水力压裂多裂缝扩展诱发光纤应变演化试验研究

1.概述

本文基于OFDR技术的光纤应变监测方法，监测了真三轴条件下人造岩石试样与页岩的水力压裂试验。结果表明，OFDR技术能以毫米级分辨率实时监测裂缝起裂、扩展及闭合全过程，并建立基于应变演化的裂缝判别准则，为光纤压裂监测的工程应用提供有效指导。

2.实验过程

人造试样制备：水泥和石英砂按照1：1的体积比制成混凝土,浇筑成边长为300mm的立方体试样，将光纤嵌入到未凝固的混凝土中,并在试样中下入与井筒夹角为60°的1张A5纸作为预制人造试样的天然裂缝。

图1分布式光纤及预制的天然裂缝在人造试样中布设方式

页岩试样制备：所取的页岩露头为四川盆地梁高山组页岩，将页岩露头切割成边长为200mm的立方体,并在表面切割出Ｕ形槽用于光纤布设，为保证均匀施加围压,在页岩试样周围包裹混凝土,制成边长为300mm的立方体试样。

图2页岩试样照片及页岩试样混凝土包裹示意图

3.实验结果分析

人造试样数据：

图3为人造试样压裂后裂缝扩展形态。可以看出:人造试样出现了３条横切井筒的垂直裂缝,裂缝３为水力压裂产生的主裂缝;因试样内有预制的天然裂缝,压裂液激活天然裂缝导致裂缝２起裂;裂缝１由试样顶部渗液产生。３条裂缝均为非对称扩展。

图3人造试样压裂后裂缝扩展形态

压裂液注入后，裂缝3（距光纤首端最远）最先起裂，其扩展引发孔洞渗液使应变下降；裂缝2起裂前对应光纤位置出现压应变区（天然裂缝闭合标志），激活后应变由压转张，其扩展导致裂缝3张应变减弱，表明相邻裂缝存在宽度竞争效应。

裂缝1起裂导致泵压骤降，但其应变响应强度显著弱于裂缝2、3，因其由试样顶部渗液形成，所以裂缝扩展受限。

图4人造试样压裂过程光纤应变瀑布图

页岩试样数据：

图5显示，页岩试样压裂后形成一条高角度倾斜主裂缝（裂缝4），该缝连通多条层理缝。试样因富含层理缝及高角度天然裂缝，压裂液渗入层理和天然裂缝，促使多缝开启扩展，最终形成由主缝、层理缝及诱导缝交织的复杂缝网。

图5页岩试样压裂后裂缝扩展形态

图6显示，页岩试样压裂过程中泵压出现三次显著下降：首次源于高角度天然裂缝激活形成主裂缝（裂缝4），后两次对应层理缝或诱导缝开启。应变瀑布图显示，裂缝4初始阶段因天然裂缝闭合呈现压缩区，激活后转为拉伸区。大范围楔形张应变汇聚带反映层理缝扩展（近光纤处信号强），而窄张应变带对应天然裂缝诱导缝活动，中部压应变带则指示未激活的天然裂缝。

图6页岩试样压裂过程光纤应变瀑布图

基于试验结果，提出了裂缝形态判别准则（图7）：

1.小范围压应变汇聚带→高角度天然裂缝存在

2.压应变转张应变→高角度缝被水力裂缝沟通

3.楔形张应变带→层理缝开启扩展

4.多段弱张应变→天然裂缝诱导缝生成

该准则可通过邻井光纤应变数据快速识别主裂缝及次生裂缝扩展形态，为现场压裂监测提供直观判据。

图7不同类别裂缝诱发分布式光纤应变演化特征

4.结论

1.裂缝动态识别

光纤应变数据可精准判定水力裂缝数量、起裂位置及扩展时序，揭示多裂缝竞争扩展现象。压应变区的出现指示该位置存在未被激活的天然裂缝。

2.天然裂缝状态判别

未被沟通的高角度天然裂缝对应小范围压应变区；若水力裂缝与其连通，压应变区迅速转为张应变区。

3.层理缝扩展特征

层理缝开启扩展时，光纤应变瀑布图呈现“楔形”张应变汇聚带，信号强度与层理缝至光纤距离相关。

4.复杂缝网形成标志

页岩层理及高角度天然裂缝扩展时，压裂液激活多缝形成复杂缝网，光纤应变图中出现多条窄张应变汇聚带（对应天然裂缝诱导缝），局部压应变带反映未激活裂缝。

5.现场应用价值

基于不同裂缝类型（主缝、层理缝、诱导缝等）的应变演化特征，可反演出主裂缝及次生裂缝扩展动态，提升分布式光纤监测数据的解释效率，为水力压裂提供可靠的数据支持。

通过OFDR分布式光纤传感技术，可在水力压裂过程中,准确地监测裂缝的生成与扩展，这对于评估压裂效果、优化施工参数和提高经济效益具有重要意义。

如需下载原文，请移至:

题名：水力压裂多裂缝扩展诱发光纤应变演化试验研究

作者：王 溯 陈 勉 吕嘉昕

原文链接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=-Y4qPNLDuvbl9QtTPZVfw5Es5gY583s8L3VNHTmadq9UrJ8Y5PX4E1gvk6ZLgc8RnaBTHRM_zC-Esu7UDjEABHLFeJIZqMuApdveVpmRKPJDiQNA6G96I2jMYn7L-4hV6II78L8ffeEXdbhrrsDoiKquE4FTVhjxLy-s6b5wG1fJ2mevacGUHQ==&uniplatform=NZKPT&language=CHS