水力压裂分布式光纤传感

联合监测技术研究进展

隋微波1,2  温长云3  孙文常4  李俊卫1  郭 欢1  杨艳明1 宋佳忆1

1. 中国石油大学（北京）石油工程学院

2. 中国石油大学（北京）人工智能学院

3. 北京知觉科技有限公司

4. 中石化江汉石油工程有限公司

页岩气开采技术服务公司

近年来，随着油气地质理论的突破创新和工程技术的进步，中国陆相页岩油气、致密油气勘探开发都取得了重大突破。从美国、中国的非常规油气开发经验来看，储层改造技术都是获得成功的核心利器，我国目前已形成以“长井段水平井完井”为基础的多簇射孔、滑溜水携砂、分段压裂的主体改造技术，依托地质工程一体化储集层改造模式，采用低成本材料技术和大平台立体开发方式，在页岩油气开发方面发挥了重要作用^[1]。

然而，在对非常规油气储层进行压裂改造的过程中，由于非常规储层地层应力状态复杂多变、岩石力学性质各向异性和非均质性强、天然裂缝发育状况不明确、人工裂缝之间存在严重相互干扰[2-5]，因此实际形成的水力裂缝与设计方案相比，其分布位置、裂缝长度、裂缝形状、支撑剂填充情况往往有巨大差异[6]；水平井多级多簇压裂形成的人工裂缝均匀性较差，往往只有1/3～1/2的射孔簇能得到有效改造[7]，在立体开发改造中发生的压裂冲击现象难以预测，对邻井产能造成较大影响且很难恢复[8]；传统的水力压裂机理模型与预测方法不适用于非常规储层^[9]，如何提高水力压裂效果评价的准确性成为解决非常规资源开发瓶颈问题的关键技术。

水力压裂实时监测技术可以确保水力压裂效果评价的准确性。目前应用于水力压裂监测的主要技术包括压裂过程的压力曲线分析等间接诊断方法，示踪剂、测斜仪、井下成像等近井直接诊断方法，井下微地震等远井直接诊断方法三大类型。从国际技术发展趋势来看，分布式光纤传感监测已成为水力压裂监测的新技术，在美国页岩气开发中展现出重要作用。2022年Jacobs^[10]将该技术作为压裂改造效果评价、人工裂缝形态和几何参数获取以及暂堵转向压裂效果评价的首选方法^[11]。

目前应用于水力压裂监测的分布式光纤传感器主要有分布式温度传感（Distributed Temperature Sensing，DTS）、分布式声波传感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）和基于瑞利频移的分布式应变传感（Distributed Strain Sensing via Rayleigh Frequency Shift，DSS-RFS）3种类型，分别于2006年、2014年和2021年首次投入水力压裂监测现场应用，其监测的物理量从最初的温度发展为声波（振动）和应变信号，能更直接地反映水力压裂过程中的裂缝扩展、裂缝冲击等现象，并能对压后生产过程中开关井时射孔孔眼处的瞬态应变进行监测，以评估裂缝开启（闭合）程度，与压裂过程的裂缝监测相互印证。

我国近年来在分布式光纤水力压裂监测技术方面也取得了一系列重要的进步。2020年中国石油新疆油田分公司在石炭系火山岩油藏使用从德国APS公司、英国ESM公司进口的DTS和DAS信号采集器，实时记录压裂施工时光纤沿线声波和温度的变化数据，以实时了解压裂过程中各簇的进液情况^[12]；2021年9月中国石化江汉油田涪陵页岩气公司顺利完成了焦页11-Z1HF井压裂期间井中微地震监测和分布式光纤压裂监测的现场施工，这是涪陵页岩气田首次开展微地震与分布式光纤联合监测^[13]。与此同时，中国石油大学（北京）、中国石油大学（华东）、西南石油大学等多家高校和研究机构也针对水力压裂光纤监测开展理论研究，建立了相应的理论解释模型^[14-16]。

