水力壓裂分布式光纖傳感

聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

隋微波1,2  溫長(zhǎng)云3  孫文常4  李俊衛(wèi)1  郭 歡1  楊艷明1 宋佳憶1

1. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

2. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院

3. 北京知覺科技有限公司

4. 中石化江漢石油工程有限公司

頁(yè)巖氣開采技術(shù)服務(wù)公司

近年來，隨著油氣地質(zhì)理論的突破創(chuàng)新和工程技術(shù)的進(jìn)步，中國(guó)陸相頁(yè)巖油氣、致密油氣勘探開發(fā)都取得了重大突破。從美國(guó)、中國(guó)的非常規(guī)油氣開發(fā)經(jīng)驗(yàn)來看，儲(chǔ)層改造技術(shù)都是獲得成功的核心利器，我國(guó)目前已形成以“長(zhǎng)井段水平井完井”為基礎(chǔ)的多簇射孔、滑溜水?dāng)y砂、分段壓裂的主體改造技術(shù)，依托地質(zhì)工程一體化儲(chǔ)集層改造模式，采用低成本材料技術(shù)和大平臺(tái)立體開發(fā)方式，在頁(yè)巖油氣開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用^[1]。

然而，在對(duì)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造的過程中，由于非常規(guī)儲(chǔ)層地層應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變、巖石力學(xué)性質(zhì)各向異性和非均質(zhì)性強(qiáng)、天然裂縫發(fā)育狀況不明確、人工裂縫之間存在嚴(yán)重相互干擾[2-5]，因此實(shí)際形成的水力裂縫與設(shè)計(jì)方案相比，其分布位置、裂縫長(zhǎng)度、裂縫形狀、支撐劑填充情況往往有巨大差異[6]；水平井多級(jí)多簇壓裂形成的人工裂縫均勻性較差，往往只有1/3～1/2的射孔簇能得到有效改造[7]，在立體開發(fā)改造中發(fā)生的壓裂沖擊現(xiàn)象難以預(yù)測(cè)，對(duì)鄰井產(chǎn)能造成較大影響且很難恢復(fù)[8]；傳統(tǒng)的水力壓裂機(jī)理模型與預(yù)測(cè)方法不適用于非常規(guī)儲(chǔ)層^[9]，如何提高水力壓裂效果評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性成為解決非常規(guī)資源開發(fā)瓶頸問題的關(guān)鍵技術(shù)。

水力壓裂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以確保水力壓裂效果評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。目前應(yīng)用于水力壓裂監(jiān)測(cè)的主要技術(shù)包括壓裂過程的壓力曲線分析等間接診斷方法，示蹤劑、測(cè)斜儀、井下成像等近井直接診斷方法，井下微地震等遠(yuǎn)井直接診斷方法三大類型。從國(guó)際技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)已成為水力壓裂監(jiān)測(cè)的新技術(shù)，在美國(guó)頁(yè)巖氣開發(fā)中展現(xiàn)出重要作用。2022年Jacobs^[10]將該技術(shù)作為壓裂改造效果評(píng)價(jià)、人工裂縫形態(tài)和幾何參數(shù)獲取以及暫堵轉(zhuǎn)向壓裂效果評(píng)價(jià)的首選方法^[11]。

目前應(yīng)用于水力壓裂監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感器主要有分布式溫度傳感（Distributed Temperature Sensing，DTS）、分布式聲波傳感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）和基于瑞利頻移的分布式應(yīng)變傳感（Distributed Strain Sensing via Rayleigh Frequency Shift，DSS-RFS）3種類型，分別于2006年、2014年和2021年首次投入水力壓裂監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其監(jiān)測(cè)的物理量從最初的溫度發(fā)展為聲波（振動(dòng)）和應(yīng)變信號(hào)，能更直接地反映水力壓裂過程中的裂縫擴(kuò)展、裂縫沖擊等現(xiàn)象，并能對(duì)壓后生產(chǎn)過程中開關(guān)井時(shí)射孔孔眼處的瞬態(tài)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以評(píng)估裂縫開啟（閉合）程度，與壓裂過程的裂縫監(jiān)測(cè)相互印證。

我國(guó)近年來在分布式光纖水力壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)方面也取得了一系列重要的進(jìn)步。2020年中國(guó)石油新疆油田分公司在石炭系火山巖油藏使用從德國(guó)APS公司、英國(guó)ESM公司進(jìn)口的DTS和DAS信號(hào)采集器，實(shí)時(shí)記錄壓裂施工時(shí)光纖沿線聲波和溫度的變化數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)了解壓裂過程中各簇的進(jìn)液情況^[12]；2021年9月中國(guó)石化江漢油田涪陵頁(yè)巖氣公司順利完成了焦頁(yè)11-Z1HF井壓裂期間井中微地震監(jiān)測(cè)和分布式光纖壓裂監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)施工，這是涪陵頁(yè)巖氣田首次開展微地震與分布式光纖聯(lián)合監(jiān)測(cè)^[13]。與此同時(shí)，中國(guó)石油大學(xué)（北京）、中國(guó)石油大學(xué)（華東）、西南石油大學(xué)等多家高校和研究機(jī)構(gòu)也針對(duì)水力壓裂光纖監(jiān)測(cè)開展理論研究，建立了相應(yīng)的理論解釋模型^[14-16]。

總體來看，分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)未來的非常規(guī)油氣資源開發(fā)中將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。該技術(shù)應(yīng)用進(jìn)入業(yè)界時(shí)間較短，但涉及的分布式光纖傳感技術(shù)種類較多、機(jī)理各異且發(fā)展迅速，不同類型傳感技術(shù)的物理機(jī)理、技術(shù)特性尚未被業(yè)界充分了解，相關(guān)的理論解釋模型也有待完善；其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和后期解釋、理論研究均涉及多學(xué)科交叉范疇，同時(shí)還涉及大量數(shù)據(jù)處理方法和技術(shù)。本文將針對(duì)DTS、DAS和DSS-RFS 3種技術(shù)在水力壓裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，從不同傳感技術(shù)的物理機(jī)理和目前現(xiàn)場(chǎng)主流安裝方式出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)各類傳感技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的典型案例和技術(shù)特點(diǎn)，以及對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)解釋理論模型的研究現(xiàn)狀，最終結(jié)合美國(guó)水力壓裂監(jiān)測(cè)礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的新實(shí)例，總結(jié)水力壓裂分布式光纖聯(lián)合監(jiān)測(cè)的技術(shù)思路，為分布式光纖傳感技術(shù)在我國(guó)非常規(guī)資源開發(fā)中的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱光纖，是一種具有圓形截面的纖維型材料，主要利用光的全反射傳導(dǎo)光波。自20世紀(jì)20年代發(fā)明光纖以來^[17]，超低損耗光纖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和半導(dǎo)體激光器技術(shù)的出現(xiàn)，使得光纖從20世紀(jì)70年代開始廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，奠定了現(xiàn)代信息社會(huì)的基石。隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)光纖本身可以作為傳感材料, 光纖周圍的溫度、流動(dòng)、壓力和應(yīng)變等物理場(chǎng)變化均會(huì)對(duì)光纖內(nèi)部傳輸?shù)墓獠ㄎ锢韰?shù)產(chǎn)生影響，使光波的頻率、偏振、相位、振幅以及由振幅平方得到的光強(qiáng)等參數(shù)發(fā)生改變, 如果將接收的激光信號(hào)參量變化解調(diào)成電信號(hào), 則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理場(chǎng)的測(cè)量, 這就是光纖傳感器的基本工作原理^[18]。

