A Numerical Model for Analyzing Mechanical Slippage Effect on Cross-Well Distributed Fiber Optic Strain Measurements During Fracturing

Xueling Song;Ge Jin;Kan Wu;Xincheng Wan

摘要

分布式光纖應(yīng)變測(cè)試已經(jīng)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)和診斷水力壓裂期間誘發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)變。然而，現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果顯示，經(jīng)常發(fā)生光纖和巖石之間的機(jī)械解耦。盡管存在這種現(xiàn)象，但是當(dāng)前許多研究假定光纜與巖層保持機(jī)械接觸。為了提高現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)解釋的準(zhǔn)確性和可靠性，有必要更好認(rèn)識(shí)光纖解耦對(duì)應(yīng)變響應(yīng)的影響。本研究的目的是模擬應(yīng)變響應(yīng)，同時(shí)考慮光纖滑脫的影響。

在該研究中，我們開發(fā)了數(shù)值模型，能夠精確預(yù)測(cè)和分析出現(xiàn)機(jī)械解耦的井間分布式光纖的應(yīng)變響應(yīng)。該模型首先使用三維位移不連續(xù)性方法（DDM）計(jì)算水力裂縫引起的位移場(chǎng)。然后，考慮滑脫的發(fā)生，計(jì)算具有滑脫效應(yīng)的光纖位移分布。另外，該模型可以預(yù)測(cè)存在粘滑行為時(shí)的光纖應(yīng)變分布。開展敏感性分析，以更好認(rèn)識(shí)光纖摩擦對(duì)應(yīng)變和應(yīng)變速率信號(hào)的影響。這能讓我們研究不同光纖摩擦水平對(duì)信號(hào)的影響，這對(duì)于獲得更準(zhǔn)確和可靠結(jié)果可能起關(guān)鍵作用。

我們的模型結(jié)果揭示了幾個(gè)關(guān)鍵觀察結(jié)果。首先，當(dāng)檢測(cè)到光纖滑移時(shí)，通常在應(yīng)變/應(yīng)變速率瀑布圖上觀察到裂縫附近的擴(kuò)展區(qū)變寬，這不能提供明確限定的裂縫區(qū)域范圍。模擬的應(yīng)變速率模式與現(xiàn)場(chǎng)觀察匹配。另外，解耦區(qū)的范圍大小隨著光纖與地層之間的摩擦減小而增大。此外，在一定閉合時(shí)間之后，解耦產(chǎn)生負(fù)累積應(yīng)變變化。此外，當(dāng)動(dòng)摩擦小于靜摩擦?xí)r，在應(yīng)變/應(yīng)變速度瀑布圖中可以看到表現(xiàn)為粘結(jié)部分的突然應(yīng)變釋放，表明光纖發(fā)生粘滑行為。我們還觀察到，當(dāng)最大光纖應(yīng)變梯度較小時(shí)，應(yīng)變速度瀑布圖中的突然應(yīng)變釋放發(fā)生更頻繁。此外，當(dāng)動(dòng)/靜摩擦比較小時(shí)，觀察粘附部分變長(zhǎng)。

本研究的關(guān)鍵創(chuàng)新是建立正演數(shù)值模型，考慮光纖和地層之間的耦合效應(yīng)模擬應(yīng)變響應(yīng)。據(jù)我們所知，這種模型首次提出。總之，本項(xiàng)研究使應(yīng)變信號(hào)的解釋更準(zhǔn)確和可靠，為水力壓裂監(jiān)測(cè)領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)，最終可以提高水力壓裂作業(yè)的安全性和有效性。