水力壓裂分布式光纖傳感

聯合監(jiān)測技術研究進展

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

1. 中國石油大學（北京）石油工程學院

2. 中國石油大學（北京）人工智能學院

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

頁巖氣開采技術服務公司

近年來，隨著油氣地質理論的突破創(chuàng)新和工程技術的進步，中國陸相頁巖油氣、致密油氣勘探開發(fā)都取得了重大突破。從美國、中國的非常規(guī)油氣開發(fā)經驗來看，儲層改造技術都是獲得成功的核心利器，我國目前已形成以“長井段水平井完井”為基礎的多簇射孔、滑溜水攜砂、分段壓裂的主體改造技術，依托地質工程一體化儲集層改造模式，采用低成本材料技術和大平臺立體開發(fā)方式，在頁巖油氣開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用^[1]。

然而，在對非常規(guī)油氣儲層進行壓裂改造的過程中，由于非常規(guī)儲層地層應力狀態(tài)復雜多變、巖石力學性質各向異性和非均質性強、天然裂縫發(fā)育狀況不明確、人工裂縫之間存在嚴重相互干擾[2-5]，因此實際形成的水力裂縫與設計方案相比，其分布位置、裂縫長度、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)生的壓裂沖擊現象難以預測，對鄰井產能造成較大影響且很難恢復[8]；傳統的水力壓裂機理模型與預測方法不適用于非常規(guī)儲層^[9]，如何提高水力壓裂效果評價的準確性成為解決非常規(guī)資源開發(fā)瓶頸問題的關鍵技術。

水力壓裂實時監(jiān)測技術可以確保水力壓裂效果評價的準確性。目前應用于水力壓裂監(jiān)測的主要技術包括壓裂過程的壓力曲線分析等間接診斷方法，示蹤劑、測斜儀、井下成像等近井直接診斷方法，井下微地震等遠井直接診斷方法三大類型。從國際技術發(fā)展趨勢來看，分布式光纖傳感監(jiān)測已成為水力壓裂監(jiān)測的新技術，在美國頁巖氣開發(fā)中展現出重要作用。2022年Jacobs^[10]將該技術作為壓裂改造效果評價、人工裂縫形態(tài)和幾何參數獲取以及暫堵轉向壓裂效果評價的首選方法^[11]。

目前應用于水力壓裂監(jiān)測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)測現場應用，其監(jiān)測的物理量從最初的溫度發(fā)展為聲波（振動）和應變信號，能更直接地反映水力壓裂過程中的裂縫擴展、裂縫沖擊等現象，并能對壓后生產過程中開關井時射孔孔眼處的瞬態(tài)應變進行監(jiān)測，以評估裂縫開啟（閉合）程度，與壓裂過程的裂縫監(jiān)測相互印證。

我國近年來在分布式光纖水力壓裂監(jiān)測技術方面也取得了一系列重要的進步。2020年中國石油新疆油田分公司在石炭系火山巖油藏使用從德國APS公司、英國ESM公司進口的DTS和DAS信號采集器，實時記錄壓裂施工時光纖沿線聲波和溫度的變化數據，以實時了解壓裂過程中各簇的進液情況^[12]；2021年9月中國石化江漢油田涪陵頁巖氣公司順利完成了焦頁11-Z1HF井壓裂期間井中微地震監(jiān)測和分布式光纖壓裂監(jiān)測的現場施工，這是涪陵頁巖氣田首次開展微地震與分布式光纖聯合監(jiān)測^[13]。與此同時，中國石油大學（北京）、中國石油大學（華東）、西南石油大學等多家高校和研究機構也針對水力壓裂光纖監(jiān)測開展理論研究，建立了相應的理論解釋模型^[14-16]。

總體來看，分布式光纖傳感監(jiān)測技術在我國未來的非常規(guī)油氣資源開發(fā)中將會發(fā)揮越來越重要的作用。該技術應用進入業(yè)界時間較短，但涉及的分布式光纖傳感技術種類較多、機理各異且發(fā)展迅速，不同類型傳感技術的物理機理、技術特性尚未被業(yè)界充分了解，相關的理論解釋模型也有待完善；其現場應用和后期解釋、理論研究均涉及多學科交叉范疇，同時還涉及大量數據處理方法和技術。本文將針對DTS、DAS和DSS-RFS 3種技術在水力壓裂監(jiān)測中的應用，從不同傳感技術的物理機理和目前現場主流安裝方式出發(fā)，系統總結各類傳感技術現場應用的典型案例和技術特點，以及對應的監(jiān)測解釋理論模型的研究現狀，最終結合美國水力壓裂監(jiān)測礦場實驗的新實例，總結水力壓裂分布式光纖聯合監(jiān)測的技術思路，為分布式光纖傳感技術在我國非常規(guī)資源開發(fā)中的應用提供技術參考。