光纖的折射率受介質(zhì)密度和摻雜粒子的影響呈不均勻分布, 激光光源發(fā)出的光在光纖中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生背向散射現(xiàn)象[19]?；谶@一現(xiàn)象人們發(fā)明了光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR），用于測(cè)量因散射、吸收等原因產(chǎn)生的光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，這一技術(shù)后來也發(fā)展出了多種分布式光纖傳感器。分布式光纖傳感技術(shù)在解調(diào)光信號(hào)時(shí)所利用的后向散射波段包括3 種：拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射。

拉曼散射是DTS 進(jìn)行溫度傳感測(cè)量的物理機(jī)理。從20 世紀(jì)90 時(shí)代初開始，DTS 開始逐漸應(yīng)用于油氣生產(chǎn)領(lǐng)域，早期主要應(yīng)用于海上平臺(tái)井和陸地高產(chǎn)井的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)，以及稠油油田熱采開發(fā)時(shí)蒸汽突破前緣監(jiān)測(cè)等方面[20]。2010 年以來，頁(yè)巖氣資源的開發(fā)首先在美國(guó)獲得成功并推動(dòng)了世界各國(guó)頁(yè)巖儲(chǔ)層、致密砂巖儲(chǔ)層等非常規(guī)油氣資源開發(fā)的熱潮，作為其開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的水平井多級(jí)壓裂技術(shù)獲得了高度關(guān)注，DTS 作為第一種出現(xiàn)的分布式光纖傳感器首先應(yīng)用于水平井多級(jí)壓裂增產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)^[21]。

瑞利散射與拉曼散射不同，屬于彈性散射?；谌鹄⑸溲毓饫w方向強(qiáng)度線性衰落的原理，不僅可以檢測(cè)光纖中的損耗點(diǎn)，外部環(huán)境如溫度壓力的變化也可對(duì)光纖的衰減特性產(chǎn)生影響，引起瑞利散射強(qiáng)度變化[22]。2000 年美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室[23]提出了根據(jù)瑞利散射信號(hào)相位差計(jì)算光纖動(dòng)態(tài)應(yīng)變的方法, 這一研究也標(biāo)志著基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)能夠?qū)β暡ê推渌駝?dòng)波引起的應(yīng)變進(jìn)行實(shí)際測(cè)量, 這一技術(shù)被稱為分布式振動(dòng)傳感（Distributed Vibration Sensing，DVS），由于在國(guó)內(nèi)外石油行業(yè)中一般將其稱為分布式聲波傳感，因此本文也采用這一名稱。當(dāng)光纖受到聲波壓力（P）的作用時(shí)，光波相位發(fā)生變化（ΔΦ），從而實(shí)現(xiàn)從聲波信號(hào)到光波相位變化信號(hào)的調(diào)制[22]，即

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式中L 表示擾動(dòng)位置處的光纖長(zhǎng)度，m ；P 表示聲波壓力，Pa ；λ 表示光的波長(zhǎng)，m ；E 表示光纖楊氏模量，Pa ；μ 表示光纖泊松比；n_f表示光纖折射率；p₁₁和p₁₂表示光纖彈光系數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中可以通過空間差分干涉等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波信號(hào)的調(diào)制，經(jīng)探測(cè)器接收的瑞利散射光可通過相位解調(diào)技術(shù)解調(diào)出相位差變化，實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)的還原。

應(yīng)用于石油行業(yè)的DAS 傳感系統(tǒng)正在從單純的“強(qiáng)度型”向“相位型”過渡，“強(qiáng)度型”DAS 系統(tǒng)僅提供聲波或振動(dòng)信號(hào)幅值計(jì)算的強(qiáng)度信息。DAS 系統(tǒng)最初應(yīng)用于水力壓裂施工過程監(jiān)測(cè)時(shí)，主要通過對(duì)井筒中聲波信號(hào)的強(qiáng)度監(jiān)測(cè)來判斷各壓裂級(jí)（簇） 進(jìn)液情況^[24]。目前基于相干光時(shí)域反射技術(shù)的“相位型”DAS 傳感器，不僅能夠獲得聲波或振動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度信息，還能通過上文所述的相位調(diào)調(diào)技術(shù)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)應(yīng)變，以滿足水力壓裂、套管變形等方面的監(jiān)測(cè)技術(shù)需求^[25]。動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)[18]一般是指對(duì)時(shí)間尺度約1 s 以內(nèi)發(fā)生的快速應(yīng)變進(jìn)行探測(cè)，實(shí)質(zhì)上獲取的是應(yīng)變率即應(yīng)變相對(duì)時(shí)間的變化率，儀器關(guān)閉后保持光纖不受干擾，再開啟后測(cè)量的應(yīng)變絕對(duì)值與之前的測(cè)量值也不具有相關(guān)性和可比性。用于水力壓裂中鄰井超低頻應(yīng)變監(jiān)測(cè)的DAS 傳感器就屬于動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)^[26]。

布里淵散射與拉曼散射都屬于非彈性光散射， 但是前者是由光子和聲頻聲子的相互作用產(chǎn)生的， 因此前者的頻移（GHz 級(jí)別）要遠(yuǎn)小于后者的頻移（THz 級(jí)別）^[19]。布里淵散射對(duì)于溫度和應(yīng)變都具有敏感性，布里淵傳感器通過探測(cè)后向散射光的布里淵頻移信息對(duì)溫度和應(yīng)變進(jìn)行求解。2009 年Kishida 等^[27]提出利用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器的相干光時(shí)域反射技術(shù)（Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry，TW-COTDR）探測(cè)的瑞利頻移與脈沖預(yù)泵浦—布里淵時(shí)域分析技術(shù)（Pulse- Prepump-Brilliouin Optical Time Domain Analyzer， PPP-BOTDA）探測(cè)的布里淵頻移信息相結(jié)合，首次在高精度和高分辨條件下實(shí)現(xiàn)了溫度、應(yīng)變測(cè)量的分離，應(yīng)變與溫度關(guān)聯(lián)的原則關(guān)系如下式：

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式中Δε 表示應(yīng)變變化量，με；ΔT 表示溫度變化量，℃；ΔvBΔvR分別表示測(cè)得的布里淵頻移量和瑞利頻移量，Hz；d11，d12，d21，d22分別表示相應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)， 在Kishida 等[28]發(fā)表的研究結(jié)果中由室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)定得出， 其中d11和d21單位為Hz/με，d12和d₂₂單位為Hz/℃。以上即是目前新應(yīng)用于水力壓裂監(jiān)測(cè)的DSS-RFS 的基本工作原理^[28-29]。

