光纖監測。根據設定排量，通過注入系統將壓裂液泵入井筒，開始壓裂直至樣品破裂，并停止泵送；在此期間需選定光纖參考段，并開啟光纖傳感設備進行實時監測。

（6）保存數據及打開試樣。保存試驗中采集的泵壓曲線和光纖應變監測數據，沿水力裂縫打開樣品，觀察并記錄裂縫起始位置和擴展形態，對光纖應變監測數據進行解釋。

1.4 頁巖水力壓裂物理模擬試驗

試驗所取的頁巖露頭為四川盆地梁高山組頁巖。梁高山組頁巖油儲層巖性復雜，層理發育且具有較多高角度天然裂縫。將所取的頁巖露頭切割成邊長為200 mm的立方體頁巖（見圖5a）。

為了下入光纖，需在頁巖試樣表面切割出粘貼光纖的U形槽，隨后用水鉆在試樣正中位置鉆出可下入井筒大小的井眼，待試樣干透后在U形槽位置用光纖膠粘貼光纖。待光纖膠完全干透后測試光纖是否發生斷折，確認無誤后將井筒下入井眼中，用固井膠進行固井操作。為保證水力壓裂真三軸試驗架能對試樣均勻施加圍壓，需在頁巖試樣周圍包裹混凝土，制成邊長為300 mm的立方體試樣，水泥和石英砂的體積比為1∶1。其中近端豎直段及遠端豎直段用于模擬2口水平光纖監測井，水平段用于模擬垂直光纖監測井（見圖5b）。圖5b中σ_H表示水平最大主應力，MPa；σ_h表示水平最小主應力，MPa；σ_v表示上覆應力，MPa。試樣澆筑完成后，放置30 d進行固化和風干。

根據室內試驗得到頁巖的基本力學參數如表2所示。根據油田地應力測試結果以及相似準則計算試驗參數^［19］，將水平地應力差設置為8 MPa，水平最大主應力設置為26 MPa，水平最小主應力值設置為18 MPa，上覆應力設置為28 MPa。試樣的養護過程及試驗操作步驟與人造試樣水力壓裂物理模擬試驗相同。

2 試驗結果及討論

2.1 人造試樣水力壓裂物理模擬試驗結果

壓裂后打開水力裂縫，圖6為人造試樣壓裂后裂縫擴展形態。由圖6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；由于試樣內存在預制的天然裂縫，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7為人造試樣壓裂過程光纖傳感段應變瀑布圖及泵壓曲線。光纖應變瀑布圖用以描述光纖應變演化情況，橫軸沿軸向方向表示進行中的壓裂過程，圖中“紅色”表示張應變，“藍色”表示壓應變，光纖傳感段共有160個測點，光纖的測點間距為1.28 mm。由圖7b可以看出，人造試樣的壓裂過程中存在多次壓降，每次壓降的產生都會導致光纖應變突然變化，其中3條裂縫的起裂均導致泵壓較大幅度的下降。由圖7a可以看出：隨著壓裂液不斷進入井筒，通過應變出現突然變化的區域位置可以判斷，首先起裂的是距離光纖首端最遠的裂縫3，隨著裂縫不斷的擴展，壓裂液進入細小孔洞出現應變減小的現象；裂縫2起裂之前，對應的光纖位置出現明顯的壓應變區，說明該位置存在天然裂縫，隨著壓裂液不斷進入試樣，該位置天然裂縫閉合導致光纖出現壓應變，裂縫2的起裂是由于壓裂液激活天然裂縫，在光纖應變瀑布圖中表現為壓應變區到張應變區的快速轉換；裂縫2位置的光纖張應變信號增強導致裂縫3位置的張應變信號減弱，說明裂縫2的開啟及擴展會導致裂縫3的裂縫寬度減小，壓裂過程中距離較近的裂縫會存在相互影響；裂縫1的起裂使泵壓出現了大幅度的下降，但是裂縫1的開啟及擴展誘發光纖的應變響應信號強度遠小于裂縫2及裂縫3，這是由于裂縫1是由人造試樣頂部滲液而形成。

2.2 頁巖試樣水力壓裂物理模擬試驗結果

圖8為頁巖試樣壓裂后裂縫擴展形態。由圖8可以看出，頁巖試樣在壓裂后形成了一條溝通高角度天然裂縫的主水力裂縫（裂縫4），該水力裂縫為高角度的傾斜裂縫（僅擊中了光纖一側），其溝通了多條開啟的層理縫。由于試樣存在大量的層理縫及一條高角度天然裂縫，壓裂液易進入層理及天然裂縫中導致多條層理縫的開啟與擴展。從而在壓裂過程中形成了大量的天然裂縫誘導縫，并與層理縫溝通形成了復雜縫網。