总体来看，分布式光纤传感监测技术在我国未来的非常规油气资源开发中将会发挥越来越重要的作用。该技术应用进入业界时间较短，但涉及的分布式光纤传感技术种类较多、机理各异且发展迅速，不同类型传感技术的物理机理、技术特性尚未被业界充分了解，相关的理论解释模型也有待完善；其现场应用和后期解释、理论研究均涉及多学科交叉范畴，同时还涉及大量数据处理方法和技术。本文将针对DTS、DAS和DSS-RFS 3种技术在水力压裂监测中的应用，从不同传感技术的物理机理和目前现场主流安装方式出发，系统总结各类传感技术现场应用的典型案例和技术特点，以及对应的监测解释理论模型的研究现状，最终结合美国水力压裂监测矿场实验的新实例，总结水力压裂分布式光纤联合监测的技术思路，为分布式光纤传感技术在我国非常规资源开发中的应用提供技术参考。

光导纤维，简称光纤，是一种具有圆形截面的纤维型材料，主要利用光的全反射传导光波。自20世纪20年代发明光纤以来^[17]，超低损耗光纤技术的实现和半导体激光器技术的出现，使得光纤从20世纪70年代开始广泛应用于光通信领域，奠定了现代信息社会的基石。随着光纤技术的不断发展，人们发现光纤本身可以作为传感材料, 光纤周围的温度、流动、压力和应变等物理场变化均会对光纤内部传输的光波物理参数产生影响，使光波的频率、偏振、相位、振幅以及由振幅平方得到的光强等参数发生改变, 如果将接收的激光信号参量变化解调成电信号, 则可以实现对外界物理场的测量, 这就是光纤传感器的基本工作原理^[18]。

光纤的折射率受介质密度和掺杂粒子的影响呈不均匀分布, 激光光源发出的光在光纤中传播时会发生背向散射现象[19]。基于这一现象人们发明了光时域反射技术（OTDR），用于测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，这一技术后来也发展出了多种分布式光纤传感器。分布式光纤传感技术在解调光信号时所利用的后向散射波段包括3 种：拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射。

拉曼散射是DTS 进行温度传感测量的物理机理。从20 世纪90 时代初开始，DTS 开始逐渐应用于油气生产领域，早期主要应用于海上平台井和陆地高产井的生产监测，以及稠油油田热采开发时蒸汽突破前缘监测等方面[20]。2010 年以来，页岩气资源的开发首先在美国获得成功并推动了世界各国页岩储层、致密砂岩储层等非常规油气资源开发的热潮，作为其开发关键技术的水平井多级压裂技术获得了高度关注，DTS 作为第一种出现的分布式光纤传感器首先应用于水平井多级压裂增产过程的监测和评价^[21]。

瑞利散射与拉曼散射不同，属于弹性散射。基于瑞利散射沿光纤方向强度线性衰落的原理，不仅可以检测光纤中的损耗点，外部环境如温度压力的变化也可对光纤的衰减特性产生影响，引起瑞利散射强度变化[22]。2000 年美国海军研究实验室[23]提出了根据瑞利散射信号相位差计算光纤动态应变的方法, 这一研究也标志着基于瑞利散射的分布式光纤传感技术能够对声波和其他振动波引起的应变进行实际测量, 这一技术被称为分布式振动传感（Distributed Vibration Sensing，DVS），由于在国内外石油行业中一般将其称为分布式声波传感，因此本文也采用这一名称。当光纤受到声波压力（P）的作用时，光波相位发生变化（ΔΦ），从而实现从声波信号到光波相位变化信号的调制[22]，即

" alt="图片"/>

式中L 表示扰动位置处的光纤长度，m ；P 表示声波压力，Pa ；λ 表示光的波长，m ；E 表示光纤杨氏模量，Pa ；μ 表示光纤泊松比；n_f表示光纤折射率；p₁₁和p₁₂表示光纤弹光系数。实际应用中可以通过空间差分干涉等方法实现对声波信号的调制，经探测器接收的瑞利散射光可通过相位解调技术解调出相位差变化，实现声波信号的还原。