一般來說，拉制的裸光纖需要包層并加以涂覆材料制成光纜以增大其強(qiáng)度，滿足應(yīng)用要求。當(dāng)光纖傳感器應(yīng)用在油氣井中時(shí)，需要適應(yīng)高溫、高壓、腐蝕性等嚴(yán)酷的環(huán)境和克服井下復(fù)雜工具和完井條件的影響。光纖傳感器可以制成光電復(fù)合纜下入井中，或通過井中液控（注入）管線下入井中。圖1中展示了井下常用的光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)，該復(fù)合纜中同時(shí)包含了光纖和電纜，可以同時(shí)用于光纖傳感監(jiān)測(cè)和傳統(tǒng)的電子壓力/溫度計(jì)監(jiān)測(cè)。在光纖外層包裹纖維金屬管，與包裹絕緣層的絞合電纜、填充管一起置入兩層聚合物護(hù)套、金屬鎧裝層和外部的聚合物封裝層^[30]，外徑約6.35 mm。

對(duì)于以上兩種光纖下井方式，均有套管外部安裝、油管外部安裝、油管內(nèi)部安裝和隨連續(xù)油管臨時(shí)下井等4種安裝方式。一般來說，隨連續(xù)油管臨時(shí)下井方式可用于短時(shí)監(jiān)測(cè)，施工難度較低；油管內(nèi)部安裝一般通過光纖鋼絲或光纖電纜實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行油氣井長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，更換相對(duì)容易，由于光纖置于井筒流體中，該方式對(duì)于井筒多相流流型和流體分布變化具有較好的監(jiān)測(cè)效果，但是相對(duì)信噪比較低；油管外部安裝可通過專用護(hù)卡在油管接頭處將光纖固定在油管外部，安裝技術(shù)成熟，適合長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，光纖可以更換，可以觀察油管內(nèi)或油套環(huán)空中流體的溫度、流動(dòng)情況，新研制成功的濕式插拔光纖連接器能夠更有效便捷地實(shí)現(xiàn)附帶光纖的多段油管的依次下井安裝，進(jìn)一步降低作業(yè)難度^[31]；套管外部安裝是在完井過程中，將光纖在套管外側(cè)固定后隨套管管柱下井，再進(jìn)行水泥固井和后續(xù)射孔作業(yè)^[32]，該方式安裝難度較大，光纜安裝時(shí)容易與裸眼井壁接觸，發(fā)生機(jī)械破壞，同時(shí)還需要解決套外避光纖射孔等問題。套外安裝的光纖位于地層與井筒的交界面，可直接探測(cè)地層近井流體的溫度、水力裂縫起裂擴(kuò)展引起的地層應(yīng)變、流體注入地層聲強(qiáng)分布以及套管變形等重要過程，探測(cè)獲得的數(shù)據(jù)信噪比高，因此在近年來成為業(yè)界普遍關(guān)注的重點(diǎn)應(yīng)用方向^[33]。

DTS是先在油氣行業(yè)廣泛應(yīng)用的分布式光纖傳感器，1993年在殼牌（挪威）石油公司的 Brunei 油田海上生產(chǎn)平臺(tái)首次應(yīng)用，此后，逐漸應(yīng)用于氣舉、井筒流動(dòng)剖面、氣水錐進(jìn)、稠油熱采等方面監(jiān)測(cè)和瞬態(tài)溫度試井等理論技術(shù)^[21]。

DTS可監(jiān)測(cè)水力壓裂泵注、停泵、返排等過程以評(píng)價(jià)壓裂液在井筒中的注入剖面，以及各壓裂級(jí)、射孔簇的進(jìn)液量。2006年哈里伯頓公司^[34]在印度尼西亞蘇門答臘油田中的1口深為230 m的直井中首次應(yīng)用DTS監(jiān)測(cè)小型壓裂施工。除此以外，DTS還用于監(jiān)測(cè)壓后生產(chǎn)，通過生產(chǎn)測(cè)試或生產(chǎn)過程中的溫度變化來進(jìn)行生產(chǎn)剖面反演，評(píng)價(jià)各壓裂級(jí)、射孔簇的改造效果和生產(chǎn)情況。近年來，研究人員已針對(duì)DTS監(jiān)測(cè)水力壓裂的各個(gè)過程建立了較為完善的理論模型以實(shí)現(xiàn)DTS水力壓裂監(jiān)測(cè)的定量解釋和分析。

2.1 DTS水力壓裂施工過程監(jiān)測(cè)與理論模型

DTS水力壓裂施工過程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例較多，一般由光纖公司和井下作業(yè)公司聯(lián)合作業(yè)。在水力壓裂現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，通過DTS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)生成的瀑布圖即可對(duì)壓裂過程進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。

從DTS監(jiān)測(cè)水力壓裂施工過程的基本原理來看，其一是泵注過程中較冷的壓裂液從地面進(jìn)入井筒和地層，引起井筒溫度從原始地層溫度逐漸下降的冷卻現(xiàn)象（Cool-down）；其二是停泵過程中地層與注入的壓裂液之間由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)引起的回暖現(xiàn)象（Warmback），不同壓裂級(jí)和射孔簇由于前期注入流體量不同，因此回暖速度不同，前期進(jìn)液越多的位置回暖越慢。

圖2為DTS監(jiān)測(cè)一水平井多級(jí)壓裂過程的典型溫度數(shù)據(jù)瀑布圖[35]，該井采用限流射孔，DTS套外安裝，當(dāng)壓裂某級(jí)時(shí)，由于壓裂液進(jìn)入井筒產(chǎn)生“冷卻”效應(yīng)，井筒溫度顯著降低，但是該級(jí)之前壓裂的各級(jí)由于封隔器阻止了壓裂液的流入，只存在地層與井筒之間的熱傳導(dǎo)作用，因此出現(xiàn)“回暖”效應(yīng)，可由井筒不同深度的不同回暖速度來判斷各射孔簇的進(jìn)液量。隨著壓裂作業(yè)從水平井趾端向跟端逐級(jí)推進(jìn)，DTS溫度數(shù)據(jù)瀑布圖顯示出明顯的“階梯”形狀，這也是DTS監(jiān)測(cè)水平井多級(jí)壓裂得到的典型特征。此外，圖2所示DTS瀑布圖中紅色圓圈處可以看出，在對(duì)第三級(jí)進(jìn)行壓裂時(shí)，部分注入的壓裂液漏失到了第二級(jí)，導(dǎo)致第二級(jí)又出現(xiàn)了“冷卻” 效應(yīng)，由此可以發(fā)現(xiàn)壓裂時(shí)由于封隔器失效、球座漏失等原因?qū)е碌膲毫岩焊Z流?；谙嗤?，DTS 溫度瀑布圖還可用于評(píng)價(jià)暫堵轉(zhuǎn)向效果。