光導纖維，簡稱光纖，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光波。自20世紀20年代發(fā)明光纖以來^[17]，超低損耗光纖技術的實現和半導體激光器技術的出現，使得光纖從20世紀70年代開始廣泛應用于光通信領域，奠定了現代信息社會的基石。隨著光纖技術的不斷發(fā)展，人們發(fā)現光纖本身可以作為傳感材料, 光纖周圍的溫度、流動、壓力和應變等物理場變化均會對光纖內部傳輸的光波物理參數產生影響，使光波的頻率、偏振、相位、振幅以及由振幅平方得到的光強等參數發(fā)生改變, 如果將接收的激光信號參量變化解調成電信號, 則可以實現對外界物理場的測量, 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會發(fā)生背向散射現象[19]?；谶@一現象人們發(fā)明了光時域反射技術（OTDR），用于測量因散射、吸收等原因產生的光纖傳輸損耗和各種結構缺陷引起的結構性損耗，這一技術后來也發(fā)展出了多種分布式光纖傳感器。分布式光纖傳感技術在解調光信號時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 進行溫度傳感測量的物理機理。從20 世紀90 時代初開始，DTS 開始逐漸應用于油氣生產領域，早期主要應用于海上平臺井和陸地高產井的生產監(jiān)測，以及稠油油田熱采開發(fā)時蒸汽突破前緣監(jiān)測等方面[20]。2010 年以來，頁巖氣資源的開發(fā)首先在美國獲得成功并推動了世界各國頁巖儲層、致密砂巖儲層等非常規(guī)油氣資源開發(fā)的熱潮，作為其開發(fā)關鍵技術的水平井多級壓裂技術獲得了高度關注，DTS 作為第一種出現的分布式光纖傳感器首先應用于水平井多級壓裂增產過程的監(jiān)測和評價^[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方向強度線性衰落的原理，不僅可以檢測光纖中的損耗點，外部環(huán)境如溫度壓力的變化也可對光纖的衰減特性產生影響，引起瑞利散射強度變化[22]。2000 年美國海軍研究實驗室[23]提出了根據瑞利散射信號相位差計算光纖動態(tài)應變的方法, 這一研究也標志著基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術能夠對聲波和其他振動波引起的應變進行實際測量, 這一技術被稱為分布式振動傳感（Distributed Vibration Sensing，DVS），由于在國內外石油行業(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。當光纖受到聲波壓力（P）的作用時，光波相位發(fā)生變化（ΔΦ），從而實現從聲波信號到光波相位變化信號的調制[22]，即

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式中L 表示擾動位置處的光纖長度，m ；P 表示聲波壓力，Pa ；λ 表示光的波長，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。實際應用中可以通過空間差分干涉等方法實現對聲波信號的調制，經探測器接收的瑞利散射光可通過相位解調技術解調出相位差變化，實現聲波信號的還原。

應用于石油行業(yè)的DAS 傳感系統正在從單純的“強度型”向“相位型”過渡，“強度型”DAS 系統僅提供聲波或振動信號幅值計算的強度信息。DAS 系統最初應用于水力壓裂施工過程監(jiān)測時，主要通過對井筒中聲波信號的強度監(jiān)測來判斷各壓裂級（簇） 進液情況^[24]。目前基于相干光時域反射技術的“相位型”DAS 傳感器，不僅能夠獲得聲波或振動信號的強度信息，還能通過上文所述的相位調調技術監(jiān)測動態(tài)應變，以滿足水力壓裂、套管變形等方面的監(jiān)測技術需求^[25]。動態(tài)應變監(jiān)測[18]一般是指對時間尺度約1 s 以內發(fā)生的快速應變進行探測，實質上獲取的是應變率即應變相對時間的變化率，儀器關閉后保持光纖不受干擾，再開啟后測量的應變絕對值與之前的測量值也不具有相關性和可比性。用于水力壓裂中鄰井超低頻應變監(jiān)測的DAS 傳感器就屬于動態(tài)應變監(jiān)測^[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生的， 因此前者的頻移（GHz 級別）要遠小于后者的頻移（THz 級別）^[19]。布里淵散射對于溫度和應變都具有敏感性，布里淵傳感器通過探測后向散射光的布里淵頻移信息對溫度和應變進行求解。2009 年Kishida 等^[27]提出利用波長可調諧激光器的相干光時域反射技術（Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry，TW-COTDR）探測的瑞利頻移與脈沖預泵浦—布里淵時域分析技術（Pulse- Prepump-Brilliouin Optical Time Domain Analyzer， PPP-BOTDA）探測的布里淵頻移信息相結合，首次在高精度和高分辨條件下實現了溫度、應變測量的分離，應變與溫度關聯的原則關系如下式：