应用于石油行业的DAS 传感系统正在从单纯的“强度型”向“相位型”过渡，“强度型”DAS 系统仅提供声波或振动信号幅值计算的强度信息。DAS 系统最初应用于水力压裂施工过程监测时，主要通过对井筒中声波信号的强度监测来判断各压裂级（簇） 进液情况^[24]。目前基于相干光时域反射技术的“相位型”DAS 传感器，不仅能够获得声波或振动信号的强度信息，还能通过上文所述的相位调调技术监测动态应变，以满足水力压裂、套管变形等方面的监测技术需求^[25]。动态应变监测[18]一般是指对时间尺度约1 s 以内发生的快速应变进行探测，实质上获取的是应变率即应变相对时间的变化率，仪器关闭后保持光纤不受干扰，再开启后测量的应变绝对值与之前的测量值也不具有相关性和可比性。用于水力压裂中邻井超低频应变监测的DAS 传感器就属于动态应变监测^[26]。

布里渊散射与拉曼散射都属于非弹性光散射， 但是前者是由光子和声频声子的相互作用产生的， 因此前者的频移（GHz 级别）要远小于后者的频移（THz 级别）^[19]。布里渊散射对于温度和应变都具有敏感性，布里渊传感器通过探测后向散射光的布里渊频移信息对温度和应变进行求解。2009 年Kishida 等^[27]提出利用波长可调谐激光器的相干光时域反射技术（Tunable Wavelength Coherent Optical Time Domain Reflectometry，TW-COTDR）探测的瑞利频移与脉冲预泵浦—布里渊时域分析技术（Pulse- Prepump-Brilliouin Optical Time Domain Analyzer， PPP-BOTDA）探测的布里渊频移信息相结合，首次在高精度和高分辨条件下实现了温度、应变测量的分离，应变与温度关联的原则关系如下式：

" alt="图片"/>

式中Δε 表示应变变化量，με；ΔT 表示温度变化量，℃；ΔvBΔvR分别表示测得的布里渊频移量和瑞利频移量，Hz；d11，d12，d21，d22分别表示相应的关联系数， 在Kishida 等[28]发表的研究结果中由室内实验测定得出， 其中d11和d21单位为Hz/με，d12和d₂₂单位为Hz/℃。以上即是目前新应用于水力压裂监测的DSS-RFS 的基本工作原理^[28-29]。

一般来说，拉制的裸光纤需要包层并加以涂覆材料制成光缆以增大其强度，满足应用要求。当光纤传感器应用在油气井中时，需要适应高温、高压、腐蚀性等严酷的环境和克服井下复杂工具和完井条件的影响。光纤传感器可以制成光电复合缆下入井中，或通过井中液控（注入）管线下入井中。图1中展示了井下常用的光电复合缆结构，该复合缆中同时包含了光纤和电缆，可以同时用于光纤传感监测和传统的电子压力/温度计监测。在光纤外层包裹纤维金属管，与包裹绝缘层的绞合电缆、填充管一起置入两层聚合物护套、金属铠装层和外部的聚合物封装层^[30]，外径约6.35 mm。

对于以上两种光纤下井方式，均有套管外部安装、油管外部安装、油管内部安装和随连续油管临时下井等4种安装方式。一般来说，随连续油管临时下井方式可用于短时监测，施工难度较低；油管内部安装一般通过光纤钢丝或光纤电缆实现，可进行油气井长期监测，更换相对容易，由于光纤置于井筒流体中，该方式对于井筒多相流流型和流体分布变化具有较好的监测效果，但是相对信噪比较低；油管外部安装可通过专用护卡在油管接头处将光纤固定在油管外部，安装技术成熟，适合长期监测，光纤可以更换，可以观察油管内或油套环空中流体的温度、流动情况，新研制成功的湿式插拔光纤连接器能够更有效便捷地实现附带光纤的多段油管的依次下井安装，进一步降低作业难度^[31]；套管外部安装是在完井过程中，将光纤在套管外侧固定后随套管管柱下井，再进行水泥固井和后续射孔作业^[32]，该方式安装难度较大，光缆安装时容易与裸眼井壁接触，发生机械破坏，同时还需要解决套外避光纤射孔等问题。套外安装的光纤位于地层与井筒的交界面，可直接探测地层近井流体的温度、水力裂缝起裂扩展引起的地层应变、流体注入地层声强分布以及套管变形等重要过程，探测获得的数据信噪比高，因此在近年来成为业界普遍关注的重点应用方向^[33]。