基于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于水力壓裂作業(yè)過程進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)、解釋分析的迫切需求，從20 世紀(jì) 90 年代至今，已發(fā)展了與溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)相匹配的壓裂溫度變化理論模型，如1993 年Kamphuis 等^[36]建立了直井壓裂和關(guān)井過程中人工裂縫內(nèi)部流體溫度分布隨時(shí)間變化的數(shù)值模型。2010 年，Seth 等^[37]提出了直井壓裂和關(guān)井階段的溫度數(shù)值模型來模擬井筒內(nèi)DTS 監(jiān)測(cè)位置的溫度分布和變化狀況，其中裂縫擴(kuò)展基于簡(jiǎn)單的壓裂液體積守恒方法計(jì)算得到。Tabatabaei 等^[38]從前期酸化增產(chǎn)溫度模型出發(fā)，將水平井多級(jí)壓裂過程等效為流體從井筒向多壓裂級(jí)的徑向流動(dòng)和傳熱過程，研究了裂縫形態(tài)、關(guān)井時(shí)間對(duì)溫度變化的影響。Li 等^[39]和Yoshida 等^[40]建立了水平井多級(jí)壓裂施工過程的DTS 溫度模擬2D 半解析模型和3D 數(shù)值模型。二者建立的模型均為單井多裂縫瞬態(tài)模型，通過對(duì)井筒、裂縫、儲(chǔ)層三部分的流動(dòng)和傳熱模型耦合求解， 模擬水平井多級(jí)壓裂時(shí)的泵注冷卻和停泵回暖過程， 還可模擬不同裂縫縫長(zhǎng)、DTS 傳感器不同安裝位置的影響。前者建立的模型根據(jù)裂縫對(duì)稱性提取1/4 的裂縫/ 儲(chǔ)層部分對(duì)其2D 平面區(qū)域進(jìn)行求解，將裂縫內(nèi)壓裂液流動(dòng)和儲(chǔ)層內(nèi)壓裂液濾失處理為一維線性流；后者建立的模型將裂縫處理為高滲條帶，能準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)溫度“階梯”狀變化特征。此外， 還分析了泵注速度、濾失系數(shù)、儲(chǔ)層熱傳導(dǎo)系數(shù)等敏感性因素對(duì)溫度變化的影響。特別值得指出的是， DTS 傳感器的安裝位置對(duì)溫度監(jiān)測(cè)分析結(jié)果具有一定影響。當(dāng)DTS 采用連續(xù)油管下入方式，由于直接接觸壓裂液，泵注初期井筒內(nèi)光纖測(cè)得的溫度迅速下降至壓裂液溫度，泵注結(jié)束時(shí)測(cè)得的溫度也低于DTS 光纖在套外安裝的情況，但關(guān)井2 h 后二者逐漸趨同。

針對(duì)水平井多級(jí)壓裂施工階段DTS 監(jiān)測(cè)的反演模型目前相對(duì)較少，2012 年Hoang 等^[41]對(duì)直井壓裂時(shí)套外安裝的DTS 監(jiān)測(cè)情況提出了泵注過程的壓裂液分布反演模型，該模型將裂縫部分的濾失和傳熱過程采用近井區(qū)域“徑向模型”來進(jìn)行近似，以避免由于裂縫形態(tài)和幾何參數(shù)的不確定性造成模擬結(jié)果的錯(cuò)誤和過大的計(jì)算量。

2.2 DTS 壓后生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)與理論模型

DTS 還可以監(jiān)測(cè)壓后生產(chǎn)情況以評(píng)價(jià)水力壓裂效果。對(duì)于已結(jié)束返排開始生產(chǎn)的多級(jí)壓裂水平井， 可以采用永久式、半永久式或連續(xù)油管臨時(shí)下井方式安裝DTS 監(jiān)測(cè)生產(chǎn)測(cè)試或正常生產(chǎn)過程，根據(jù)監(jiān)測(cè)溫度結(jié)果反演沿水平井筒流動(dòng)剖面，評(píng)價(jià)各壓裂級(jí)（簇）生產(chǎn)情況和壓裂效果。DTS、DAS、DSS-RFS 等傳感器都可用于壓后生產(chǎn)監(jiān)測(cè)，可以分別使用或組合使用。

單獨(dú)使用DTS 進(jìn)行水平井壓后生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)的方法主要適用于頁(yè)巖氣和致密氣儲(chǔ)層^[16,42-43]，由于氣與油、水相比具有更明顯的焦耳—湯普森效應(yīng)，在同樣的生產(chǎn)壓降條件下入井氣體會(huì)產(chǎn)生明顯的溫度降落，在DTS 溫度監(jiān)測(cè)曲線上表現(xiàn)為射孔簇處的溫度曲線低點(diǎn)^[44]。

為了綜合考慮儲(chǔ)層性質(zhì)、人工裂縫幾何參數(shù)及導(dǎo)流能力、生產(chǎn)制度等諸多因素對(duì)DTS 溫度數(shù)據(jù)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了一系列水平井多級(jí)壓裂壓后生產(chǎn)過程的理論模型和相關(guān)的反演模型，用于模擬井筒—裂縫—儲(chǔ)層溫度場(chǎng)分布，反演壓后生產(chǎn)剖面。2015 年Cui 等[42]建立了井筒—裂縫—儲(chǔ)層壓后生產(chǎn)溫度監(jiān)測(cè)半解析理論模型，其中井筒流動(dòng)/ 傳熱模型和裂縫—儲(chǔ)層傳熱模型為數(shù)值模型，而裂縫—儲(chǔ)層流動(dòng)模型是基于Lee 等[45]提出的三線性解析模型。Yoshioka 等^[46]建立的水平井多級(jí)壓裂溫度監(jiān)測(cè)三維數(shù)值模型也可用于壓后生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)的溫度模擬。為了加快正模型運(yùn)算速度，同時(shí)考慮儲(chǔ)層非均質(zhì)性， 2016 年Cui 等^[47]將快速推進(jìn)算法（Fast Marching Method，F(xiàn)MM）應(yīng)用于DTS 壓后生產(chǎn)監(jiān)測(cè)模擬，該方法采用油藏?cái)?shù)值模擬的“飛行擴(kuò)散時(shí)間”概念將儲(chǔ)層流動(dòng)和傳熱模型轉(zhuǎn)化為一維形式，大大加快了正演模型的計(jì)算速度。2020 年Sui 等^[14]對(duì)現(xiàn)有壓后生產(chǎn)溫度模型考慮的完井形式進(jìn)行優(yōu)化，更準(zhǔn)確地模擬了裸眼封隔器完井條件下的水平井壓后生產(chǎn)溫度場(chǎng)分布情況。

