一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于振动检测领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统。
【背景技术】
[0002]水力压裂是油气井增产的一项重要技术措施。它不仅广泛应用于低渗透油气藏，而且在中、高渗油气藏的增产改造中取得了很好的效果。它利用地面高压泵将流体以大大超过地层吸收能力的排量注入井中，在井中预定位置憋起高压。当此压力大于附近的地应力和地层岩石抗张强度时，在预定位置附近产生裂缝以增加油气的渗透传输能力。在岩石等脆性材料的破裂过程中，一般伴随着声、电磁和变形等物理现象，其中声发射是一种常见的物理现象。当岩石受外力或内力作用产生变形或断裂时，就以弹性波形式释放出应力应变能，这一现象被称为微地震现象。
[0003]所谓微地震压裂监测技术就是监测水力压裂过程中地下岩石破裂所产生的微地震信号，通过数据处理和解释，描述压裂过程中裂缝产生的几何形状和空间展布，绘制裂缝发育的方向、变化和发育程度，为油气和非常规气开发提供科学依据。
[0004]在压裂现场，强烈的机械噪音和其他环境噪音干扰使得微地震信号难以检测。通过在室内模拟压裂实验，可以对岩石压裂裂缝扩展的实际物理过程进行监测，并且对形成的裂缝进行直接观察，从而得到裂缝微地震信号真实的特性。这对于正确认识特定层位水力裂缝扩展的机理，并在此基础上建立更贴近实际的数值模型具有重要的意义。
[0005]一个完整的室内模拟压裂实验系统应能做到:
[0006]①能模拟井中岩石在在一定范围内不同深度的受三轴压力的受力环境；
[0007]②注入流体的注入速度应该根据需要可调可控，在岩石渗透率大时需要快速注入，反之需要慢速注入；
[0008]③在可能的范围内，能够测试的岩石就可能大，越大与实际情况约接近；
[0009]④微地震信号检测点尽可能多，检测传感器应具有灵敏度高、宽频带、尺寸小和易于安装；
[0010]由于各方面的原因，现有的进行水力压裂模拟实验的微震模拟实验系统不能满足上面的全部要求，因此仿真度较低。其中一个重要原因是检测微地震信号的传感器体积相对较大，在三轴压力加入后，传感器的不好安装或安装个数多后影响三轴压力效果。
【发明内容】
[0011]本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，通过采用光纤光栅传感器等技术构建一种新的水压裂微地震模拟实验系统。该系统通过对实验岩石施加三轴压力、进行可控水压裂并用光纤光栅传感器对微震信号进行高密度、宽频带采集，可在实验室内真实模拟野外水压裂微地震信号的产生过程和采集过程。
[0012]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0013]一种基于光纤光栅传感的水压裂微地震模拟实验系统，包括:三轴压力装置、水压裂装置和光纤光栅检测装置；
[0014]被测模型安装在三轴压力装置上，在被测模型内部封装有导流管，导流管伸出被测模型外的一端与所述水压裂装置连接；
[0015]所述光纤光栅检测装置上的光纤光栅传感器设置在所述被测模型的表面上。
[0016]所述三轴压力装置包括:X轴、Y轴、Z轴以及用于分别驱动X轴、Y轴、Z轴的X轴液压驱动装置、Y轴液压驱动装置和Z轴液压驱动装置，在X轴、Y轴、Z轴上分别装有X轴压板、Y轴压板、z轴压板,在X轴压板、Y轴压板和Z轴压板上均开有细槽。
[0017]所述三轴压力装置包括铲车、后定梁和顶出气缸；
[0018]被测模型被铲车装入三轴压力装置的压力仓中，通过控制X轴、Y轴、Z轴将被测模型推入压紧并加压直到压力达到预定值；
[0019]导流管从后定梁上开的流体注入孔中伸出，与水压裂装置的流体输出管相接以便输入高压流体；
[0020]所述顶出气缸用于将被测模型从压力仓中顶出。
[0021]所述水压裂装置采用恒速恒压泵；
[0022]恒速恒压泵将水加压经过导流管加注到被测模型内部并最终使其破裂。
[0023]所述光纤光栅检测装置包括:FP激光器，环形器，密集波分复用器，光电探测器，Α/D转换器、光纤光栅传感器和计算机；
[0024]所述FP激光器与所述环形器的第一端口连接，所述环形器的第二端口与所述光纤光栅传感器的一端连接；所述环形器的第三端口与所述密集波分复用器连接；
[0025]所密集波分复用器与所述光电探测器连接，所述光电探测器与Α/D转换器连接，所述Α/D转换器与计算机连接。
[0026]所述光纤光栅传感器采用在一根光纤上雕刻多个光纤光栅而制成，或者利用光纤将多个光纤光栅依次串联而制成。
[0027]所述光纤光栅传感器粘贴在被测模型的表面上，粘贴光纤光栅传感器的位置与X轴压板、Y轴压板或Z轴压板上的细槽对应，当X轴压板、Y轴压板或Z轴压板压紧被测模型时，所述光纤光栅传感器位于细槽中。
