基于分布式光纤传感的地下应力测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于地应力测量技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感的地下应力测量装置及测量方法。

背景技术

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。

井下光纤传感系统可以用于井下进行应力、应变、压力、温度、噪声、振动、声波、地震波、流量、组分分析、电场和磁场的测量。该系统以全铠装光缆结构为基础，传感器和连接及数据传输缆都用光纤制成。

目前地应力测量方法较多，包括水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法等直接测量法，和套芯应力解除法、应变恢复法等间接测量法。

直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。

直接测量法主要包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法。间接测量法不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的理论公式或经验公式来计算岩体中的应力值。因此，在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。

其中水压致裂地应力测量方法在岩体内进行原位测量，在无需获取相关岩石力学参数的情况下直接测量岩体内的应力状态，具有对原岩结构应力场扰动小、设备简单、操作方便、测值代表性强、适应性好等优点，普遍应用于各类岩土工程的地应力测量，尤其是在深部岩体工程的地应力测量中被广泛采用。

水压致裂法是测量地壳深层岩体地应力状态的一种有效方法，对地应力测量的测试原理基于三个基本假设：(1)地壳岩石是线性均匀、各向同性的弹性体；(2)岩石为多孔介质时，流体在孔隙内的流动符合达西定律；(3)主应力方向中有一个应力方向与钻孔的轴向平行。向封闭的钻孔内注入高压水，当压力达到最大值P

发明内容

本发明提出了使用钻孔内安装完毕的金属套管，金属套管内壁布设的铠装光缆，安装在井下的分隔器，用于给井下加注高压水的注水管柱，以及放置于井口附近的分布式光纤压力传感/分布式光纤温度传感(DPS/DTS)复合调制解调仪器组成基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，利用水压致裂法沿井筒逐点测量不同深度的二维地应力场(σ

本发明的目的是克服现有井下地应力测量技术的不足，提出了把铠装光缆布设在金属套管内壁上，利用水压致裂地应力测量方法，构建了一个基于分布式光纤传感的井下岩层地应力分布变化的测量系统，长期实时监测和测量地下应力对井下套管和井下各种工具及管线可能造成的损害或破坏，是为保证油气生产井、注水井和监测或观察井长期稳定安全可靠的工作提供不可缺少的手段、系统和方法。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案为：

基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，包括安装在钻孔内的金属套管，所述的金属套管内壁布设有铠装光缆；所述的铠装光缆包括至少一根以上的耐高温压力敏感光缆和至少两根以上的耐高温多模光纤；

还包括安装在井下的至少两个分隔器，两个分隔器之间为密封的地应力测量井段；还包括用于给井下地应力测量井段加注高压水的注水管柱，用于给地应力测量井段提供高压水源的高压泵车；注水管柱与高压泵车相连接；

还包括放置于井口附近的DPS/DTS复合调制解调仪器，所述的DPS/DTS复合调制解调仪器分别与铠装光缆内的耐高温压力敏感光缆和耐高温多模光纤相连接。

所述的DPS/DTS复合调制解调仪器为分布式光纤压力传感和分布式光纤温度传感复合调制解调仪器，包括数据采集模块与调制解调模块。

所述的耐高温压力敏感光缆内部为耐高温单模或耐高温特种压力敏感光纤，所述的耐高温压力光缆和耐高温多模光纤外分别封装在连续的第一金属细管和第二金属细管内。

所述的耐高温压力敏感光缆内是单模压力敏感光纤，或者是间距小于1米的高密度的连续光栅光纤，或者是间距1米到5米之间三维的高密度阵列式法泊腔压力传感器光纤。

所述的第一金属细管和第二金属细管外还缠绕单层或多层的保护用铠装钢丝。

所述的第一金属细管内安置有用耐高温高强度复合材料紧密包裹或用注塑机一次成型包裹光纤制作的耐高温压力敏感光缆，紧密贴壁密封在第一金属细管内，耐高温压力敏感光缆的尾端安装消光器，用于消除从光纤尾端反射回光纤的强光。

所述的第二金属细管内还设有耐高温光纤膏。

所述的安装在井下的分隔器是充压膨胀式的，充压介质为液体或气体。

所述的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(a)、在井下所有需要进行地应力测量的深度位置进行将金属套管射穿的射孔作业；

(b)、在金属套管内缓慢的下入铠装光缆，使其紧贴金属套管的内壁；在井口处把铠装光缆内的耐高温压力敏感光缆连接到DPS/DTS复合调制解调仪器的DPS信号输入端，在铠装光缆的尾端把两根耐高温多模光纤熔接在一起形成U形结构，在铠装光缆的顶端把两根耐高温多模光纤连接到DPS/DTS复合调制解调仪器的TDS双端信号输入端；