在DTS壓后生產(chǎn)監(jiān)測(cè)模型的反演方法方面，可以應(yīng)用梯度法、隨機(jī)法等多種反演方法結(jié)合DTS監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)反演生產(chǎn)剖面。2014年Tarrahi等^[48]借助集成的Kalman濾波器來分析DTS數(shù)據(jù)，通過Kalman濾波器自動(dòng)匹配機(jī)制實(shí)現(xiàn)裂縫特征參數(shù)定量描述，對(duì)裂縫半長(zhǎng)和滲透率進(jìn)行了反演。2017年Zhang等^[49]基于FFM方法建立的正模型采用Levenberg-Marquart反演方法，獲得了美國(guó)Marcellus頁(yè)巖儲(chǔ)層一口氣井的壓后生產(chǎn)剖面。2021年Luo等^[43]采用模擬退火法對(duì)一口頁(yè)巖氣井DTS壓后生產(chǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲得了產(chǎn)氣剖面和裂縫半長(zhǎng)信息。

相較于DTS水力壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)，DAS技術(shù)在光纖傳感領(lǐng)域問世較晚，但是很快應(yīng)用于油氣勘探生產(chǎn)，成為非常規(guī)儲(chǔ)層水力壓裂監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)技術(shù)。2009年Shell公司^[50]在加拿大一口致密氣井中首次使用DAS技術(shù)監(jiān)測(cè)測(cè)井、射孔和壓裂過程；2014年Maersk公司[51]首次在北海油田的水力壓裂施工中應(yīng)用了DTS/DAS聯(lián)合監(jiān)測(cè)。在隨后幾年中，DAS技術(shù)迅速應(yīng)用于與水力壓裂相關(guān)的微地震、井筒作業(yè)、壓裂井注入/生產(chǎn)剖面、鄰井超低頻應(yīng)變等諸多方面的監(jiān)測(cè)，為評(píng)價(jià)水力壓裂提供了更直接多樣的信息，開啟了水力壓裂分布式光纖聯(lián)合監(jiān)測(cè)的新時(shí)期。

3.1 水力壓裂DAS本井監(jiān)測(cè)與理論模型

DAS用于水力壓裂本井監(jiān)測(cè)時(shí)，將壓裂或壓后生產(chǎn)過程中的聲波強(qiáng)度隨時(shí)間的變化繪制成瀑布圖^[24,52]，以分析不同壓裂級(jí)和射孔簇的活躍程度。一般認(rèn)為壓裂時(shí)聲信號(hào)較強(qiáng)的位置有較多的壓裂液進(jìn)入儲(chǔ)層，裂縫得到了有效開啟^[53]。2014年Sookprasong等^[54]根據(jù)DAS聲波強(qiáng)度數(shù)據(jù)計(jì)算出各個(gè)射孔簇中壓裂液和支撐劑的分布百分比，這一方法近年來不斷得到完善并大量投入使用^[55]。

2020年P(guān)akhotina等^[56]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M壓裂液通過射孔孔眼從井筒向裂縫的流動(dòng)過程，證實(shí)了聲壓級(jí)與流速之間存在關(guān)系式，即

式中q表示流速，SCF/Hr；L_SP表示聲壓級(jí)，dB；A和B表示與射孔孔眼相關(guān)的系數(shù)。然而，DAS在監(jiān)測(cè)井筒中流體流動(dòng)時(shí)情況更為復(fù)雜，Alfataierge等^[57]采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方式模擬管流并采用DAS進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，DAS的響應(yīng)可證明光纖所在的監(jiān)測(cè)位置是否存在流動(dòng)，但是流速與DAS信號(hào)響應(yīng)不存在必然的正相關(guān)性，作者推測(cè)這是由于湍流等流型影響所導(dǎo)致的。

通過DAS聲波能量瀑布圖也可對(duì)壓裂過程中多種情況進(jìn)行有效的分析，例如由于封隔器失效等原因造成的壓裂液級(jí)間漏失、暫堵劑的暫堵效果、裂縫的閉合和重新張開等^[58-60]。圖3為Marcellus頁(yè)巖儲(chǔ)層一口水平井Boggess 5H井進(jìn)行第11級(jí)壓裂時(shí)的DAS監(jiān)測(cè)聲波能量瀑布圖，在壓裂初期，4簇中有3簇成功開啟（第1、3、4簇），隨后其與第10級(jí)中間的橋塞處出現(xiàn)強(qiáng)烈的聲信號(hào)，與此同時(shí)，第11級(jí)中各簇DAS信號(hào)逐漸減弱，第10級(jí)中第3簇DAS信號(hào)增強(qiáng)，提示橋塞漏失，第11級(jí)的壓裂液流向第10級(jí)。吳寶成等^[12]對(duì)中石油新疆油田石炭系火山巖儲(chǔ)層某水平井壓裂過程中的套外DAS監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析，并評(píng)價(jià)了暫堵轉(zhuǎn)向作業(yè)效果。

DAS技術(shù)目前也已應(yīng)用于水平井壓后生產(chǎn)監(jiān)測(cè)，根據(jù)DAS信號(hào)強(qiáng)度反演生產(chǎn)剖面。Horst等^[62]展示了某氣井壓裂后一段時(shí)間的DAS瀑布圖（圖4），上部圖顯示了氣井產(chǎn)量隨時(shí)間的變化，中部為DAS噪聲幅值瀑布圖，下部圖為產(chǎn)氣剖面反演結(jié)果，其中綠色表示產(chǎn)量達(dá)到某一設(shè)定值，紅色表示產(chǎn)量低于該值。此外，DAS監(jiān)測(cè)還用于識(shí)別關(guān)井后的氣液界面^[63-64]、分析氣井排水采氣[65]和層間竄流[57]等情況。

DAS 原始采集的數(shù)據(jù)量較大，一般需要通過濾波、下采樣處理后轉(zhuǎn)換為不同頻段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不同頻段的信號(hào)代表不同類型的井筒內(nèi)事件。較低頻信號(hào)（＜ 50 Hz）對(duì)井筒內(nèi)流動(dòng)的流型變化較為敏感，可觀察到段塞流等流型；中間頻段信號(hào)（50 ～ 200 Hz） 一般用于分析生產(chǎn)后注入剖面，與井筒流體流速密切相關(guān)；較高頻信號(hào)（＞ 200 Hz）對(duì)井筒內(nèi)工具活動(dòng)等外界影響較為敏感，可用于監(jiān)測(cè)封隔器坐封^[35]、投球和下橋塞^[66]等過程。此外，需要說明的是， DAS 監(jiān)測(cè)井筒流動(dòng)過程的理論解釋模型與完井方式、光纖安裝方法、數(shù)據(jù)采集情況、井筒流體類型、多相流流型分布與變化等諸多因素密切相關(guān)，目前的解釋分析方法尚不完善和統(tǒng)一，多由各大石油公司或服務(wù)公司根據(jù)自發(fā)的礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試開發(fā)獲得的DAS 信號(hào)與流動(dòng)響應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行內(nèi)部解釋，因此有待建立更精確、更具普遍性的理論模型。

