一種基于光纖光柵傳感的水壓裂微地震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于振動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖光柵傳感的水壓裂微地震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]水力壓裂是油氣井增產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。它不僅廣泛應(yīng)用于低滲透油氣藏，而且在中、高滲油氣藏的增產(chǎn)改造中取得了很好的效果。它利用地面高壓泵將流體以大大超過地層吸收能力的排量注入井中，在井中預(yù)定位置憋起高壓。當(dāng)此壓力大于附近的地應(yīng)力和地層巖石抗張強(qiáng)度時(shí)，在預(yù)定位置附近產(chǎn)生裂縫以增加油氣的滲透?jìng)鬏斈芰?。在巖石等脆性材料的破裂過程中，一般伴隨著聲、電磁和變形等物理現(xiàn)象，其中聲發(fā)射是一種常見的物理現(xiàn)象。當(dāng)巖石受外力或內(nèi)力作用產(chǎn)生變形或斷裂時(shí)，就以彈性波形式釋放出應(yīng)力應(yīng)變能，這一現(xiàn)象被稱為微地震現(xiàn)象。
[0003]所謂微地震壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)就是監(jiān)測(cè)水力壓裂過程中地下巖石破裂所產(chǎn)生的微地震信號(hào)，通過數(shù)據(jù)處理和解釋，描述壓裂過程中裂縫產(chǎn)生的幾何形狀和空間展布，繪制裂縫發(fā)育的方向、變化和發(fā)育程度，為油氣和非常規(guī)氣開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。
[0004]在壓裂現(xiàn)場(chǎng)，強(qiáng)烈的機(jī)械噪音和其他環(huán)境噪音干擾使得微地震信號(hào)難以檢測(cè)。通過在室內(nèi)模擬壓裂實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)巖石壓裂裂縫擴(kuò)展的實(shí)際物理過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且對(duì)形成的裂縫進(jìn)行直接觀察，從而得到裂縫微地震信號(hào)真實(shí)的特性。這對(duì)于正確認(rèn)識(shí)特定層位水力裂縫擴(kuò)展的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上建立更貼近實(shí)際的數(shù)值模型具有重要的意義。
[0005]一個(gè)完整的室內(nèi)模擬壓裂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)能做到:
[0006]①能模擬井中巖石在在一定范圍內(nèi)不同深度的受三軸壓力的受力環(huán)境；
[0007]②注入流體的注入速度應(yīng)該根據(jù)需要可調(diào)可控，在巖石滲透率大時(shí)需要快速注入，反之需要慢速注入；
[0008]③在可能的范圍內(nèi)，能夠測(cè)試的巖石就可能大，越大與實(shí)際情況約接近；
[0009]④微地震信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)盡可能多，檢測(cè)傳感器應(yīng)具有靈敏度高、寬頻帶、尺寸小和易于安裝；
[0010]由于各方面的原因，現(xiàn)有的進(jìn)行水力壓裂模擬實(shí)驗(yàn)的微震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不能滿足上面的全部要求，因此仿真度較低。其中一個(gè)重要原因是檢測(cè)微地震信號(hào)的傳感器體積相對(duì)較大，在三軸壓力加入后，傳感器的不好安裝或安裝個(gè)數(shù)多后影響三軸壓力效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的難題，提供一種基于光纖光柵傳感的水壓裂微地震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過采用光纖光柵傳感器等技術(shù)構(gòu)建一種新的水壓裂微地震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對(duì)實(shí)驗(yàn)巖石施加三軸壓力、進(jìn)行可控水壓裂并用光纖光柵傳感器對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行高密度、寬頻帶采集，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)真實(shí)模擬野外水壓裂微地震信號(hào)的產(chǎn)生過程和采集過程。