DTS是先在油气行业广泛应用的分布式光纤传感器，1993年在壳牌（挪威）石油公司的 Brunei 油田海上生产平台首次应用，此后，逐渐应用于气举、井筒流动剖面、气水锥进、稠油热采等方面监测和瞬态温度试井等理论技术^[21]。

DTS可监测水力压裂泵注、停泵、返排等过程以评价压裂液在井筒中的注入剖面，以及各压裂级、射孔簇的进液量。2006年哈里伯顿公司^[34]在印度尼西亚苏门答腊油田中的1口深为230 m的直井中首次应用DTS监测小型压裂施工。除此以外，DTS还用于监测压后生产，通过生产测试或生产过程中的温度变化来进行生产剖面反演，评价各压裂级、射孔簇的改造效果和生产情况。近年来，研究人员已针对DTS监测水力压裂的各个过程建立了较为完善的理论模型以实现DTS水力压裂监测的定量解释和分析。

2.1 DTS水力压裂施工过程监测与理论模型

DTS水力压裂施工过程监测现场实例较多，一般由光纤公司和井下作业公司联合作业。在水力压裂现场施工过程中，通过DTS实时监测数据生成的瀑布图即可对压裂过程进行定性评价。

从DTS监测水力压裂施工过程的基本原理来看，其一是泵注过程中较冷的压裂液从地面进入井筒和地层，引起井筒温度从原始地层温度逐渐下降的冷却现象（Cool-down）；其二是停泵过程中地层与注入的压裂液之间由于热传导效应引起的回暖现象（Warmback），不同压裂级和射孔簇由于前期注入流体量不同，因此回暖速度不同，前期进液越多的位置回暖越慢。

图2为DTS监测一水平井多级压裂过程的典型温度数据瀑布图[35]，该井采用限流射孔，DTS套外安装，当压裂某级时，由于压裂液进入井筒产生“冷却”效应，井筒温度显著降低，但是该级之前压裂的各级由于封隔器阻止了压裂液的流入，只存在地层与井筒之间的热传导作用，因此出现“回暖”效应，可由井筒不同深度的不同回暖速度来判断各射孔簇的进液量。随着压裂作业从水平井趾端向跟端逐级推进，DTS温度数据瀑布图显示出明显的“阶梯”形状，这也是DTS监测水平井多级压裂得到的典型特征。此外，图2所示DTS瀑布图中红色圆圈处可以看出，在对第三级进行压裂时，部分注入的压裂液漏失到了第二级，导致第二级又出现了“冷却” 效应，由此可以发现压裂时由于封隔器失效、球座漏失等原因导致的压裂液窜流。基于相同原理，DTS 温度瀑布图还可用于评价暂堵转向效果。