3.2 水力壓裂DAS 鄰井監(jiān)測(cè)與理論模型

水力壓裂DAS 低頻信號(hào)鄰井監(jiān)測(cè)技術(shù)（簡(jiǎn)稱LF-DAS）是近5 年發(fā)展的前沿監(jiān)測(cè)技術(shù)，該技術(shù)通過“相位型”DAS 傳感系統(tǒng)對(duì)鄰井開展的水力壓裂作業(yè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，提取低頻段（＜ 0.05 Hz） DAS 信號(hào)，獲得監(jiān)測(cè)井中各位置處應(yīng)變率隨時(shí)間的變化情況，對(duì)鄰井水力壓裂裂縫起裂、擴(kuò)展和壓竄至鄰井/ 穿層情況進(jìn)行解釋分析。

2017 年Jin 等^[67]首次對(duì)水力壓裂作業(yè)過程中測(cè)得的LF-DAS 應(yīng)變監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)水平井某一級(jí)進(jìn)行壓裂時(shí)可在鄰井監(jiān)測(cè)到LF-DAS 應(yīng)變信號(hào)，鄰井對(duì)應(yīng)施工井壓裂級(jí)位置處的光纖由于裂縫起裂擴(kuò)展引起局部拉伸作用表現(xiàn)為張應(yīng)變，相鄰層段和對(duì)應(yīng)光纖位置收到壓縮作用表現(xiàn)為壓應(yīng)變，本級(jí)壓裂作業(yè)停泵后原裂縫擴(kuò)張區(qū)逐漸閉合表現(xiàn)為壓應(yīng)變，而相鄰地層和光纖其他位置得到應(yīng)力釋放表現(xiàn)為張應(yīng)變。Ichikawa 等^[68]、Raterman 等^[69]和Ugueto 等^[70]開展的此類研究也證明了以上現(xiàn)象的存在。同時(shí)，Richter 等^[26]證明利用DAS光纖在鄰井進(jìn)行低頻應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)，套內(nèi)和套外安裝方式均可獲得相似的監(jiān)測(cè)結(jié)果，這一結(jié)論降低了DAS光纖安裝難度，有利于該方法的推廣使用。

針對(duì)油田現(xiàn)場(chǎng)在水力壓裂過程中的LF-DAS應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員采用有限元模擬等數(shù)值方法建立了鄰井壓裂裂縫擴(kuò)展過程應(yīng)變場(chǎng)的理論模型。2020年Liu等^[71-72]和Zhang等^[73]基于Wu等^[74]建立的裂縫擴(kuò)展模型，使用位移不連續(xù)法模擬裂縫擴(kuò)展過程中的地層應(yīng)變和應(yīng)變率場(chǎng)。二者都將理論模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，證明了裂縫擴(kuò)展尖端如果與監(jiān)測(cè)井光纖位置相交匯發(fā)生壓裂沖擊（Frac-hit）時(shí)，由于應(yīng)變率極性反轉(zhuǎn)造成了“心型區(qū)”的存在，并討論了影響“心型區(qū)”特征的關(guān)鍵因素，包括監(jiān)測(cè)位置與裂縫擴(kuò)展路徑之間的水平和垂直距離、裂縫形態(tài)等。圖5-a中為裂縫尖端與鄰井觀測(cè)光纖在同一高度發(fā)生壓裂沖擊時(shí)的模擬應(yīng)變率場(chǎng)分布，在30分鐘時(shí)裂縫A和C沖擊鄰井，出現(xiàn)“心型區(qū)”，45分鐘時(shí)裂縫B沖擊鄰井但是由于裂縫A、C應(yīng)力場(chǎng)干擾作用，“心型”不明顯，這一理論模擬結(jié)果與圖5-b中展示的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果非常吻合。圖5-c中裂縫尖端與鄰井觀測(cè)光纖具有35 m的垂向高度差，裂縫未沖擊鄰井，此時(shí)模擬應(yīng)變率場(chǎng)顯示為“V型區(qū)”，該模擬結(jié)果也在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中得到了驗(yàn)證（圖5-d）。此外，Gurjao等^[75-76]利用二維KGD裂縫擴(kuò)展模型和Sneddon裂縫擴(kuò)展應(yīng)力計(jì)算方法討論了具有天然裂縫條件下的DAS鄰井監(jiān)測(cè)應(yīng)變場(chǎng)特征。陳銘等^[15]基于平面三維多裂縫擴(kuò)展模型構(gòu)建了壓裂監(jiān)測(cè)井光纖應(yīng)變與應(yīng)變率的計(jì)算模型。

在LF-DAS的反演方法方面，2021年Liu等^[77-78]基于此前提出的應(yīng)變場(chǎng)正演模型，根據(jù)DAS實(shí)際觀測(cè)應(yīng)變場(chǎng)使用小二乘法對(duì)同一壓裂級(jí)單條、多條裂縫寬度進(jìn)行反演，并使用蒙特卡洛—馬可夫鏈方法模擬裂縫寬度隨機(jī)分布情況，對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行了不確定性分析。Liu等^[79]通過計(jì)算不同裂縫高度正模型應(yīng)變剖面，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高度接近真實(shí)值時(shí)絕對(duì)誤差減小，提出了通過計(jì)算應(yīng)變誤差方法估算裂縫高度。Chen等[80]利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)DAS鄰井監(jiān)測(cè)應(yīng)變信號(hào)特征開展理論模擬研究，針對(duì)單一裂縫擴(kuò)展情況提出了壓裂沖擊事件自動(dòng)分類和定位算法。

分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)在工程中應(yīng)用較為廣泛，包括建筑材料（鋼筋、木材）的健康狀況監(jiān)測(cè)、混凝土裂縫檢測(cè)以及橋梁、管道等大型建筑和風(fēng)力渦輪機(jī)性能的監(jiān)測(cè)等^[81-82]。目前應(yīng)用較為廣泛的BOTDA 測(cè)量范圍可達(dá)50 km，在22 km 的測(cè)量范圍內(nèi)其空間分辨率可達(dá)5 m，對(duì)應(yīng)變的測(cè)量精度可至20 με[83]。2009 年Kishida 等[28]提出基于DSS-RFS 將光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)的空間分辨率提高至0.2 m（8 km 長(zhǎng)光 纖），目前該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商用并應(yīng)用到油氣領(lǐng)域的水力壓裂監(jiān)測(cè)中，成為水力壓裂分布式光纖監(jiān)測(cè)的新技術(shù)。