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式中Δε 表示應變變化量，με；ΔT 表示溫度變化量，℃；ΔvBΔvR分別表示測得的布里淵頻移量和瑞利頻移量，Hz；d11，d12，d21，d22分別表示相應的關聯系數， 在Kishida 等[28]發(fā)表的研究結果中由室內實驗測定得出， 其中d11和d21單位為Hz/με，d12和d₂₂單位為Hz/℃。以上即是目前新應用于水力壓裂監(jiān)測的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度，滿足應用要求。當光纖傳感器應用在油氣井中時，需要適應高溫、高壓、腐蝕性等嚴酷的環(huán)境和克服井下復雜工具和完井條件的影響。光纖傳感器可以制成光電復合纜下入井中，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合纜結構，該復合纜中同時包含了光纖和電纜，可以同時用于光纖傳感監(jiān)測和傳統的電子壓力/溫度計監(jiān)測。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套、金屬鎧裝層和外部的聚合物封裝層^[30]，外徑約6.35 mm。

對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、油管內部安裝和隨連續(xù)油管臨時下井等4種安裝方式。一般來說，隨連續(xù)油管臨時下井方式可用于短時監(jiān)測，施工難度較低；油管內部安裝一般通過光纖鋼絲或光纖電纜實現，可進行油氣井長期監(jiān)測，更換相對容易，由于光纖置于井筒流體中，該方式對于井筒多相流流型和流體分布變化具有較好的監(jiān)測效果，但是相對信噪比較低；油管外部安裝可通過專用護卡在油管接頭處將光纖固定在油管外部，安裝技術成熟，適合長期監(jiān)測，光纖可以更換，可以觀察油管內或油套環(huán)空中流體的溫度、流動情況，新研制成功的濕式插拔光纖連接器能夠更有效便捷地實現附帶光纖的多段油管的依次下井安裝，進一步降低作業(yè)難度^[31]；套管外部安裝是在完井過程中，將光纖在套管外側固定后隨套管管柱下井，再進行水泥固井和后續(xù)射孔作業(yè)^[32]，該方式安裝難度較大，光纜安裝時容易與裸眼井壁接觸，發(fā)生機械破壞，同時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，可直接探測地層近井流體的溫度、水力裂縫起裂擴展引起的地層應變、流體注入地層聲強分布以及套管變形等重要過程，探測獲得的數據信噪比高，因此在近年來成為業(yè)界普遍關注的重點應用方向^[33]。

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

DTS可監(jiān)測水力壓裂泵注、停泵、返排等過程以評價壓裂液在井筒中的注入剖面，以及各壓裂級、射孔簇的進液量。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的直井中首次應用DTS監(jiān)測小型壓裂施工。除此以外，DTS還用于監(jiān)測壓后生產，通過生產測試或生產過程中的溫度變化來進行生產剖面反演，評價各壓裂級、射孔簇的改造效果和生產情況。近年來，研究人員已針對DTS監(jiān)測水力壓裂的各個過程建立了較為完善的理論模型以實現DTS水力壓裂監(jiān)測的定量解釋和分析。

2.1 DTS水力壓裂施工過程監(jiān)測與理論模型

DTS水力壓裂施工過程監(jiān)測現場實例較多，一般由光纖公司和井下作業(yè)公司聯合作業(yè)。在水力壓裂現場施工過程中，通過DTS實時監(jiān)測數據生成的瀑布圖即可對壓裂過程進行定性評價。

從DTS監(jiān)測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效應引起的回暖現象（Warmback），不同壓裂級和射孔簇由于前期注入流體量不同，因此回暖速度不同，前期進液越多的位置回暖越慢。

圖2為DTS監(jiān)測一水平井多級壓裂過程的典型溫度數據瀑布圖[35]，該井采用限流射孔，DTS套外安裝，當壓裂某級時，由于壓裂液進入井筒產生“冷卻”效應，井筒溫度顯著降低，但是該級之前壓裂的各級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作用，因此出現“回暖”效應，可由井筒不同深度的不同回暖速度來判斷各射孔簇的進液量。隨著壓裂作業(yè)從水平井趾端向跟端逐級推進，DTS溫度數據瀑布圖顯示出明顯的“階梯”形狀，這也是DTS監(jiān)測水平井多級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，在對第三級進行壓裂時，部分注入的壓裂液漏失到了第二級，導致第二級又出現了“冷卻” 效應，由此可以發(fā)現壓裂時由于封隔器失效、球座漏失等原因導致的壓裂液竄流。基于相同原理，DTS 溫度瀑布圖還可用于評價暫堵轉向效果。

