3/02/2021，光纖在線訊，LUNA公司與殼牌GameChanger™早期技術(shù)項目合作，開發(fā)了一項使用LUNA光纖傳感解決方案測量"巖體地應(yīng)力"的創(chuàng)新方法。

這項新技術(shù)——“連續(xù)水平地應(yīng)力測井系統(tǒng)（Continuous Horizontal In-situ Stress Logger，CHISL）”，使用LUNA的ODiSI®分布式光纖傳感系統(tǒng)，對微裂縫和鉆孔變形等現(xiàn)象進(jìn)行直接、高分辨率的應(yīng)變測量，再利用新算法對鉆孔處進(jìn)行應(yīng)變測量，以評估最大和最小水平應(yīng)力及影響。


圖1：CHISL概念

巖體地應(yīng)力測量為什么如此重要？

依賴地下作業(yè)的行業(yè)，如石油和地?zé)峁�業(yè)，需要對地應(yīng)力（在鉆孔施工前就存在于巖體中的應(yīng)力）進(jìn)行準(zhǔn)確評估。地應(yīng)力會影響鉆井、測量和流體注入（水力壓裂、水驅(qū)、二氧化碳封存）以及斷層再活化和誘發(fā)地震等現(xiàn)象。

業(yè)界專家怎么看？

殼牌公司地質(zhì)力學(xué)學(xué)科專家Alexei Savitski認(rèn)為：“可靠的地應(yīng)力評估對于石油和天然氣工業(yè)的許多應(yīng)用至關(guān)重要。例如，頁巖水力壓裂的成功與否在很大程度上取決于其產(chǎn)生的裂縫縫高，而裂縫縫高又受到應(yīng)力隨深度變化的強烈控制。LUNA的技術(shù)能夠以前所未有的分辨率評估應(yīng)力深度剖面，最大水平應(yīng)力是最不確定的地質(zhì)屬性之一，通常需要從其它數(shù)據(jù)推斷得出，CHISL將這種不確定性大幅降低，對于評估斷層再活化和誘發(fā)地震的風(fēng)險至關(guān)重要�！�

GameChanger項目贊助人Haiyong Cai解釋說：“與LUNA合作開發(fā)這項技術(shù)非常符合GameChanger項目的要求，LUNA將這種新型應(yīng)力測量技術(shù)從早期開發(fā)階段提升到了“概念驗證（proof-of-concept）”的水平，使得殼牌能夠提出精確可靠的應(yīng)力測量用案，將有可能大幅提高最終效益�！�

LUNA的CHISL為何與眾不同？

LUNA的“連續(xù)水平地應(yīng)力測井系統(tǒng)（CHISL）”將光纖傳感器集成到一個靈活的液壓套管中向井壁施加壓力，直到形成微小的縱向裂縫。與水力壓裂不同的是，壓裂液流入裂縫并確保裂縫在遠(yuǎn)離鉆孔的地方延長，不會將液體流入誘發(fā)性裂縫導(dǎo)致斷裂。CHISL能夠提供新類型的測量數(shù)據(jù)，可用于提高安全性、生產(chǎn)效率和未來地質(zhì)工程系統(tǒng)的優(yōu)化。與傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)相比，未來的現(xiàn)場作業(yè)將使用加固型傳感器更高效的對前所未有的鉆孔長度進(jìn)行測量。這項技術(shù)，除了用于水力壓裂法對巖層應(yīng)力剖面分析外，還可應(yīng)用于油井蓋層完整性傳感和復(fù)雜油井的優(yōu)化鉆井。

CHISL概念驗證實驗

我們在當(dāng)?shù)氐囊粋�石灰?guī)r采石場對CHISL系統(tǒng)的斷裂傳感能力進(jìn)行試驗（圖2），通過鉆取一個HQ大�。ㄣ@孔直徑96mm，巖芯直徑63.5mm）的淺鉆孔，采用巴西圓盤試樣測試，得出巖石的抗拉強度為3,100 psi。



在CHISL作業(yè)前/后使用壓裂封隔器，驗證測試前/后的斷裂狀態(tài)，經(jīng)過測量，我們發(fā)現(xiàn)并記錄了一個自然存在的水平斷裂。當(dāng)CHISL組件膨脹時，在井壁的應(yīng)變圖中可以看到相同的水平裂縫，如圖3所示。繪圖的x軸是沿鉆孔的深度，y軸是圍繞圓柱形CHISL傳感器圓周的極角。彩色繪圖顯示了嵌入式光纖傳感器每個位置監(jiān)測到的應(yīng)變水平。