2021 年Jin 等^[29]利用套外安裝的DSS-RFS 光纖對(duì)壓后生產(chǎn)8 個(gè)月的水平井進(jìn)行監(jiān)測(cè)，空間取樣點(diǎn)間距為20 cm，取樣時(shí)長(zhǎng)間距為150 s。關(guān)井后取第4 天24 h 內(nèi)的DSS-RFS 應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化降噪處理，最終獲得的應(yīng)變分布與射孔簇位置高度一致，說明關(guān)井后水力裂縫的“充能效應(yīng)”使得裂縫寬度增加，對(duì)應(yīng)位置的光纖發(fā)生張性應(yīng)變且應(yīng)變值為正值，其他非裂縫區(qū)域?qū)?yīng)位置的光纖受到擠壓產(chǎn)生的應(yīng)變值為負(fù)。通過對(duì)比關(guān)井期間井底壓力的變化與射孔簇位置處應(yīng)變的變化情況發(fā)現(xiàn)二者具有高度相似的變化相關(guān)性（圖6-a），但是在開井和關(guān)井期間中的變化比值存在明顯差異（圖6-b）。為了驗(yàn)證上述規(guī)律，Ugueto 等^[84]進(jìn)一步將生產(chǎn)期間的DSS-RFS 信號(hào)按照特定比值進(jìn)行反轉(zhuǎn)和放大并與關(guān)井期間的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較強(qiáng)的一致性，這一結(jié)論表明下一步有望在生產(chǎn)期間采集DSS-RFS 信號(hào)，從而大限度地減少關(guān)井對(duì)油井生產(chǎn)的影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)同一口壓后生產(chǎn)井相距7 個(gè)月進(jìn)行的DSS-RFS 光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果和相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩次監(jiān)測(cè)結(jié)果獲得的應(yīng)變位置和應(yīng)變量都具有較高的一致性，大部分射孔簇對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變量幾乎未發(fā)生變化，而少量射孔簇對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變量減小，提示裂縫（改造體積）隨生產(chǎn)的進(jìn)行其幾何特征發(fā)生了一定變化^[84]。基于DSS-RFS 光纖可以監(jiān)測(cè)隨時(shí)間變化的應(yīng)變，研究人員試圖通過理論研究揭示DSS-RFS 監(jiān)測(cè)裂縫應(yīng)變的機(jī)理。2021 年Liu 等^[85]建立了針對(duì)一口水平井單條壓裂裂縫的儲(chǔ)層多相流流固耦合模型，通過有限體積法和有限元方法聯(lián)合求解，瞬態(tài)模擬開關(guān)井過程引起的井筒壓力、儲(chǔ)層滲流場(chǎng)和裂縫內(nèi)部有效應(yīng)力的變化， 通過改變儲(chǔ)層改造體積（SRV）大小和滲透率、裂縫長(zhǎng)度、近井地區(qū)表皮系數(shù)等與近井地帶裂縫幾何形狀相關(guān)的因素，研究了這些因素與DSS-RFS 光纖所測(cè)得的射孔孔眼處即裂縫起裂處的相對(duì)應(yīng)變變化的關(guān)系。

如何利用多類型分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行更科學(xué)有效的水力壓裂聯(lián)合監(jiān)測(cè)將成為該研究領(lǐng)域要解決的重要問題，這一問題也需要從工程實(shí)踐和理論研究?jī)煞矫孢M(jìn)行探索。本節(jié)主要以水力壓裂礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)HFTS-2（Hydraulic Fracturing Test Site-2） 為例， 對(duì)聯(lián)合監(jiān)測(cè)的效果進(jìn)行總結(jié)分析。

HFTS-2 是在美國(guó)二疊紀(jì)—特拉華盆地開展的大型礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[86]，其目標(biāo)是通過聯(lián)合應(yīng)用先進(jìn)的監(jiān)測(cè)、測(cè)試、取心技術(shù)研究水力裂縫擴(kuò)展情況，以及不同的壓裂完井設(shè)計(jì)方法對(duì)壓裂效果的影響，其中重點(diǎn)使用了包括DTS、DAS 和DSS-RFS 在內(nèi)的3 種光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，以及原位取心、井下溫度/ 壓力計(jì)監(jiān)測(cè)、微地震等。如圖7 所示，HFTS-2 包含8 口新鉆水平生產(chǎn)井、兩口新鉆觀測(cè)井、兩口已有水平井（母井）。其中兩口新鉆觀測(cè)井位于水平井B3H和B4H之間，其中一口為垂直觀測(cè)井（B5PH），該井通過電測(cè)井、井下成像、取心來獲取儲(chǔ)層特征，此外該井還安裝了分布式光纖、壓力/溫度計(jì)、微地震方法以獲取更多壓裂生產(chǎn)資料。同時(shí)在兩口水平生產(chǎn)井（B3H、B4H）中也安裝了光纖電纜以上獲取儲(chǔ)層壓裂生產(chǎn)時(shí)的實(shí)時(shí)DAS/DTS/DSS-RFS數(shù)據(jù)^[87]。實(shí)驗(yàn)通過光纖數(shù)據(jù)的聯(lián)合解釋，對(duì)儲(chǔ)層的壓裂剖面、生產(chǎn)剖面、壓裂裂縫幾何模型及裂縫性質(zhì)等信息進(jìn)行深度揭示，突破了常規(guī)監(jiān)測(cè)手段所獲取的信息量。該次礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)證明分布式光纖聯(lián)合監(jiān)測(cè)與解釋對(duì)壓裂、完井技術(shù)以及生產(chǎn)制度的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

5.1 壓裂井本井DAS/DTS聯(lián)合監(jiān)測(cè)

自DAS應(yīng)用于水力壓裂監(jiān)測(cè)以來，壓裂井本井在作業(yè)過程中的DAS/DTS聯(lián)合監(jiān)測(cè)應(yīng)用廣泛，礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果豐富。Zakhour等^[88]對(duì)HFST-2的B4H井壓裂過程中的DAS/DTS數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)壓裂過程中DAS與DTS信號(hào)與進(jìn)液射孔簇、級(jí)間封隔漏失等位置都具有較好的一致性。綜合分析DAS/DTS數(shù)據(jù)有助于更好地理解段內(nèi)簇改造是否均勻，評(píng)價(jià)暫堵轉(zhuǎn)向效果^[35,60]，解釋完井作業(yè)問題的不利影響，包括封隔器失效、下套管后水泥膠結(jié)不良、作業(yè)困難導(dǎo)致中途停泵等。

此外，在壓裂液注入過程中，DAS/DTS數(shù)據(jù)還可用來判斷壓裂液以及支撐劑在射孔簇中的分布情況。由于DAS分辨率較高，解釋出的數(shù)據(jù)精度也較高，Sakaida等^[89]將DAS解釋獲得的壓裂液注入體積分布轉(zhuǎn)化為每簇的恒定注入率，將該注入率作為DTS正解模型的已知參數(shù)輸入，計(jì)算油藏的溫度分布。然后通過溫度反演，得到與DTS實(shí)測(cè)溫度相匹配的各簇固定注入速率下的溫度分布，從而預(yù)測(cè)水力裂縫注入流體沿裂縫方向的分布，大大提高了DTS溫度反演的效率和準(zhǔn)確性。該項(xiàng)研究采用的DAS和DTS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來自美國(guó)西弗吉尼亞馬塞勒斯頁(yè)巖產(chǎn)區(qū)的MIP-3H井，該井進(jìn)行了28級(jí)水力壓裂。作者采用DAS/DTS聯(lián)合監(jiān)測(cè)解釋方法對(duì)裂縫半長(zhǎng)進(jìn)行了反演解釋（圖8），該解釋結(jié)果表明壓裂過程中壓裂液大概率在水平井筒外形成流動(dòng)通道并起裂形成多條主裂縫和次級(jí)裂縫，裂縫起裂位置不僅限于射孔簇處，這是應(yīng)用DTS進(jìn)行壓裂裂縫形態(tài)反演解釋的一個(gè)重要進(jìn)步。圖9中展示的是根據(jù)壓裂過程中和壓后生產(chǎn)過程中DAS/DTS聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演解釋獲得的各簇進(jìn)液量和壓后產(chǎn)氣量的對(duì)比，這兩項(xiàng)重要的反演解釋結(jié)果也表明各簇的進(jìn)液量整體上與壓后產(chǎn)氣量存在較為復(fù)雜的正相關(guān)性。