基于现场对于水力压裂作业过程进行温度监测、解释分析的迫切需求，从20 世纪 90 年代至今，已发展了与温度监测技术相匹配的压裂温度变化理论模型，如1993 年Kamphuis 等^[36]建立了直井压裂和关井过程中人工裂缝内部流体温度分布随时间变化的数值模型。2010 年，Seth 等^[37]提出了直井压裂和关井阶段的温度数值模型来模拟井筒内DTS 监测位置的温度分布和变化状况，其中裂缝扩展基于简单的压裂液体积守恒方法计算得到。Tabatabaei 等^[38]从前期酸化增产温度模型出发，将水平井多级压裂过程等效为流体从井筒向多压裂级的径向流动和传热过程，研究了裂缝形态、关井时间对温度变化的影响。Li 等^[39]和Yoshida 等^[40]建立了水平井多级压裂施工过程的DTS 温度模拟2D 半解析模型和3D 数值模型。二者建立的模型均为单井多裂缝瞬态模型，通过对井筒、裂缝、储层三部分的流动和传热模型耦合求解， 模拟水平井多级压裂时的泵注冷却和停泵回暖过程， 还可模拟不同裂缝缝长、DTS 传感器不同安装位置的影响。前者建立的模型根据裂缝对称性提取1/4 的裂缝/ 储层部分对其2D 平面区域进行求解，将裂缝内压裂液流动和储层内压裂液滤失处理为一维线性流；后者建立的模型将裂缝处理为高渗条带，能准确反映现场作业时温度“阶梯”状变化特征。此外， 还分析了泵注速度、滤失系数、储层热传导系数等敏感性因素对温度变化的影响。特别值得指出的是， DTS 传感器的安装位置对温度监测分析结果具有一定影响。当DTS 采用连续油管下入方式，由于直接接触压裂液，泵注初期井筒内光纤测得的温度迅速下降至压裂液温度，泵注结束时测得的温度也低于DTS 光纤在套外安装的情况，但关井2 h 后二者逐渐趋同。

针对水平井多级压裂施工阶段DTS 监测的反演模型目前相对较少，2012 年Hoang 等^[41]对直井压裂时套外安装的DTS 监测情况提出了泵注过程的压裂液分布反演模型，该模型将裂缝部分的滤失和传热过程采用近井区域“径向模型”来进行近似，以避免由于裂缝形态和几何参数的不确定性造成模拟结果的错误和过大的计算量。

2.2 DTS 压后生产过程监测与理论模型

DTS 还可以监测压后生产情况以评价水力压裂效果。对于已结束返排开始生产的多级压裂水平井， 可以采用永久式、半永久式或连续油管临时下井方式安装DTS 监测生产测试或正常生产过程，根据监测温度结果反演沿水平井筒流动剖面，评价各压裂级（簇）生产情况和压裂效果。DTS、DAS、DSS-RFS 等传感器都可用于压后生产监测，可以分别使用或组合使用。

单独使用DTS 进行水平井压后生产过程监测的方法主要适用于页岩气和致密气储层^[16,42-43]，由于气与油、水相比具有更明显的焦耳—汤普森效应，在同样的生产压降条件下入井气体会产生明显的温度降落，在DTS 温度监测曲线上表现为射孔簇处的温度曲线低点^[44]。

为了综合考虑储层性质、人工裂缝几何参数及导流能力、生产制度等诸多因素对DTS 温度数据的影响，国内外学者建立了一系列水平井多级压裂压后生产过程的理论模型和相关的反演模型，用于模拟井筒—裂缝—储层温度场分布，反演压后生产剖面。2015 年Cui 等[42]建立了井筒—裂缝—储层压后生产温度监测半解析理论模型，其中井筒流动/ 传热模型和裂缝—储层传热模型为数值模型，而裂缝—储层流动模型是基于Lee 等[45]提出的三线性解析模型。Yoshioka 等^[46]建立的水平井多级压裂温度监测三维数值模型也可用于压后生产过程监测的温度模拟。为了加快正模型运算速度，同时考虑储层非均质性， 2016 年Cui 等^[47]将快速推进算法（Fast Marching Method，FMM）应用于DTS 压后生产监测模拟，该方法采用油藏数值模拟的“飞行扩散时间”概念将储层流动和传热模型转化为一维形式，大大加快了正演模型的计算速度。2020 年Sui 等^[14]对现有压后生产温度模型考虑的完井形式进行优化，更准确地模拟了裸眼封隔器完井条件下的水平井压后生产温度场分布情况。