[0012]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0013]一種基于光纖光柵傳感的水壓裂微地震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括:三軸壓力裝置、水壓裂裝置和光纖光柵檢測(cè)裝置；
[0014]被測(cè)模型安裝在三軸壓力裝置上，在被測(cè)模型內(nèi)部封裝有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管伸出被測(cè)模型外的一端與所述水壓裂裝置連接；
[0015]所述光纖光柵檢測(cè)裝置上的光纖光柵傳感器設(shè)置在所述被測(cè)模型的表面上。
[0016]所述三軸壓力裝置包括:X軸、Y軸、Z軸以及用于分別驅(qū)動(dòng)X軸、Y軸、Z軸的X軸液壓驅(qū)動(dòng)裝置、Y軸液壓驅(qū)動(dòng)裝置和Z軸液壓驅(qū)動(dòng)裝置，在X軸、Y軸、Z軸上分別裝有X軸壓板、Y軸壓板、z軸壓板,在X軸壓板、Y軸壓板和Z軸壓板上均開有細(xì)槽。
[0017]所述三軸壓力裝置包括鏟車、后定梁和頂出氣缸；
[0018]被測(cè)模型被鏟車裝入三軸壓力裝置的壓力倉(cāng)中，通過控制X軸、Y軸、Z軸將被測(cè)模型推入壓緊并加壓直到壓力達(dá)到預(yù)定值；
[0019]導(dǎo)流管從后定梁上開的流體注入孔中伸出，與水壓裂裝置的流體輸出管相接以便輸入高壓流體；
[0020]所述頂出氣缸用于將被測(cè)模型從壓力倉(cāng)中頂出。
[0021]所述水壓裂裝置采用恒速恒壓泵；
[0022]恒速恒壓泵將水加壓經(jīng)過導(dǎo)流管加注到被測(cè)模型內(nèi)部并最終使其破裂。
[0023]所述光纖光柵檢測(cè)裝置包括:FP激光器，環(huán)形器，密集波分復(fù)用器，光電探測(cè)器，Α/D轉(zhuǎn)換器、光纖光柵傳感器和計(jì)算機(jī)；
[0024]所述FP激光器與所述環(huán)形器的第一端口連接，所述環(huán)形器的第二端口與所述光纖光柵傳感器的一端連接；所述環(huán)形器的第三端口與所述密集波分復(fù)用器連接；
[0025]所密集波分復(fù)用器與所述光電探測(cè)器連接，所述光電探測(cè)器與Α/D轉(zhuǎn)換器連接，所述Α/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)連接。
[0026]所述光纖光柵傳感器采用在一根光纖上雕刻多個(gè)光纖光柵而制成，或者利用光纖將多個(gè)光纖光柵依次串聯(lián)而制成。
[0027]所述光纖光柵傳感器粘貼在被測(cè)模型的表面上，粘貼光纖光柵傳感器的位置與X軸壓板、Y軸壓板或Z軸壓板上的細(xì)槽對(duì)應(yīng)，當(dāng)X軸壓板、Y軸壓板或Z軸壓板壓緊被測(cè)模型時(shí)，所述光纖光柵傳感器位于細(xì)槽中。
[0028]所述FP激光器輸出多波長(zhǎng)激光。
[0029]每只光纖光柵的設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng)與FP激光器的輸出波長(zhǎng)相匹配，即一個(gè)光纖光柵對(duì)應(yīng)FP激光器的一個(gè)輸出波長(zhǎng)；
[0030]每個(gè)輸出波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)一個(gè)光電探測(cè)器，Α/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集卡的每個(gè)通道連接一路信號(hào)。
[0031]所述FP激光器輸出的激光通過環(huán)形器的第一端口進(jìn)入環(huán)形器，然后從環(huán)形器的第二端口進(jìn)入光纖光柵傳感器，光纖光柵傳感器反射的信號(hào)經(jīng)過環(huán)形器的第二端口進(jìn)入環(huán)形器，再?gòu)沫h(huán)形器的第三端口輸出，進(jìn)入密集波分復(fù)用器，密集波分復(fù)用器將光纖光柵傳感器反射的波分復(fù)用信號(hào)分離后輸入到光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將解調(diào)后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過Α/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理及顯示。