基于現場對于水力壓裂作業(yè)過程進行溫度監(jiān)測、解釋分析的迫切需求，從20 世紀 90 年代至今，已發(fā)展了與溫度監(jiān)測技術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井過程中人工裂縫內部流體溫度分布隨時間變化的數值模型。2010 年，Seth 等^[37]提出了直井壓裂和關井階段的溫度數值模型來模擬井筒內DTS 監(jiān)測位置的溫度分布和變化狀況，其中裂縫擴展基于簡單的壓裂液體積守恒方法計算得到。Tabatabaei 等^[38]從前期酸化增產溫度模型出發(fā)，將水平井多級壓裂過程等效為流體從井筒向多壓裂級的徑向流動和傳熱過程，研究了裂縫形態(tài)、關井時間對溫度變化的影響。Li 等^[39]和Yoshida 等^[40]建立了水平井多級壓裂施工過程的DTS 溫度模擬2D 半解析模型和3D 數值模型。二者建立的模型均為單井多裂縫瞬態(tài)模型，通過對井筒、裂縫、儲層三部分的流動和傳熱模型耦合求解， 模擬水平井多級壓裂時的泵注冷卻和停泵回暖過程， 還可模擬不同裂縫縫長、DTS 傳感器不同安裝位置的影響。前者建立的模型根據裂縫對稱性提取1/4 的裂縫/ 儲層部分對其2D 平面區(qū)域進行求解，將裂縫內壓裂液流動和儲層內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，能準確反映現場作業(yè)時溫度“階梯”狀變化特征。此外， 還分析了泵注速度、濾失系數、儲層熱傳導系數等敏感性因素對溫度變化的影響。特別值得指出的是， DTS 傳感器的安裝位置對溫度監(jiān)測分析結果具有一定影響。當DTS 采用連續(xù)油管下入方式，由于直接接觸壓裂液，泵注初期井筒內光纖測得的溫度迅速下降至壓裂液溫度，泵注結束時測得的溫度也低于DTS 光纖在套外安裝的情況，但關井2 h 后二者逐漸趨同。

針對水平井多級壓裂施工階段DTS 監(jiān)測的反演模型目前相對較少，2012 年Hoang 等^[41]對直井壓裂時套外安裝的DTS 監(jiān)測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”來進行近似，以避免由于裂縫形態(tài)和幾何參數的不確定性造成模擬結果的錯誤和過大的計算量。

2.2 DTS 壓后生產過程監(jiān)測與理論模型

DTS 還可以監(jiān)測壓后生產情況以評價水力壓裂效果。對于已結束返排開始生產的多級壓裂水平井， 可以采用永久式、半永久式或連續(xù)油管臨時下井方式安裝DTS 監(jiān)測生產測試或正常生產過程，根據監(jiān)測溫度結果反演沿水平井筒流動剖面，評價各壓裂級（簇）生產情況和壓裂效果。DTS、DAS、DSS-RFS 等傳感器都可用于壓后生產監(jiān)測，可以分別使用或組合使用。

單獨使用DTS 進行水平井壓后生產過程監(jiān)測的方法主要適用于頁巖氣和致密氣儲層^[16,42-43]，由于氣與油、水相比具有更明顯的焦耳—湯普森效應，在同樣的生產壓降條件下入井氣體會產生明顯的溫度降落，在DTS 溫度監(jiān)測曲線上表現為射孔簇處的溫度曲線低點^[44]。

為了綜合考慮儲層性質、人工裂縫幾何參數及導流能力、生產制度等諸多因素對DTS 溫度數據的影響，國內外學者建立了一系列水平井多級壓裂壓后生產過程的理論模型和相關的反演模型，用于模擬井筒—裂縫—儲層溫度場分布，反演壓后生產剖面。2015 年Cui 等[42]建立了井筒—裂縫—儲層壓后生產溫度監(jiān)測半解析理論模型，其中井筒流動/ 傳熱模型和裂縫—儲層傳熱模型為數值模型，而裂縫—儲層流動模型是基于Lee 等[45]提出的三線性解析模型。Yoshioka 等^[46]建立的水平井多級壓裂溫度監(jiān)測三維數值模型也可用于壓后生產過程監(jiān)測的溫度模擬。為了加快正模型運算速度，同時考慮儲層非均質性， 2016 年Cui 等^[47]將快速推進算法（Fast Marching Method，FMM）應用于DTS 壓后生產監(jiān)測模擬，該方法采用油藏數值模擬的“飛行擴散時間”概念將儲層流動和傳熱模型轉化為一維形式，大大加快了正演模型的計算速度。2020 年Sui 等^[14]對現有壓后生產溫度模型考慮的完井形式進行優(yōu)化，更準確地模擬了裸眼封隔器完井條件下的水平井壓后生產溫度場分布情況。