(c)、在需要进行地应力测量的深度位置上下分别布设两个分隔器并向分隔器内充水或充气直至完全隔断与两个分隔器以外井段的流体交换；

(d)、通过注水管柱向两个分隔器之间的地应力测量井段加注高压水；

(e)、不断加大注水压力，直至金属套管外部的岩石开始破裂，DPS/DTS复合调制解调仪器对地应力测量井段的铠装光缆内的耐高温压力敏感光缆上由于压力变化引起的背向瑞利散射光的相位变化进行解调，获得岩石初始开裂压力P

(f)、继续加大注水压力以扩张岩石裂隙，当裂隙扩张至三倍井孔直径的深度时，停止高压注水，保持水压恒定，DPS/DTS复合调制解调仪器测量此时的关闭压力P

(g)、在整个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，确定P

(h)、重新向地应力测量井段内加注高压水，使岩石裂隙重新打开，DPS/DTS复合调制解调仪器同时测量裂隙重开时的压力P

(i)、重复此卸压-重新加压的过程2～3次，提高压力测量数据的准确性；

(j)在整个重复卸压-重新加压的过程中，同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，确定P

(j)、利用耐高温多模光纤和DPS/DTS复合调制解调仪器实时监测和测量全井段金属套管内的温度变化，根据监测和测量到的金属套管内地应力测量井段内的温度变化数据，由应变ε或温度t响应得到光谱漂移类似于共振波的漂移Δλ或布喇格光栅的光谱漂移Δυ，利用公式：

Δλ/λ＝-Δυ/υ＝K

其中，λ和υ分别为平均光波长和频率；K

使用具体测量位置的温度值进行因温度变化而导致的光纤中散射光光谱的漂移对DPS测量的数据进行改正，获得消除了温度影响的真实的金属套管内地应力测量井段内的压力值；

(k)、地应力测量深度分隔段处的裂隙水压力为P

由以上的后两个公式求取二维地应力σ

本发明提供的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置及测量方法，为低成本、高精度、高可靠性的井下全井段岩层内地应力分布变化的测量和动态变化监测方法和技术。本发明提出了使用钻孔内安装完毕的金属套管，金属套管内壁布设的铠装光缆，安装在井下的分隔器，用于给井下加注高压水的注水管柱，以及放置于井口附近的分布式光纤压力传感/分布式光纤温度传感(DPS/DTS)复合调制解调仪器共同组成的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，利用水压致裂方法沿井筒逐点测量不同深度的二维地应力场(σ

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是本发明的金属套管和铠装光缆结构示意图。

图3是本发明的铠装光缆内部结构(横截面)示意图。

图4是本发明的压裂过程泵压变化及特征压力示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施方式，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。

本发明的一种基于分布式光纤传感的井下岩层的地应力分布监测系统的具体实施方式，如下所示：

如图1所示，基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，包括钻孔内安装完毕的金属套管1，金属套管1内壁布设有铠装光缆2，放置于井口附近的DPS/DTS复合调制解调仪器3；安装在井下的分隔器6，用于给井下加注高压水的注水管柱7，给井下分隔器密封段提供高压水的高压泵车9。所述的DPS/DTS复合调制解调仪器3分别与铠装光缆2内的耐高温压力敏感光缆4和耐高温多模光纤5相连接。

如图2所示，所述的DPS/DTS复合调制解调仪器3包括分布式光纤压力传感和分布式光纤温度传感(DPS/DTS)的数据采集与调制解调功能。所述的铠装光缆2包括至少一根以上的耐高温压力敏感光缆4和至少两根以上的耐高温多模光纤5，所述的耐高温压力敏感光缆4内部为耐高温单模或耐高温特种压力敏感光纤，所述的耐高温压力光缆4和耐高温多模光纤5外分别封装在连续的第一金属细管41和第二金属细管51内，耐高温压力敏感光缆4的尾端安装消光器8，用于消除从光纤尾端反射回光纤的强光。

所述的耐高温压力敏感光缆4内可以是单模压力敏感光纤，也可以是高密度(间距小于1米)的连续光栅光纤，或者是间距1米到5米之间的高密度阵列式法泊腔压力传感器光纤。

如图3所示，所述的第一金属细管41内安置用耐高温高强度复合材料紧密包裹或用注塑机一次成型包裹光纤制作的耐高温压力敏感光缆4，紧密贴壁密封在第一金属细管41内。所述的封装耐高温多模光纤5的第二金属细管51还设有耐高温光纤膏。所述的第一金属细管41和第二金属细管51外还缠绕单层或多层具有保护功能的铠装钢丝。