[0032]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:通過該系統(tǒng)進(jìn)行的室內(nèi)微地震實(shí)驗(yàn)以及后期處理，可以弄清楚水力壓裂巖石破裂規(guī)律與巖石所受力的關(guān)系，可以知道巖石破裂產(chǎn)生的微地震波的特征、頻率、能量等參數(shù)，對(duì)裂縫方位、形態(tài)和延伸情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和描述，這些數(shù)據(jù)可用于裂縫形態(tài)的研究分析并用于指導(dǎo)野外三維微地震勘探。
【附圖說明】
[0033]圖1是三軸壓力示意圖
[0034]圖2是壓板開槽
[0035]圖3是水壓裂工作原理
[0036]圖4是光纖光柵傳感方法。
[0037]圖5是本方法所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
[0038]圖6-1是實(shí)施例中采集到的第一道微地震信號(hào)
[0039]圖6-2是實(shí)施例中采集到的第二道微地震信號(hào)
[0040]圖6-3是實(shí)施例中采集到的第三道微地震信號(hào)
[0041]圖6-4是實(shí)施例中采集到的第四道微地震信號(hào)
[0042]圖6-5是實(shí)施例中采集到的第五道微地震信號(hào)
[0043]圖6-6是實(shí)施例中采集到的第六道微地震信號(hào)
[0044]圖6-7是實(shí)施例中采集到的第七道微地震信號(hào)
[0045]圖6-8是實(shí)施例中采集到的第八道微地震信號(hào)
【具體實(shí)施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0047]如圖5所示，本發(fā)明基于光纖光柵傳感器的水壓裂微地震模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三部分組成，即三軸壓力裝置501、水壓裂裝置503和光纖光柵檢測(cè)裝置504。
[0048]①三軸壓力裝置δΟΙ
[0049]三軸壓力裝置如圖1所示，包括:X，Y, Z,三軸液壓驅(qū)動(dòng)裝置101，102，103，X軸壓板104,被測(cè)試模型105,可以是水泥塊或巖石,1 產(chǎn)車106,后定梁107,頂出氣缸108,測(cè)試模型導(dǎo)流管111。在三個(gè)軸上分別加上壓板，便于光柵檢測(cè)，圖1上只標(biāo)注了 X軸壓板，Y、Z軸都有壓板，而且在壓板上都開有細(xì)槽。
[0050]由三個(gè)相互垂直101，102，103可獨(dú)立控制的壓力系統(tǒng)組成。它們從三個(gè)相互垂直方向?qū)y(cè)試巖石105施壓，其目的不是將巖石壓壞，而是模擬巖石在地層中的受壓環(huán)境。從圖1可以看出，被測(cè)巖石被鏟車106裝入，通過控制三軸壓機(jī)的三軸101，102，103可將巖石或水泥塊推入壓緊并加壓直到壓力達(dá)到預(yù)定值。圖中111是插入巖石或水泥塊并粘接封好的導(dǎo)流管，當(dāng)巖石或水泥塊推到位后，導(dǎo)流管111從后定梁107上打的孔中伸出，可與水壓裂部分的流體輸出管309相接以便輸入高壓流體。圖中頂出氣缸108的作用是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將巖石從壓力倉(cāng)中頂出。104是X軸壓板，圖中Υ、Ζ軸也有壓板。
[0051]該部分最大壓力為20兆帕
[0052]最大測(cè)試巖石幾何尺寸為800x600x600毫米
[0053]一般這種裝置都是根據(jù)用戶的要求特制的。三軸壓力裝置有多種，適應(yīng)不同壓力和測(cè)試巖石尺寸，使用本系統(tǒng)時(shí)可以根據(jù)需要選用其它三軸壓力裝置。另外通過改變壓板104大小和增加墊板也可對(duì)不同尺寸的測(cè)試模型施壓。
[0054]圖2是該裝置的壓板圖，201，202，203分別對(duì)應(yīng)三軸壓力裝置的X，Y, Z軸的壓板。
[0055]②水壓裂裝置503
[0056]如圖3所示，水壓裂裝置的主要功能是將水加壓通過導(dǎo)流管309加注到巖石內(nèi)部最終使巖石311破裂。它主要由輸入閥303，304、輸出閥305，306和活塞泵301，302組成?；钊玫墓ぷ髟硎窍葘⑺?10注入到泵體內(nèi)，然后根據(jù)需要，按預(yù)定速度輸出。為了保證加壓過程不會(huì)因水輸出完，重新注入泵體時(shí)中斷，采用了兩組并行工作方式。當(dāng)301輸出加壓時(shí),302輸入水；301壓完后,302自動(dòng)投入。這樣就避免了由于巖石本身的滲透，壓力加不上的問題。為防止超壓，該部分配有過壓閥(308)。307是壓力檢測(cè)表。
[0057]水壓裂裝置503采用KD-240 (江蘇珂地石油儀器有限公司的產(chǎn)品)雙缸恒速恒壓泵。該泵為立式雙缸雙伺服電機(jī)形式，自動(dòng)控制，內(nèi)部設(shè)計(jì)有單板機(jī)，控制自成一體，不依賴其他計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，