在DTS壓后生產監(jiān)測模型的反演方法方面，可以應用梯度法、隨機法等多種反演方法結合DTS監(jiān)測的溫度數據反演生產剖面。2014年Tarrahi等^[48]借助集成的Kalman濾波器來分析DTS數據，通過Kalman濾波器自動匹配機制實現裂縫特征參數定量描述，對裂縫半長和滲透率進行了反演。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Marcellus頁巖儲層一口氣井的壓后生產剖面。2021年Luo等^[43]采用模擬退火法對一口頁巖氣井DTS壓后生產監(jiān)測數據進行反演，獲得了產氣剖面和裂縫半長信息。

相較于DTS水力壓裂監(jiān)測技術，DAS技術在光纖傳感領域問世較晚，但是很快應用于油氣勘探生產，成為非常規(guī)儲層水力壓裂監(jiān)測的熱點技術。2009年Shell公司^[50]在加拿大一口致密氣井中首次使用DAS技術監(jiān)測測井、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用了DTS/DAS聯合監(jiān)測。在隨后幾年中，DAS技術迅速應用于與水力壓裂相關的微地震、井筒作業(yè)、壓裂井注入/生產剖面、鄰井超低頻應變等諸多方面的監(jiān)測，為評價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合監(jiān)測的新時期。

3.1 水力壓裂DAS本井監(jiān)測與理論模型

DAS用于水力壓裂本井監(jiān)測時，將壓裂或壓后生產過程中的聲波強度隨時間的變化繪制成瀑布圖^[24,52]，以分析不同壓裂級和射孔簇的活躍程度。一般認為壓裂時聲信號較強的位置有較多的壓裂液進入儲層，裂縫得到了有效開啟^[53]。2014年Sookprasong等^[54]根據DAS聲波強度數據計算出各個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Pakhotina等^[56]通過室內實驗模擬壓裂液通過射孔孔眼從井筒向裂縫的流動過程，證實了聲壓級與流速之間存在關系式，即

式中q表示流速，SCF/Hr；L_SP表示聲壓級，dB；A和B表示與射孔孔眼相關的系數。然而，DAS在監(jiān)測井筒中流體流動時情況更為復雜，Alfataierge等^[57]采用室內實驗方式模擬管流并采用DAS進行監(jiān)測時發(fā)現，DAS的響應可證明光纖所在的監(jiān)測位置是否存在流動，但是流速與DAS信號響應不存在必然的正相關性，作者推測這是由于湍流等流型影響所導致的。

通過DAS聲波能量瀑布圖也可對壓裂過程中多種情況進行有效的分析，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頁巖儲層一口水平井Boggess 5H井進行第11級壓裂時的DAS監(jiān)測聲波能量瀑布圖，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級中間的橋塞處出現強烈的聲信號，與此同時，第11級中各簇DAS信號逐漸減弱，第10級中第3簇DAS信號增強，提示橋塞漏失，第11級的壓裂液流向第10級。吳寶成等^[12]對中石油新疆油田石炭系火山巖儲層某水平井壓裂過程中的套外DAS監(jiān)測結果進行了分析，并評價了暫堵轉向作業(yè)效果。

DAS技術目前也已應用于水平井壓后生產監(jiān)測，根據DAS信號強度反演生產剖面。Horst等^[62]展示了某氣井壓裂后一段時間的DAS瀑布圖（圖4），上部圖顯示了氣井產量隨時間的變化，中部為DAS噪聲幅值瀑布圖，下部圖為產氣剖面反演結果，其中綠色表示產量達到某一設定值，紅色表示產量低于該值。此外，DAS監(jiān)測還用于識別關井后的氣液界面^[63-64]、分析氣井排水采氣[65]和層間竄流[57]等情況。

DAS 原始采集的數據量較大，一般需要通過濾波、下采樣處理后轉換為不同頻段數據進行分析，不同頻段的信號代表不同類型的井筒內事件。較低頻信號（＜ 50 Hz）對井筒內流動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（50 ～ 200 Hz） 一般用于分析生產后注入剖面，與井筒流體流速密切相關；較高頻信號（＞ 200 Hz）對井筒內工具活動等外界影響較為敏感，可用于監(jiān)測封隔器坐封^[35]、投球和下橋塞^[66]等過程。此外，需要說明的是， DAS 監(jiān)測井筒流動過程的理論解釋模型與完井方式、光纖安裝方法、數據采集情況、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，目前的解釋分析方法尚不完善和統一，多由各大石油公司或服務公司根據自發(fā)的礦場實驗進行測試開發(fā)獲得的DAS 信號與流動響應的經驗模型進行內部解釋，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)測與理論模型

水力壓裂DAS 低頻信號鄰井監(jiān)測技術（簡稱LF-DAS）是近5 年發(fā)展的前沿監(jiān)測技術，該技術通過“相位型”DAS 傳感系統對鄰井開展的水力壓裂作業(yè)進行動態(tài)應變監(jiān)測，提取低頻段（＜ 0.05 Hz） DAS 信號，獲得監(jiān)測井中各位置處應變率隨時間的變化情況，對鄰井水力壓裂裂縫起裂、擴展和壓竄至鄰井/ 穿層情況進行解釋分析。