所述的分隔器6是充压膨胀式的，充压可以是液体，也可以是气体。

基于分布式光纤传感的地下应力测量装置的测量方法，包括以下步骤：

(a)、在井下所有需要进行地应力测量的深度位置进行将金属套管1射穿的射孔10作业；

(b)、在金属套管1内缓慢的下入铠装光缆2，使其紧贴金属套管1的内壁；在井口处把铠装光缆2内的耐高温压力敏感光缆4连接到DPS/DTS复合调制解调仪器3的DPS信号输入端，在铠装光缆2的尾端把两根耐高温多模光纤5熔接在一起形成U形结构，在铠装光缆2的顶端把两根耐高温多模光纤5连接到DPS/DTS复合调制解调仪器3的DTS双端信号输入端(图2)；

(c)、在需要进行地应力测量的深度位置上下分别布设至少两个分隔器6并向分隔器6内充水或充气直至完全隔断与两个分隔器6以外井段的流体交换；

(d)、通过注水管柱7向分别布设了两个分隔器6的地应力测量井段加注高压水；

(e)、不断加大注水压力，直至套管外部的岩石开始破裂，DPS/DTS复合调制解调仪器3对地应力测量井段铠装光缆2内的耐高温压力敏感光缆4上由于压力变化引起的背向瑞利散射光的相位变化进行解调，获得岩石初始开裂压力P

(f)、继续加大注水压力以扩张岩石裂隙，当裂隙扩张至三倍井孔直径的深度时，关闭高压水系统，保持水压恒定，地面的DPS调制解调仪器测量此时的关闭压力P

(g)、在整个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图(图4)和流量-时间曲线图，确定P

(h)、重新向密封井段内加注高压水，使岩石裂隙重新打开，DPS/DTS复合调制解调仪器3同时测量裂隙重开时的压力P

(i)、重复此卸压-重新加压的过程2～3次，提高压力测量数据的准确性；

(j)在整个重复卸压-重新加压的过程中，同时记录压力-时间曲线图(图4)和流量-时间曲线图，确定P

(j)、利用布设在套管内的铠装光缆2内的耐高温多模光纤5和DPS/DTS复合调制解调仪器3实时监测和测量全井段套管内的温度变化，根据监测和测量到的金属套管1内地应力测量井段内的温度变化数据，对DPS/DTS复合调制解调仪器3测得的压力(应变)数据进行温度校正。

利用分布式光纤传感器进行应变/温度测量时，使用波长扫描干涉法测量背向瑞利散射，并将其作为光纤上与位置有关的函数。光纤中瑞利散射的产生是由于光纤长度方向上的折射率波动所致。散射虽是随机的，但对于给定光纤来说，如果光纤的状态不发生变化，便总是产生同样波长的反射光，这种固有的特性称为光纤的固有纹理信息。如果光纤的某位置因为受到载荷或温度影响而产生变形，那么仅在该位置的反射光波长产生偏差，通过比较变形前、后的反射光，就能确认变形发生在光纤的哪个部位。一般条件下，光纤中散射光光谱的漂移主要是由应变或温度变化引起的。由应变ε或温度t响应得到光谱漂移类似于共振波的漂移Δλ或布喇格光栅的光谱漂移Δυ，即：利用公式：

Δλ/λ＝-Δυ/υ＝K

式中：λ和υ分别为平均光波长和频率；K

使用具体测量位置的温度值进行因温度变化而导致的光纤中散射光光谱的漂移对DPS测量的数据进行改正，获得消除了温度影响的真实的金属套管1内地应力测量井段内的压力值；

(k)、地应力测量深度分隔段处的裂隙水压力为P

P

基于分布式光纤传感的井下地应力测量系统及其测量方法，为低成本、高精度、高可靠性的井下全井段岩层内地应力分布变化的测量和动态变化监测方法和技术。本发明提出了使用钻孔内安装完毕的金属套管，金属套管内壁布设的铠装光缆，安装在井下的分隔器，用于给井下加注高压水的注水管柱，以及放置于井口附近的分布式光纤压力传感/分布式光纤温度传感(DPS/DTS)复合调制解调仪器共同组成的基于分布式光纤传感的地下应力测量装置，利用水压致裂方法沿井筒逐点测量不同深度的二维地应力场(σ