[0028]所述FP激光器输出多波长激光。
[0029]每只光纤光栅的设计中心波长与FP激光器的输出波长相匹配，即一个光纤光栅对应FP激光器的一个输出波长；
[0030]每个输出波长对应一个光电探测器，Α/D转换及数据采集卡的每个通道连接一路信号。
[0031]所述FP激光器输出的激光通过环形器的第一端口进入环形器，然后从环形器的第二端口进入光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射的信号经过环形器的第二端口进入环形器，再从环形器的第三端口输出，进入密集波分复用器，密集波分复用器将光纤光栅传感器反射的波分复用信号分离后输入到光电探测器，光电探测器将解调后的光信号转换成电信号，通过Α/D转换进行数据采集后，送至计算机进行处理及显示。
[0032]与现有技术相比，本发明的有益效果是:通过该系统进行的室内微地震实验以及后期处理，可以弄清楚水力压裂岩石破裂规律与岩石所受力的关系，可以知道岩石破裂产生的微地震波的特征、频率、能量等参数，对裂缝方位、形态和延伸情况进行监测和描述，这些数据可用于裂缝形态的研究分析并用于指导野外三维微地震勘探。
【附图说明】
[0033]图1是三轴压力示意图
[0034]图2是压板开槽
[0035]图3是水压裂工作原理
[0036]图4是光纤光栅传感方法。
[0037]图5是本方法所用装置的结构示意图
[0038]图6-1是实施例中采集到的第一道微地震信号
[0039]图6-2是实施例中采集到的第二道微地震信号
[0040]图6-3是实施例中采集到的第三道微地震信号
[0041]图6-4是实施例中采集到的第四道微地震信号
[0042]图6-5是实施例中采集到的第五道微地震信号
[0043]图6-6是实施例中采集到的第六道微地震信号
[0044]图6-7是实施例中采集到的第七道微地震信号
[0045]图6-8是实施例中采集到的第八道微地震信号
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0047]如图5所示，本发明基于光纤光栅传感器的水压裂微地震模拟实验系统主要由三部分组成，即三轴压力装置501、水压裂装置503和光纤光栅检测装置504。
[0048]①三轴压力装置δΟΙ
[0049]三轴压力装置如图1所示，包括:X，Y, Z,三轴液压驱动装置101，102，103，X轴压板104,被测试模型105,可以是水泥块或岩石,1 产车106,后定梁107,顶出气缸108,测试模型导流管111。在三个轴上分别加上压板，便于光栅检测，图1上只标注了 X轴压板，Y、Z轴都有压板，而且在压板上都开有细槽。
[0050]由三个相互垂直101，102，103可独立控制的压力系统组成。它们从三个相互垂直方向对测试岩石105施压，其目的不是将岩石压坏，而是模拟岩石在地层中的受压环境。从图1可以看出，被测岩石被铲车106装入，通过控制三轴压机的三轴101，102，103可将岩石或水泥块推入压紧并加压直到压力达到预定值。图中111是插入岩石或水泥块并粘接封好的导流管，当岩石或水泥块推到位后，导流管111从后定梁107上打的孔中伸出，可与水压裂部分的流体输出管309相接以便输入高压流体。图中顶出气缸108的作用是实验结束后将岩石从压力仓中顶出。104是X轴压板，图中Υ、Ζ轴也有压板。
[0051]该部分最大压力为20兆帕
[0052]最大测试岩石几何尺寸为800x600x600毫米
[0053]一般这种装置都是根据用户的要求特制的。三轴压力装置有多种，适应不同压力和测试岩石尺寸，使用本系统时可以根据需要选用其它三轴压力装置。另外通过改变压板104大小和增加垫板也可对不同尺寸的测试模型施压。
[0054]图2是该装置的压板图，201，202，203分别对应三轴压力装置的X，Y, Z轴的压板。
[0055]②水压裂装置503
[0056]如图3所示，水压裂装置的主要功能是将水加压通过导流管309加注到岩石内部最终使岩石311破裂。它主要由输入阀303，304、输出阀305，306和活塞泵301，302组成。活塞泵的工作原理是先将水310注入到泵体内，然后根据需要，按预定速度输出。为了保证加压过程不会因水输出完，重新注入泵体时中断，采用了两组并行工作方式。当301输出加压时,302输入水；301压完后,302自动投入。这样就避免了由于岩石本身的渗透，压力加不上的问题。为防止超压，该部分配有过压阀(308)。307是压力检测表。
[0057]水压裂装置503采用KD-240 (江苏珂地石油仪器有限公司的产品)双缸恒速恒压泵。该泵为立式双缸双伺服电机形式，自动控制，内部设计有单板机，控制自成一体，不依赖其他计算机实现控制，