基于光学频域反射技术（OFDR）的层状岩石水力裂缝扩展评估

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Assessment of hydraulic fracture propagation in layered rock using optical frequency domain reflectometry technology

　　

水力压裂仍是页岩气、致密砂岩等非常规油气藏高效开发的关键技术。这些储层通常富含层理面（BP）和天然裂缝，它们作为关键弱面直接控制水力裂缝的起裂、扩展路径和最终形态。然而，水力裂缝与层理面或天然裂缝之间的相互作用机制极为复杂，导致裂缝网络几何形态预测存在显著不确定性。传统监测方法如微地震监测和井下测斜仪存在分辨率不足或结果模糊等问题，而光纤布拉格光栅（FBG）传感器等点式传感器因空间分辨率有限，难以捕获裂缝尖端连续应变场分布及起裂细微信号。相比之下，光学频域反射技术（OFDR）凭借其高空间分辨率、实时分布式测量及抗电磁干扰能力，为压裂过程精细监测提供了新方案。

本研究旨在对 instrumented with sensing fibers 的层状岩体开展真三轴水力压裂实验，系统研究水力裂缝扩展与分布式应变响应之间的耦合关系，重点关注围岩层厚度和层理面强度的影响。研究人员以中国黑龙江省大庆市古龙油田压裂数据为原型，基于相似准则确定实验应力与施工参数：最小水平主应力（_min）18 MPa，最大水平主应力（_max）24 MPa，垂直主应力（_v）28 MPa。采用钢纤维增强混凝土外部包裹样品，制备了四种不同尺寸和胶结工艺的样品：样品1（薄包裹层、中强度水泥胶结，剪切滞后系数 _cement ≈ 40 m^?1）、样品2（厚包裹层、中强度水泥胶结）、样品3（薄包裹层、高强度环氧树脂胶结，_epoxy ≈ 52 m^?1）和样品4（厚包裹层、高强度环氧树脂胶结）。通过0.9 mm直径聚氨酯涂层单模光纤连接OSI-D解调仪（空间分辨率1–100 mm，应变测量精度 ±1 με，测点间距0.64 mm，采样频率约37.04 Hz），实现分布式应变实时监测。压裂液为瓜尔胶基液（黏度100 mPa·s），以30 mL/min恒定流量注入，并添加红色荧光示踪剂。

实验结果表明，厚包裹层促进高拉伸应变区及相关压缩区的形成，而薄包裹层诱生宽缓的低应变带。进一步建立了基于应变跃升和应变速率反转的双准则裂缝识别指标系统，通过定义稳定应变跃升检测函数 F_jump 和应变速率反转检测函数 F_reversal，采用布尔逻辑运算构建裂缝检测指标 F_frac = F_jump ∧ F_reversal，实现了层理裂缝的定量识别，对所有样品达到100%识别准确率。

数据分析揭示，高强度层理面触发多次微裂缝和锯齿状泵压波动，而厚包裹层有利于复杂裂缝网络的形成。层理面强度与裂缝开度（COD）呈负相关：中强度层理面样品最大COD达35.6 μm，高强度层理面条件下降至22.4 μm。研究提出的COD反演模型有效考虑了相邻裂缝的应变扰动效应，验证表明反演精度与COD大小呈正相关——较大COD的平均误差率分别为4.2%和3.0%，较小COD则增至8.9%和8.7%。

该研究为层状储层水力压裂监测与评估提供了坚实的实验基础和理论框架，其创新方法包括：真三轴条件下的OFDR精细监测体系、双准则定量裂缝识别模型、以及考虑多裂缝应变场叠加的COD反演算法。研究成果发表在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。

研究背景方面，非常规油气资源开发对水力压裂技术的精确监测提出了迫切需求。现有监测手段在分辨率、空间连续性和实时性方面存在明显局限：微地震监测空间分辨率不足，井下测斜仪结果模糊，FBG传感器作为点式传感器难以捕获裂缝尖端连续应变场及起裂细微信号。OFDR技术虽展现出高空间分辨率和分布式测量优势，但其在多层、真三轴水力压裂监测中的应用研究仍较匮乏，尤其缺乏通过应变测量直接监测和量化层理面穿越行为的方法。现有COD反演方法在多裂缝产生重叠应变场时面临挑战，传统基于峰值应变与裂缝宽度关系的方法在此条件下预测误差显著。

研究人员在中国科学院武汉岩土力学研究所地质力学与岩土工程安全国家重点实验室开展了真三轴水力压裂物理模拟实验。关键技术方法包括：（1）基于OFDR的分布式光纤传感技术，采用0.9 mm聚氨酯涂层单模光纤，通过OSI-D解调仪实现1–100 mm空间分辨率、±1 με精度的应变测量；（2）钢纤维增强混凝土外部包裹的样品制备技术，构建310 mm立方体样品，通过调整水泥胶结（中强度）和环氧树脂胶结（高强度）模拟不同层理面强度，并设置两种包裹层厚度（薄：50/40 mm；厚：50/40 mm）；（3）基于剪切滞后理论的COD反演模型，考虑多裂缝条件下应变场叠加效应，引入各裂缝对应的剪切滞后系数 _i、半裂缝开度 _i 及基底压缩应变 _c 修正理论公式，采用极值判别法定位裂缝中心并通过非线性拟合计算COD；（4）双准则裂缝识别模型，定量定义应变跃升阈值 F_jump 和应变速率反转检测函数 F_reversal，经空白实验和相似准则标定实现100%识别准确率。

