基于OFDR的层压陆相页岩油储层中非对称裂缝群传播的分布式光纤监测

关键词：OFDR、分布式光纤传感、裂缝传播

一. 概述

四川盆地凉高山组优质页岩油储层存在复杂的垂直重叠岩性，大陆页岩油储层存在发育层理，薄层和天然裂缝，对水平井多级压裂技术的裂缝网络形态控制和监测构成挑战。本研究提出了一种基于OFDR分布式光纤传感的实验室真三轴压裂物理监测方法。采用U型平面布局方式监测水力压裂开始到结束的应变数据。

二. 实验过程

本次实验选用250 mm×250mm×200mm的立方体露台，将岩石两边及底部开槽，使用氰基丙烯酸酯速干胶将0.9mm紧护套光纤固定在槽内。图1为实验前准备过程图。使用武汉昊衡科技研发的OSI-D分布式光纤动态传感设备，采集向井筒内加液压过程中光纤应变数据，光纤测试系统空间分辨率选用1.28mm，图2为光纤测试仪器实物图及光纤原理示意图。

图2分布式光纤光监测设备及原理。

三. 测试结果

图3比较了3个页岩油样品压裂前后的裂缝网络形态。图4为三个样品压裂后300s光纤应变数据及对应页岩油样品位置图。此时压裂网络已经启动并正在稳步扩展。从视觉上看，断裂的数量、监测的应变和左右两侧的断裂形态都存在差异。在样品1#的左右两侧分别有2个和1个水力裂缝，其中HF1’和HF3’的应变相对接近，约为410με，HF2’为247με。样品2#的左右两侧分别有4个和2个水力裂缝，其中HF3’’的应变值为432με，其余分布在200-300με范围内。样品3#的左右两侧分别产生两个水力裂缝，HF3’’的应变为408με，其余分布在350-390με范围内。分布光纤采集的单向应变特征是正态应变为拉伸应变，负应变为压缩应变。因此，这六种都是拉伸形裂缝，也被称为I形裂缝。

图3真三轴压裂试验前后页岩油样裂缝对比

图4 页岩水力压裂井筒左右两侧裂缝形态对比及对应光纤测试数据

通过OFDR分布式光纤传感系统监测光纤应变，发现断裂开始后存在应变恢复过程。以样品2#为例。随着压裂液体的连续注入，液压迅速增大。当压力达到页岩油试样的压裂压力值时，岩样开始断裂，然后产生拉伸和压缩应变。样品2#在第一次开始时7s内监测的应变如图5所示，断裂的产生是瞬时且有弹性的。HF3’’的拉伸应变从47με上升到276με，HF1’’从190秒到193秒从18με上升到121με。在第194秒，HF3’’的应变达到最大值，437 με。随后，HF3’’的应变开始下降，在第197秒达到402με后，下降了近8%。然后，在压裂液体注入过程中，裂缝位置的应变保持不变。持压过程和断裂起始阶段的应变迅速增加，随后略有下降；这表明断裂起始是一个弹性过程，在断裂起始时刻存在一个适当的应变恢复阶段。此外，参考红线，HF5’’的应变和HF6’’的应变在第199秒达到最大值，表明垂直断裂的光纤两侧有2s的时间偏差。时间偏差是指垂直裂缝到达露头两侧与混凝土两侧的时间不同，水力裂缝沿最大水平主应力方向不均匀传播。此外，每个裂缝的左右两侧的应变带也是不对称的。

图5 样品2#实验开始后的应变和泵的压力曲线

图6为光纤应变云图以及裂缝扩展位置图，应变云图可以快速确定由光纤监测得到的应变数据的演化规律。它可以通过拉伸应变来确定水力裂缝的位置。在样品的持压过程中，没有明显的光纤光变形。在裂缝起始点附近，光纤只检测到一个很小的应变（在50με范围内）。当样品出现裂缝时，光纤监测到拉伸和压缩应变，此时应变值最大。裂缝宽度保持不变，在水力裂缝群传播过程中，周围位置受到拉应力的影响。与样品2#相比，样品1#和样品3#的红色条带较窄，水力裂缝的宽度较小。当泵停止，混合压力开始缓解后，整个光纤就会产生变化，因此会出现张力和压缩带，重新说明光纤状态良好。