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

針對油田現場在水力壓裂過程中的LF-DAS應變監(jiān)測數據，研究人員采用有限元模擬等數值方法建立了鄰井壓裂裂縫擴展過程應變場的理論模型。2020年Liu等^[71-72]和Zhang等^[73]基于Wu等^[74]建立的裂縫擴展模型，使用位移不連續(xù)法模擬裂縫擴展過程中的地層應變和應變率場。二者都將理論模擬結果與現場實際監(jiān)測結果進行了對比分析，證明了裂縫擴展尖端如果與監(jiān)測井光纖位置相交匯發(fā)生壓裂沖擊（Frac-hit）時，由于應變率極性反轉造成了“心型區(qū)”的存在，并討論了影響“心型區(qū)”特征的關鍵因素，包括監(jiān)測位置與裂縫擴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光纖在同一高度發(fā)生壓裂沖擊時的模擬應變率場分布，在30分鐘時裂縫A和C沖擊鄰井，出現“心型區(qū)”，45分鐘時裂縫B沖擊鄰井但是由于裂縫A、C應力場干擾作用，“心型”不明顯，這一理論模擬結果與圖5-b中展示的現場監(jiān)測結果非常吻合。圖5-c中裂縫尖端與鄰井觀測光纖具有35 m的垂向高度差，裂縫未沖擊鄰井，此時模擬應變率場顯示為“V型區(qū)”，該模擬結果也在現場監(jiān)測中得到了驗證（圖5-d）。此外，Gurjao等^[75-76]利用二維KGD裂縫擴展模型和Sneddon裂縫擴展應力計算方法討論了具有天然裂縫條件下的DAS鄰井監(jiān)測應變場特征。陳銘等^[15]基于平面三維多裂縫擴展模型構建了壓裂監(jiān)測井光纖應變與應變率的計算模型。

在LF-DAS的反演方法方面，2021年Liu等^[77-78]基于此前提出的應變場正演模型，根據DAS實際觀測應變場使用小二乘法對同一壓裂級單條、多條裂縫寬度進行反演，并使用蒙特卡洛—馬可夫鏈方法模擬裂縫寬度隨機分布情況，對反演結果進行了不確定性分析。Liu等^[79]通過計算不同裂縫高度正模型應變剖面，發(fā)現當高度接近真實值時絕對誤差減小，提出了通過計算應變誤差方法估算裂縫高度。Chen等[80]利用卷積神經網絡方法對DAS鄰井監(jiān)測應變信號特征開展理論模擬研究，針對單一裂縫擴展情況提出了壓裂沖擊事件自動分類和定位算法。

分布式光纖應變傳感技術在工程中應用較為廣泛，包括建筑材料（鋼筋、木材）的健康狀況監(jiān)測、混凝土裂縫檢測以及橋梁、管道等大型建筑和風力渦輪機性能的監(jiān)測等^[81-82]。目前應用較為廣泛的BOTDA 測量范圍可達50 km，在22 km 的測量范圍內其空間分辨率可達5 m，對應變的測量精度可至20 με[83]。2009 年Kishida 等[28]提出基于DSS-RFS 將光纖應變監(jiān)測的空間分辨率提高至0.2 m（8 km 長光 纖），目前該技術已實現商用并應用到油氣領域的水力壓裂監(jiān)測中，成為水力壓裂分布式光纖監(jiān)測的新技術。

2021 年Jin 等^[29]利用套外安裝的DSS-RFS 光纖對壓后生產8 個月的水平井進行監(jiān)測，空間取樣點間距為20 cm，取樣時長間距為150 s。關井后取第4 天24 h 內的DSS-RFS 應變數據進行平均化降噪處理，最終獲得的應變分布與射孔簇位置高度一致，說明關井后水力裂縫的“充能效應”使得裂縫寬度增加，對應位置的光纖發(fā)生張性應變且應變值為正值，其他非裂縫區(qū)域對應位置的光纖受到擠壓產生的應變值為負。通過對比關井期間井底壓力的變化與射孔簇位置處應變的變化情況發(fā)現二者具有高度相似的變化相關性（圖6-a），但是在開井和關井期間中的變化比值存在明顯差異（圖6-b）。為了驗證上述規(guī)律，Ugueto 等^[84]進一步將生產期間的DSS-RFS 信號按照特定比值進行反轉和放大并與關井期間的信號進行對比，發(fā)現兩者具有較強的一致性，這一結論表明下一步有望在生產期間采集DSS-RFS 信號，從而大限度地減少關井對油井生產的影響。