圖9為頁巖試樣壓裂過程光纖傳感段應變瀑布圖及泵壓曲線。由圖9b可以看出，該曲線存在3次明顯的下降：泵壓曲線第一次下降是由于壓裂液激活高角度天然裂縫形成了主裂縫，后兩次的下降則是層理縫或天然裂縫誘導縫的開啟所導致。

由圖9a可以判斷出裂縫4擊中光纖的具體位置，該位置在初始階段存在一段壓縮區，這是由于壓裂液注入試樣內導致高角度天然裂縫閉合從而誘發了光纖被壓縮；隨后該處由壓縮區轉為拉伸區，說明該處高角度天然裂縫被激活形成主水力裂縫。圖9中出現的大范圍張應變區域快速匯聚又逐漸發散（應變瀑布圖中表現為“楔形”張應變匯聚帶）的情況緣于層理縫的開啟與擴展，所在位置信號較強是因為層理縫距離光纖較近^［18］，根據該規律可以判斷層理縫與光纖的距離。

除上述幾種情況外，試樣還存在較多窄張應變匯聚帶，這是由于天然裂縫誘導縫擴展使光纖產生了相應的應變響應；水平段中部出現了一條較窄的壓應變匯聚帶，說明該處存在未被激活的天然裂縫。

2.3 討論

人造試樣的水力壓裂物理模擬試驗結果表明，水力壓裂物理模擬試驗得到的光纖應變數據可以確定水力裂縫數量、裂縫起裂位置與順序及天然裂縫位置，并且可以判斷天然裂縫是否被激活。

頁巖試樣的水力壓裂物理模擬試驗結果表明，受四川盆地梁高山組頁巖發育層理及高角度天然裂縫影響，頁巖試樣壓裂形成的主裂縫會溝通層理縫及高角度天然裂縫形成復雜縫網；垂直裂縫、層理縫、高角度天然裂縫及天然裂縫誘導縫的開啟與擴展誘發鄰井光纖不同的應變演化。

根據上述試驗結果：當光纖某處存在高角度天然裂縫時，在水力壓裂開展過程中該處光纖會發生小范圍的壓應變，可能是由于壓裂液不斷進入試樣導致頁巖發生水化膨脹，致使該處高角度天然裂縫閉合使光纖產生壓應變響應。若該處的高角度天然裂縫被壓裂液激活則該處光纖將會由壓應變瞬間轉為張應變。

根據試驗結果提出了一種基于光纖應變感測的水力壓裂裂縫形態判別準則（見圖10）。水力壓裂鄰井光纖的應變瀑布圖中，若出現小范圍的壓應變匯聚帶，可能是由于此處存在高角度天然裂縫；若壓應變快速轉為張應變，則可能是由于水力裂縫溝通此處的高角度天然裂縫；若出現“楔形”張應變匯聚帶，可能是由于層理縫的開啟與擴展；若出現多段小范圍且較弱的張應變信號，則可能是產生了多條天然裂縫誘導縫。該判別準則可根據現場鄰井光纖應變數據初步判斷主裂縫及部分次生裂縫的擴展情況，對指導現場分布式光纖數據解釋具有重要意義。

3 結論及建議

（1）根據光纖應變數據可確定水力裂縫數量、裂縫起裂位置與順序，多個裂縫擴展過程中會出現競爭擴展現象；裂縫開啟前應變瀑布圖出現了壓縮區域，說明此處在壓裂前存在天然裂縫。

（2）分布式光纖所在位置存在未被溝通的高角度天然裂縫，該處會出現小范圍的壓應變區；若水力裂縫溝通高角度天然裂縫，則該處出現的壓應變區會快速轉化為張應變區。

（3）層理縫的開啟及擴展會導致水平鄰井光纖出現大范圍張應變區快速匯聚又逐漸發散的現象，在光纖應變應變瀑布圖中表現為“楔形”張應變匯聚帶。

（4）若頁巖層及高角度天然裂縫較為發育，壓裂液易激活層理縫及高角度天然裂縫形成復雜縫網，生成的天然裂縫誘導縫擊中分布式光纖時，光纖應變瀑布圖中會出現多條較窄的張應變匯聚帶。

（5）可根據不同類別裂縫誘發分布式光纖應變演化特征分析現場水力壓裂主裂縫及部分次生裂縫擴展情況，更高效地指導現場分布式光纖數據解釋工作。

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王溯，生于1998年，現為在讀博士研究生，研究方向為分布式光纖監測水力壓裂。地址：（102249）北京市昌平區。email：wangsu75@163.com。

通信作者：陳勉，教授。email：chenm@cup.edu.cn。

2024-03-27

任 武