基于OFDR的岩石真三轴压裂光纤应变监测研究

关键词：OFDR，分布式光纤传感，应变传感，岩石压裂，光纤测量，三维场重构

一、概述

本次实验采用光频域反射仪（OFDR）技术实现对室内真三轴水力压裂过程中裂缝进行实时监测，精准捕捉裂缝起始与扩展过程，获取裂缝宽度、起始位置、扩展速度及高度等关键参数，为深入理解裂缝形态、优化压裂设计及油田高效开发提供技术支撑，解决传统监测技术在裂缝形态和空间定位准确性上的不足。

二、测试方案

（一）实验装置

采用大型真三轴压裂物理模拟系统，核心组件包括真三轴模型框架、高压缸、液压动力泵组、数据采集系统及OFDR光纤监测系统。OFDR光纤监测系统为昊衡科技的OSI-D设备，进行分布式传感光纤数据采集，其间分辨率能达到1.28mm，应变测量精度1με，最大采样率120Hz。

图 1 真三轴压裂物理模拟系统及OFDR分布式光纤监测系统

（二）样品与光纤布局

实验样品采用定制化整体浇铸工艺，尺寸为400mm×400mm×400mm，由油井水泥和石英砂按2:5体积比混合制成，固化28天后获得高强度、低渗透率样品。光纤以“弓形”缠绕在金属丝上，用棉线固定并点涂光纤胶水形成组件，通过拼接尾端反射消除器提升信号质量，嵌入样品指定高度，两端延伸至模具外用于连接跳线。设置两种监测场景：裂缝与光纤垂直接触时模拟相邻水平井监测，裂缝与光纤平行时模拟相邻垂直井监测。

图 2光纤预埋方案

图 3井筒与光纤位置关系

（三）实验参数与流程

水平井监测样品的X轴应力设定为25MPa、Y轴15MPa、Z轴10MPa，压裂液采用10Pa·s硅油，注入排量30mL/min；垂直井监测样品的X轴应力10MPa、Y轴25MPa、Z轴15MPa，压裂液同前，注入排量20mL/min。

实验流程包括样品放置与光纤连接、挡板安装、光纤定位（通过温水棉签确定起始位置）、样品推入压裂腔室并施加三轴围压、注入压裂液至样品破裂、同步采集井口压力与光纤应变数据，实验后分析岩石破碎情况与裂缝形态。

数据处理流程为：将高频应变数据降采样生成LF-DAS信号，剔除异常值并过滤，创建应变瀑布云图，选取对称点绘制单纤维应变曲线，通过公式计算应变与裂缝宽度。

三、测试结果

（一）相邻水平井监测结果

压裂后样品沿水印线裂开，裂缝F1垂直于最小水平主应力方向呈均匀圆形扩展。

图 4断裂重建示意图

(a)样品的三维模型，(b)断裂的俯视图，(c)光纤路径坐标的示意图

在6.1分钟时发生断裂，断裂压力24.4MPa。OFDR监测的光纤应变经历应变增强、应变收敛和应变带形成三个阶段，泵送停止后应变速率带反转。通过应变瀑布云图可明确裂缝直接接触各光纤的具体位置，结合时间差计算得出裂缝扩展速度：D-E段1.66mm/s、C-B段0.83mm/s、B-A段0.76mm/s，当裂缝直接接触C、D纤维时形成压缩应变带，B、E纤维处应变影响减弱。

图 5(a)光纤应变与(b)应变率的瀑布云图

图 6c（左）段光纤、d（右）段光纤应变瀑布图

裂缝宽度通过应变曲线计算得出，最大宽度达0.1256mm，泵送停止后逐渐减小至0.0536mm。未接触光纤时，光纤出现“双峰应变”现象，随裂缝逼近逐渐收敛。

图 7瀑布图及不同时间点的应变变化曲线

（二）垂直井测结果

样品断裂后呈现垂直于最小水平主应力的单一裂隙F1，仅局限于岩石上半部。

图 8断裂重建示意图

(a)样品的三维模型，(b)断裂的俯视图，(c)光纤路径坐标的示意图

7.2分钟时达到27.3MPa破裂压力。光纤布局方向与裂缝高度扩展方向平行，裂缝垂直扩展引发光纤轴向应变，OFDR监测的应变瀑布图在测量点1100附近出现明显拉伸应变带，应变率瀑布图中该区域在泵停时出现反转。

图 9(a)光纤应变与(b)应变率的瀑布图

依据拉伸应变带的沿光纤坐标估算裂缝高度，光纤A、B、C、D测得高度分别为23.55cm、23.12cm、23.16cm、23.58cm，平均值23.35cm，与实测值22.36cm相比误差仅4.4%。

图 10各光纤的预估断裂高度

四、测试结论

OFDR分布式光纤应变监测技术可实现真三轴压裂过程全时域高精度应变观测，结合泵送曲线与应变、应变率瀑布云图，能精准识别裂缝起始位置、扩展速度及扩展阶段。

判断裂缝是否接触光纤需综合分析两类瀑布云图，接触时会出现条带状分布，应变幅值显著高于未接触状态。裂缝引起的光纤应变分为应变增强、收缩收敛和应变带形成三阶段，应变速率变化分为增强、带形成和泵停后反转三阶段；未接触时光纤呈“双峰应变”，接触后合并为单一峰值。当裂缝高度扩展方向与光纤布局一致时，OFDR技术可准确评估裂缝高度，误差仅4.4%，为水力压裂裂缝监测提供了高效手段。