根據現場同一口壓后生產井相距7 個月進行的DSS-RFS 光纖監(jiān)測結果和相關分析，發(fā)現兩次監(jiān)測結果獲得的應變位置和應變量都具有較高的一致性，大部分射孔簇對應位置的應變量幾乎未發(fā)生變化，而少量射孔簇對應位置的應變量減小，提示裂縫（改造體積）隨生產的進行其幾何特征發(fā)生了一定變化^[84]?；贒SS-RFS 光纖可以監(jiān)測隨時間變化的應變，研究人員試圖通過理論研究揭示DSS-RFS 監(jiān)測裂縫應變的機理。2021 年Liu 等^[85]建立了針對一口水平井單條壓裂裂縫的儲層多相流流固耦合模型，通過有限體積法和有限元方法聯合求解，瞬態(tài)模擬開關井過程引起的井筒壓力、儲層滲流場和裂縫內部有效應力的變化， 通過改變儲層改造體積（SRV）大小和滲透率、裂縫長度、近井地區(qū)表皮系數等與近井地帶裂縫幾何形狀相關的因素，研究了這些因素與DSS-RFS 光纖所測得的射孔孔眼處即裂縫起裂處的相對應變變化的關系。

如何利用多類型分布式光纖傳感技術進行更科學有效的水力壓裂聯合監(jiān)測將成為該研究領域要解決的重要問題，這一問題也需要從工程實踐和理論研究兩方面進行探索。本節(jié)主要以水力壓裂礦場實驗HFTS-2（Hydraulic Fracturing Test Site-2） 為例， 對聯合監(jiān)測的效果進行總結分析。

HFTS-2 是在美國二疊紀—特拉華盆地開展的大型礦場實驗[86]，其目標是通過聯合應用先進的監(jiān)測、測試、取心技術研究水力裂縫擴展情況，以及不同的壓裂完井設計方法對壓裂效果的影響，其中重點使用了包括DTS、DAS 和DSS-RFS 在內的3 種光纖監(jiān)測技術，以及原位取心、井下溫度/ 壓力計監(jiān)測、微地震等。如圖7 所示，HFTS-2 包含8 口新鉆水平生產井、兩口新鉆觀測井、兩口已有水平井（母井）。其中兩口新鉆觀測井位于水平井B3H和B4H之間，其中一口為垂直觀測井（B5PH），該井通過電測井、井下成像、取心來獲取儲層特征，此外該井還安裝了分布式光纖、壓力/溫度計、微地震方法以獲取更多壓裂生產資料。同時在兩口水平生產井（B3H、B4H）中也安裝了光纖電纜以上獲取儲層壓裂生產時的實時DAS/DTS/DSS-RFS數據^[87]。實驗通過光纖數據的聯合解釋，對儲層的壓裂剖面、生產剖面、壓裂裂縫幾何模型及裂縫性質等信息進行深度揭示，突破了常規(guī)監(jiān)測手段所獲取的信息量。該次礦場實驗證明分布式光纖聯合監(jiān)測與解釋對壓裂、完井技術以及生產制度的優(yōu)化具有重要的指導意義。

5.1 壓裂井本井DAS/DTS聯合監(jiān)測

自DAS應用于水力壓裂監(jiān)測以來，壓裂井本井在作業(yè)過程中的DAS/DTS聯合監(jiān)測應用廣泛，礦場實驗結果豐富。Zakhour等^[88]對HFST-2的B4H井壓裂過程中的DAS/DTS數據進行了綜合分析，發(fā)現壓裂過程中DAS與DTS信號與進液射孔簇、級間封隔漏失等位置都具有較好的一致性。綜合分析DAS/DTS數據有助于更好地理解段內簇改造是否均勻，評價暫堵轉向效果^[35,60]，解釋完井作業(yè)問題的不利影響，包括封隔器失效、下套管后水泥膠結不良、作業(yè)困難導致中途停泵等。

此外，在壓裂液注入過程中，DAS/DTS數據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，解釋出的數據精度也較高，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輸入，計算油藏的溫度分布。然后通過溫度反演，得到與DTS實測溫度相匹配的各簇固定注入速率下的溫度分布，從而預測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確性。該項研究采用的DAS和DTS監(jiān)測數據來自美國西弗吉尼亞馬塞勒斯頁巖產區(qū)的MIP-3H井，該井進行了28級水力壓裂。作者采用DAS/DTS聯合監(jiān)測解釋方法對裂縫半長進行了反演解釋（圖8），該解釋結果表明壓裂過程中壓裂液大概率在水平井筒外形成流動通道并起裂形成多條主裂縫和次級裂縫，裂縫起裂位置不僅限于射孔簇處，這是應用DTS進行壓裂裂縫形態(tài)反演解釋的一個重要進步。圖9中展示的是根據壓裂過程中和壓后生產過程中DAS/DTS聯合監(jiān)測數據進行反演解釋獲得的各簇進液量和壓后產氣量的對比，這兩項重要的反演解釋結果也表明各簇的進液量整體上與壓后產氣量存在較為復雜的正相關性。