5.2 壓裂井相鄰直井與水平井LF-DAS聯(lián)合監(jiān)測(cè)

近年的研究認(rèn)為水力壓裂鄰井LF-DAS應(yīng)變監(jiān)測(cè)可直接監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)裂縫。此前進(jìn)行的礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)大多在壓裂井相鄰水平井中部署DAS光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于研究裂縫高度擴(kuò)展范圍具有較大缺陷，因此HFST-2首次在一口壓裂井的相鄰直井與水平井中同時(shí)進(jìn)行超低頻DAS應(yīng)變監(jiān)測(cè)，以獲取裂縫擴(kuò)展過程中的應(yīng)變?nèi)S空間分布情況，更好地了解裂縫高度擴(kuò)展。

圖10是HTFS-2的一口水平井B1H壓裂過程中，相鄰直井B5PH中LF-DAS光纖記錄的應(yīng)變率隨時(shí)間變化圖，圖10-a ～ c 分別是距離觀測(cè)井B5PH 近、較近和較遠(yuǎn)的3 個(gè)不同的壓裂級(jí)進(jìn)行壓裂時(shí)的應(yīng)變率變化場(chǎng)圖。圖11 是B1H 井壓裂過程中兩口相鄰水平井B4H 和B3H 中LF-DAS 光纖記錄的應(yīng)變率隨時(shí)間變化圖，圖11 與圖10-a 記錄的是同一級(jí)的情況。

基于3.2 節(jié)中Jin 等[67]提出的LF-DAS 應(yīng)變率信號(hào)解釋方法，Wang 等[90]模擬分析圖11所指壓裂級(jí)的6 個(gè)射孔簇產(chǎn)生了5 簇裂縫并且均到達(dá)B4H 井， 其中兩條的裂縫到達(dá)較遠(yuǎn)的B3H 井。此外，還應(yīng)用雪佛龍內(nèi)部軟件三維有限元流固耦合模擬器模擬了等溫單相流條件下多條裂縫同時(shí)起裂擴(kuò)展過程的應(yīng)變率場(chǎng)分布，重點(diǎn)研究了裂縫高度擴(kuò)展機(jī)理和多條裂縫先后擴(kuò)展對(duì)監(jiān)測(cè)應(yīng)變場(chǎng)的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際裂縫高度擴(kuò)展過程非常吻合，證明了裂縫高度朝上方的快速擴(kuò)展主要是由于層間較小的應(yīng)力差造成的，停泵時(shí)裂縫高度已達(dá)到457 m ；模擬結(jié)果也證明了監(jiān)測(cè)到的復(fù)雜應(yīng)變率場(chǎng)是由于5 條裂縫的先后擴(kuò)展造成的疊加效應(yīng)（圖12）。

5.3 壓裂井本井DAS/DSS-RFS 監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

根據(jù)對(duì)同一口壓裂井B4H 的監(jiān)測(cè)結(jié)果來看， DSS-RFS 光纖與DAS 光纖所測(cè)信號(hào)具有較好的一致性，兩者可以互相印證射孔簇裂縫開啟的有效性。對(duì)比壓裂泵注過程的DAS 信號(hào)與關(guān)井時(shí)期DSS-RFS 信號(hào)發(fā)現(xiàn)射孔簇6、9 處沒有較為明顯的DAS 信號(hào)， 對(duì)應(yīng)的DSS-RFS 信號(hào)也沒有出現(xiàn)正的峰值，表明兩個(gè)簇附近沒有裂縫有效開啟（圖13）。

綜上所述，不同種類的分布式光纖傳感技術(shù)在水力壓裂監(jiān)測(cè)中開展聯(lián)合應(yīng)用，對(duì)于全面準(zhǔn)確描述水力裂縫擴(kuò)展和后期演化、評(píng)價(jià)壓裂效果和產(chǎn)能具有非常重要的意義，筆者根據(jù)目前業(yè)界對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)在水力壓裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)概括聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)思路（表1）。在水力壓裂泵注期間，壓裂本井布置DTS/DAS光纖對(duì)壓裂液、支撐劑分布、裂縫開啟、暫堵轉(zhuǎn)向、級(jí)間干擾情況進(jìn)行分析；相鄰水平井與直井中進(jìn)行LF-DAS監(jiān)測(cè)，通過鄰井應(yīng)變信息對(duì)壓裂沖擊、裂縫形態(tài)、裂縫幾何參數(shù)等進(jìn)行解釋；在壓后生產(chǎn)階段，主要通過本井DTS/DAS/DSS-RFS光纖監(jiān)測(cè)射孔簇處的裂縫有效性及演化情況，對(duì)縫網(wǎng)復(fù)雜性做出評(píng)價(jià)，根據(jù)DTS/DAS聯(lián)合解釋反演生產(chǎn)剖面等。由于不同光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)所對(duì)應(yīng)的機(jī)理、解釋模型和軟件的研究發(fā)展情況不同，如何將以上過程進(jìn)行更有效的整合形成更加系統(tǒng)性的方法需要進(jìn)一步的研究工作。

水力壓裂分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為頁(yè)巖、致密砂巖等非常規(guī)油氣儲(chǔ)層開發(fā)的重要手段，在壓裂工藝、裂縫擴(kuò)展、鄰井干擾、壓后效果評(píng)價(jià)等諸多方面提供了重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和解釋結(jié)果，也為水力壓裂裂縫擴(kuò)展、儲(chǔ)層滲流和井筒流動(dòng)等方面的機(jī)理研究提供了新的視角。

DAS鄰井應(yīng)變率監(jiān)測(cè)和DSS-RFS本井應(yīng)變監(jiān)測(cè)能夠直接反饋裂縫擴(kuò)展和裂縫演化過程中的相關(guān)應(yīng)變，今后將成為水力壓裂裂縫評(píng)價(jià)的重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，其理論模型需要儲(chǔ)層滲流模型與巖石力學(xué)模型以及裂縫表征方法的進(jìn)一步緊密結(jié)合。

分布式光纖傳感技術(shù)在未來的有效應(yīng)用除了需要準(zhǔn)確高效的機(jī)理模型外，同時(shí)也有賴于大數(shù)據(jù)處理和深度學(xué)習(xí)算法與之高度融合，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)過程的數(shù)據(jù)篩選、模式識(shí)別和關(guān)鍵參數(shù)的快速反演。