在DTS压后生产监测模型的反演方法方面，可以应用梯度法、随机法等多种反演方法结合DTS监测的温度数据反演生产剖面。2014年Tarrahi等^[48]借助集成的Kalman滤波器来分析DTS数据，通过Kalman滤波器自动匹配机制实现裂缝特征参数定量描述，对裂缝半长和渗透率进行了反演。2017年Zhang等^[49]基于FFM方法建立的正模型采用Levenberg-Marquart反演方法，获得了美国Marcellus页岩储层一口气井的压后生产剖面。2021年Luo等^[43]采用模拟退火法对一口页岩气井DTS压后生产监测数据进行反演，获得了产气剖面和裂缝半长信息。

相较于DTS水力压裂监测技术，DAS技术在光纤传感领域问世较晚，但是很快应用于油气勘探生产，成为非常规储层水力压裂监测的热点技术。2009年Shell公司^[50]在加拿大一口致密气井中首次使用DAS技术监测测井、射孔和压裂过程；2014年Maersk公司[51]首次在北海油田的水力压裂施工中应用了DTS/DAS联合监测。在随后几年中，DAS技术迅速应用于与水力压裂相关的微地震、井筒作业、压裂井注入/生产剖面、邻井超低频应变等诸多方面的监测，为评价水力压裂提供了更直接多样的信息，开启了水力压裂分布式光纤联合监测的新时期。

3.1 水力压裂DAS本井监测与理论模型

DAS用于水力压裂本井监测时，将压裂或压后生产过程中的声波强度随时间的变化绘制成瀑布图^[24,52]，以分析不同压裂级和射孔簇的活跃程度。一般认为压裂时声信号较强的位置有较多的压裂液进入储层，裂缝得到了有效开启^[53]。2014年Sookprasong等^[54]根据DAS声波强度数据计算出各个射孔簇中压裂液和支撑剂的分布百分比，这一方法近年来不断得到完善并大量投入使用^[55]。

2020年Pakhotina等^[56]通过室内实验模拟压裂液通过射孔孔眼从井筒向裂缝的流动过程，证实了声压级与流速之间存在关系式，即

式中q表示流速，SCF/Hr；L_SP表示声压级，dB；A和B表示与射孔孔眼相关的系数。然而，DAS在监测井筒中流体流动时情况更为复杂，Alfataierge等^[57]采用室内实验方式模拟管流并采用DAS进行监测时发现，DAS的响应可证明光纤所在的监测位置是否存在流动，但是流速与DAS信号响应不存在必然的正相关性，作者推测这是由于湍流等流型影响所导致的。

通过DAS声波能量瀑布图也可对压裂过程中多种情况进行有效的分析，例如由于封隔器失效等原因造成的压裂液级间漏失、暂堵剂的暂堵效果、裂缝的闭合和重新张开等^[58-60]。图3为Marcellus页岩储层一口水平井Boggess 5H井进行第11级压裂时的DAS监测声波能量瀑布图，在压裂初期，4簇中有3簇成功开启（第1、3、4簇），随后其与第10级中间的桥塞处出现强烈的声信号，与此同时，第11级中各簇DAS信号逐渐减弱，第10级中第3簇DAS信号增强，提示桥塞漏失，第11级的压裂液流向第10级。吴宝成等^[12]对中石油新疆油田石炭系火山岩储层某水平井压裂过程中的套外DAS监测结果进行了分析，并评价了暂堵转向作业效果。

DAS技术目前也已应用于水平井压后生产监测，根据DAS信号强度反演生产剖面。Horst等^[62]展示了某气井压裂后一段时间的DAS瀑布图（图4），上部图显示了气井产量随时间的变化，中部为DAS噪声幅值瀑布图，下部图为产气剖面反演结果，其中绿色表示产量达到某一设定值，红色表示产量低于该值。此外，DAS监测还用于识别关井后的气液界面^[63-64]、分析气井排水采气[65]和层间窜流[57]等情况。