5.2 壓裂井相鄰直井與水平井LF-DAS聯合監(jiān)測

近年的研究認為水力壓裂鄰井LF-DAS應變監(jiān)測可直接監(jiān)測遠場裂縫。此前進行的礦場實驗大多在壓裂井相鄰水平井中部署DAS光纖進行監(jiān)測，對于研究裂縫高度擴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進行超低頻DAS應變監(jiān)測，以獲取裂縫擴展過程中的應變三維空間分布情況，更好地了解裂縫高度擴展。

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光纖記錄的應變率隨時間變化圖，圖10-a ～ c 分別是距離觀測井B5PH 近、較近和較遠的3 個不同的壓裂級進行壓裂時的應變率變化場圖。圖11 是B1H 井壓裂過程中兩口相鄰水平井B4H 和B3H 中LF-DAS 光纖記錄的應變率隨時間變化圖，圖11 與圖10-a 記錄的是同一級的情況。

基于3.2 節(jié)中Jin 等[67]提出的LF-DAS 應變率信號解釋方法，Wang 等[90]模擬分析圖11所指壓裂級的6 個射孔簇產生了5 簇裂縫并且均到達B4H 井， 其中兩條的裂縫到達較遠的B3H 井。此外，還應用雪佛龍內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起裂擴展過程的應變率場分布，重點研究了裂縫高度擴展機理和多條裂縫先后擴展對監(jiān)測應變場的影響，模擬結果與實際裂縫高度擴展過程非常吻合，證明了裂縫高度朝上方的快速擴展主要是由于層間較小的應力差造成的，停泵時裂縫高度已達到457 m ；模擬結果也證明了監(jiān)測到的復雜應變率場是由于5 條裂縫的先后擴展造成的疊加效應（圖12）。

5.3 壓裂井本井DAS/DSS-RFS 監(jiān)測對比分析

根據對同一口壓裂井B4H 的監(jiān)測結果來看， DSS-RFS 光纖與DAS 光纖所測信號具有較好的一致性，兩者可以互相印證射孔簇裂縫開啟的有效性。對比壓裂泵注過程的DAS 信號與關井時期DSS-RFS 信號發(fā)現射孔簇6、9 處沒有較為明顯的DAS 信號， 對應的DSS-RFS 信號也沒有出現正的峰值，表明兩個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在水力壓裂監(jiān)測中開展聯合應用，對于全面準確描述水力裂縫擴展和后期演化、評價壓裂效果和產能具有非常重要的意義，筆者根據目前業(yè)界對分布式光纖傳感技術在水力壓裂監(jiān)測中的應用經驗，總結概括聯合監(jiān)測技術思路（表1）。在水力壓裂泵注期間，壓裂本井布置DTS/DAS光纖對壓裂液、支撐劑分布、裂縫開啟、暫堵轉向、級間干擾情況進行分析；相鄰水平井與直井中進行LF-DAS監(jiān)測，通過鄰井應變信息對壓裂沖擊、裂縫形態(tài)、裂縫幾何參數等進行解釋；在壓后生產階段，主要通過本井DTS/DAS/DSS-RFS光纖監(jiān)測射孔簇處的裂縫有效性及演化情況，對縫網復雜性做出評價，根據DTS/DAS聯合解釋反演生產剖面等。由于不同光纖監(jiān)測技術所對應的機理、解釋模型和軟件的研究發(fā)展情況不同，如何將以上過程進行更有效的整合形成更加系統性的方法需要進一步的研究工作。

水力壓裂分布式光纖傳感監(jiān)測技術已成為頁巖、致密砂巖等非常規(guī)油氣儲層開發(fā)的重要手段，在壓裂工藝、裂縫擴展、鄰井干擾、壓后效果評價等諸多方面提供了重要的實時數據和解釋結果，也為水力壓裂裂縫擴展、儲層滲流和井筒流動等方面的機理研究提供了新的視角。

DAS鄰井應變率監(jiān)測和DSS-RFS本井應變監(jiān)測能夠直接反饋裂縫擴展和裂縫演化過程中的相關應變，今后將成為水力壓裂裂縫評價的重點發(fā)展領域，其理論模型需要儲層滲流模型與巖石力學模型以及裂縫表征方法的進一步緊密結合。

分布式光纖傳感技術在未來的有效應用除了需要準確高效的機理模型外，同時也有賴于大數據處理和深度學習算法與之高度融合，從而實現監(jiān)測過程的數據篩選、模式識別和關鍵參數的快速反演。