"时空应变演化"部分：通过光纤应变瀑布云图分析，揭示厚包裹层增强应变局部化效应，形成狭窄高幅拉伸应变区及相邻压缩区（样品2、4）；薄包裹层则呈现宽缓低幅拉伸应变带，应变跃升衰减且压缩响应较弱（样品1、3）。中强度层理面样品在破裂层理面处出现明显应变跃升，泵停后拉伸应变逐渐衰减、压缩区消失；未破裂层理面仅显示宽拉伸应变区而无压缩响应。高强度层理面样品在应力扰动下应变信号更弱，未破裂层理面表现出宽低值拉伸应变带。

"裂缝检测"部分：提出基于应变跃升和应变速率反转的双准则裂缝识别模型。定义稳定应变跃升检测函数 F_jump 捕捉泵注阶段超过阈值的快速拉伸应变增加，定义应变速率反转检测函数 F<sub>reversal 捕捉停泵后应变率由正转负的特征行为。通过布尔逻辑运算构建裂缝检测指标 Ffrac = Fjump ∧ Freversal，经三个阈值（th、jump、rev）标定实现定量诊断。模型验证显示对所有样品的预测与实际宏观裂缝形态完全一致，识别准确率达100%，即使在应变跃升信号微弱时（如样品4的1st层理面）仍能通过应变速率反转信号可靠识别。

"裂缝形态数据分析"部分：结合应变曲线与注入压力数据，将裂缝扩展过程划分为起裂、扩展和闭合三阶段。对比分析表明，中强度层理面样品（样品1、2）峰值压力分别为18.52 MPa和21.07 MPa，压后出现急剧压力降并恢复至约19 MPa稳定，表明流体主要沿垂直于min方向扩展；高强度层理面样品（样品3、4）峰值压力分别为31.85 MPa和29.16 MPa，压后呈现明显锯齿状振荡，反映裂缝在层理面处多次激活、反复微破裂的行为。厚包裹层样品（样品2、4）发育包含垂直裂缝和层理平行裂缝的复杂裂缝系统，样品2甚至出现两条水力裂缝交叉层理面的网状裂缝形态；薄包裹层样品（样品1、3）仅形成" T"形局部化裂缝，主裂缝被层理面捕获后沿水平面简单剪切破裂。

"裂缝点定量分析"部分：基于公式(14)计算裂缝检测指标，通过极值判别法（某点值超过200个邻点）识别潜在裂缝中心，采用公式(6)拟合并剔除拟合误差大于50%的无效点。样品2的1st层理面识别9个裂缝点，最大COD为35.6 μm（max点），拟合最大应变误差率14.0%、平均4.2%；样品4的2nd层理面最大COD为22.4 μm（max = 1027 με），平均误差率3.0%。较小COD（样品1的10.2 μm、样品4的4.7 μm）对应较高误差率（最大44.1%和32.8%，平均8.9%和8.7%），归因于小开度时光纤与围岩机械耦合较强、受压缩变形影响偏离理想指数应变分布。统计表明层理面强度与COD负相关：中强度层理面样品平均COD分别为22.31 μm和6.10 μm，高强度层理面样品降至13.36 μm和3.37 μm。

讨论部分首先分析了COD反演算法与裂缝识别模型的优势与局限：双准则模型有效区分真实裂缝信号与非破裂行为噪声，较主观解释方法显著降低假阳性，实现100%识别准确率；新COD反演模型综合考虑相邻裂缝应变扰动效应，但小开度条件下需改进界面力学表征和 cement 变异性描述。其次探讨了包裹层厚度和层理面强度的影响机制：厚包裹层增强应变局部化，薄包裹层诱发宽低应变带，这与层状材料应变集中效应机制一致；高强度层理面在应力扰动下变形抗力更大、应变信号更弱，与现场分布式声学应变率特征观测互补。最后指出工程应用需克服尺度效应和光纤安装技术挑战。

研究结论如下：

（1）揭示了包裹层厚度和层理面强度对应变分布模式的耦合控制机制。较厚包裹层倾向于诱导应变局部化，而较薄包裹层促进形成更宽的低应变带。此外，在应力扰动下，高强度层理面的应变信号响应弱于中强度层理面。

（2）提出了基于应变跃升和应变速率反转的双准则裂缝识别模型以实现定量裂缝诊断。该模型在所有测试样品中达到100%识别准确率，显著优于依赖主观解释的传统方法。

（3）阐明了层理面强度和包裹层厚度对裂缝形态及泵压响应的控制规律。高强度层理面易产生多次微破裂和锯齿状泵压波动，而较厚包裹层有利于复杂裂缝网络的形成。实验数据进一步证实了层理面强度与COD的负相关关系：中强度层理面样品最大COD为35.6 μm，高强度层理面则降至22.4 μm。

（4）发展了考虑相邻裂缝应变扰动效应的新型COD反演模型。基于分布式应变数据验证，反演精度与COD量级正相关。对于较大COD，最大应变误差率为14.0%和15.5%，平均误差率仅4.2%和3.0%；对于较小COD，最大应变误差率分别升至44.1%和32.8%，对应平均误差率8.9%和8.7%。</sub>