圖3：水平裂縫監(jiān)測圖

對CHISL傳感器進(jìn)一步加壓后，水平裂縫下方和上方出現(xiàn)了雙翼裂縫，在不同角度的井壁上施加的壓力不同，如圖4所示。


圖4：最小應(yīng)力裂縫發(fā)生在水平裂縫兩側(cè)的不同壓力和方向。

圖表中的彩色部分代表了應(yīng)變對壓力增加的導(dǎo)數(shù)，有助于識別壓力升高時應(yīng)變的快速增長位置。在水平隔層下方，壓力為2,500 psi時，裂縫產(chǎn)生在90°和270°位置；在水平隔層上方的地層，壓力為3,700 psi時，裂縫產(chǎn)生在180°和330°位置。在1 m傳感區(qū)域內(nèi)，有足夠的空間分辨率來檢測單個裂縫的開口、長度以及沿孔深應(yīng)力方向的變化，甚至可以同時測量兩個不同的地層。

用CHISL傳感器對鉆孔進(jìn)一步加壓，直到4,900 psi的壓力下出現(xiàn)雙裂縫，如圖5所示。270°處的新裂縫位于低壓下產(chǎn)生的雙翼裂縫間約90°的位置。同時觀測到330°處的裂縫減少，在0°處出現(xiàn)了較長的新裂縫。根據(jù)理論，這種新裂縫與巖層中最大地應(yīng)力有關(guān)。


圖5：高分辨率光纖傳感器觀測到的雙重斷裂

下一個關(guān)鍵步驟是將這些局部測量值與遠(yuǎn)場應(yīng)力狀態(tài)聯(lián)系起來，LUNA與合作伙伴團(tuán)隊開發(fā)了全新算法，可以根據(jù)高分辨率光纖傳感器數(shù)據(jù)計算出遠(yuǎn)場應(yīng)力狀態(tài)。以如此高的空間分辨率和實時的可視化，監(jiān)測巖體裂縫演變狀況是前所未有的。

實驗證明，CHISL系統(tǒng)有能力產(chǎn)生、測量并可視化對應(yīng)于最小和最大水平應(yīng)力的巖體裂縫。部署后，該技術(shù)將提供具有業(yè)界領(lǐng)先的一致性和深度分辨率的關(guān)鍵測量，從而實現(xiàn)更安全、更高效的油井作業(yè)。

關(guān)于LUNA ODiSI分布式光纖傳感系統(tǒng)

ODiSI系列是一種基于OFDR技術(shù)，使用單模光纖作為傳感器的創(chuàng)新型測試系統(tǒng)，為先進(jìn)材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)測試提供全新解決方案。ODiSI系列分布式光纖傳感測試系統(tǒng)，具有毫米級空間分辨率，使用單模光纖，使之成為具有連續(xù)測試點的傳感器，高空間分辨率能夠幫助繪制應(yīng)變/溫度云圖，在測試過程中實時顯示。光纖傳感器柔韌性好，體積小，不需要電源激勵，能夠粘貼固定在結(jié)構(gòu)表面，尤其是大曲率結(jié)構(gòu)表面；能夠嵌入在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，或者直接安裝在電氣結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。



關(guān)鍵特性

多通道分布式實時應(yīng)變和溫度測試，毫米級空間分辨率，專業(yè)級測試系統(tǒng)
柔韌性好，質(zhì)量輕，安裝方便，提高測試效率
無源傳感器，抗腐蝕，絕緣，能夠鋪設(shè)在傳統(tǒng)傳感器不能布置的地方，如：彎角、角落、嵌入到材料中
傳感器壽命長，無漂移，無需重新校準(zhǔn)，壽命循環(huán)大于1億次
應(yīng)變量程大，空間分辨率高，可用于測量復(fù)雜應(yīng)變場和大的應(yīng)變梯度
系統(tǒng)內(nèi)置NIST標(biāo)準(zhǔn)氣室，連續(xù)自動校準(zhǔn)，無需中斷測試
IEEE 1588 PTP網(wǎng)絡(luò)時間同步

應(yīng)用領(lǐng)域

研究新材料或復(fù)雜結(jié)構(gòu)的內(nèi)/外應(yīng)變特性，加速研發(fā)進(jìn)程
測試溫度分布，優(yōu)化嚴(yán)酷環(huán)境下的熱設(shè)計和熱管理
測量二維或三維結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布，驗證FE模型
評估多種材料連接部位力學(xué)性能
埋入光纖傳感器，制作智能結(jié)構(gòu)