不同倾角水力裂缝扩展的邻井光纤监测信号特征研究

考虑到目前光纤信号解释模型均以垂直裂缝为基础,当地层中发育天然裂缝与层理面,将使得水力裂缝在扩展中发生倾斜;其光纤监测信号也将与垂直裂缝产生差异,使得现有光纤信号解释模型不再适用。为此,本文建立了三维倾斜裂缝扩展力学模型,考虑裂缝扩展过程中的拉伸和剪切力学行为,并采用有限元方法进行求解,与Liu和Wu提出的非连续位移方法对比,模拟垂直裂缝扩展条件下的光纤信号特征一致,验证了本文模型的正确性。本文研究了有倾角水力裂缝扩展过程中,不同倾角、倾斜方向、裂缝高度、光纤监测距离和原始地应力状态对光纤应变和应变率的影响。分析发现:倾斜水力裂缝扩展时,邻井光纤监测的应变率瀑布图出现红蓝条带,当水力裂缝倾角处于30~55°时,出现对称的红蓝应变椭圆和红蓝应变率条带。随着倾斜水力裂缝持续扩展,倾斜裂缝击中光纤,应变率瀑布图出现多个心形区。当裂缝倾斜方向发生变化时,光纤监测的应变和应变率瀑布图也能够反映水力裂缝的倾斜方向。随着水力裂缝高度增加,应变率瀑布图红色条带宽度增大,为我们依据光纤监测解释裂缝高度提供了思路。对于同样形态和尺寸的水力裂缝,不同原始应力状态下的光纤监测信号具有明显的差异,其中,正断层应力状态下的光纤监测信号具有最为明显的条带特征。在本文计算条件下,随着光纤监测距离每增加100 m,光纤监测到的应变和应变率信号强度减小一个数量级。本文研究对通过邻井光纤信号解释水力裂缝形态、尺寸,进而指导邻井光纤布置具有重要指导意义。