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。

（b）样品2#的垂直裂缝延伸到边界，产生4个不对称层状裂缝。裂缝到达两侧时时间相差接近2秒

（c）垂直裂缝沿天然裂缝延伸，呈高角度延伸，连接两条层状裂缝 图6 光纤测试应变云图以及裂缝云图

四. 结论

基于OFDR分布光纤传感技术对真三轴压裂过程岩石应变的监测，发现了垂直裂缝和层状裂缝的不对称扩展行为，并进行了分类。其主要结论如下：

垂直裂缝和层状裂缝的裂缝扩展形态和表面性质都有所不同。层压页岩储层中裂缝群的不对称传播模式主要反映了它们的传播速度和方向。裂缝到达两侧有2s的时差。同时，主垂直裂缝与水平最大原位应力之间的夹角分别为23°、15°和34°。

裂缝的开产生是瞬间发生的，裂缝产生后具有弹性恢复的特征。在3s内的最大应变回复率约为8%，在裂缝扩展过程中应变是稳定的。这一特性可以为油田裂缝尖端的产生和延伸过程中添加砂的时间提供一种方法。

以下工作值得进一步研究：通过分布式光纤监测得到的应变云图可以单独获得裂缝的宽度、长度和形状等信息。通过分布式光纤应变监测，可以进一步跟踪和确定裂缝的传播路径。分布式光纤的u型布置可以为相邻井的压裂监测提供一个实用的思路。

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来源：Rock Mechanics and Rock Engineering

题名：Distributed Fiber Optic Monitoring of Asymmetric Fracture Swarm Propagation in Laminated Continental Shale Oil Reservoirs

作者： 侯冰、张其星、吕嘉昕

原文链接： https://doi.org/10.1007/s00603-024-03791-z