DAS 原始采集的数据量较大，一般需要通过滤波、下采样处理后转换为不同频段数据进行分析，不同频段的信号代表不同类型的井筒内事件。较低频信号（＜ 50 Hz）对井筒内流动的流型变化较为敏感，可观察到段塞流等流型；中间频段信号（50 ～ 200 Hz） 一般用于分析生产后注入剖面，与井筒流体流速密切相关；较高频信号（＞ 200 Hz）对井筒内工具活动等外界影响较为敏感，可用于监测封隔器坐封^[35]、投球和下桥塞^[66]等过程。此外，需要说明的是， DAS 监测井筒流动过程的理论解释模型与完井方式、光纤安装方法、数据采集情况、井筒流体类型、多相流流型分布与变化等诸多因素密切相关，目前的解释分析方法尚不完善和统一，多由各大石油公司或服务公司根据自发的矿场实验进行测试开发获得的DAS 信号与流动响应的经验模型进行内部解释，因此有待建立更精确、更具普遍性的理论模型。

3.2 水力压裂DAS 邻井监测与理论模型

水力压裂DAS 低频信号邻井监测技术（简称LF-DAS）是近5 年发展的前沿监测技术，该技术通过“相位型”DAS 传感系统对邻井开展的水力压裂作业进行动态应变监测，提取低频段（＜ 0.05 Hz） DAS 信号，获得监测井中各位置处应变率随时间的变化情况，对邻井水力压裂裂缝起裂、扩展和压窜至邻井/ 穿层情况进行解释分析。

2017 年Jin 等^[67]首次对水力压裂作业过程中测得的LF-DAS 应变监测信号进行分析，发现水平井某一级进行压裂时可在邻井监测到LF-DAS 应变信号，邻井对应施工井压裂级位置处的光纤由于裂缝起裂扩展引起局部拉伸作用表现为张应变，相邻层段和对应光纤位置收到压缩作用表现为压应变，本级压裂作业停泵后原裂缝扩张区逐渐闭合表现为压应变，而相邻地层和光纤其他位置得到应力释放表现为张应变。Ichikawa 等^[68]、Raterman 等^[69]和Ugueto 等^[70]开展的此类研究也证明了以上现象的存在。同时，Richter 等^[26]证明利用DAS光纤在邻井进行低频应变监测时，套内和套外安装方式均可获得相似的监测结果，这一结论降低了DAS光纤安装难度，有利于该方法的推广使用。

针对油田现场在水力压裂过程中的LF-DAS应变监测数据，研究人员采用有限元模拟等数值方法建立了邻井压裂裂缝扩展过程应变场的理论模型。2020年Liu等^[71-72]和Zhang等^[73]基于Wu等^[74]建立的裂缝扩展模型，使用位移不连续法模拟裂缝扩展过程中的地层应变和应变率场。二者都将理论模拟结果与现场实际监测结果进行了对比分析，证明了裂缝扩展尖端如果与监测井光纤位置相交汇发生压裂冲击（Frac-hit）时，由于应变率极性反转造成了“心型区”的存在，并讨论了影响“心型区”特征的关键因素，包括监测位置与裂缝扩展路径之间的水平和垂直距离、裂缝形态等。图5-a中为裂缝尖端与邻井观测光纤在同一高度发生压裂冲击时的模拟应变率场分布，在30分钟时裂缝A和C冲击邻井，出现“心型区”，45分钟时裂缝B冲击邻井但是由于裂缝A、C应力场干扰作用，“心型”不明显，这一理论模拟结果与图5-b中展示的现场监测结果非常吻合。图5-c中裂缝尖端与邻井观测光纤具有35 m的垂向高度差，裂缝未冲击邻井，此时模拟应变率场显示为“V型区”，该模拟结果也在现场监测中得到了验证（图5-d）。此外，Gurjao等^[75-76]利用二维KGD裂缝扩展模型和Sneddon裂缝扩展应力计算方法讨论了具有天然裂缝条件下的DAS邻井监测应变场特征。陈铭等^[15]基于平面三维多裂缝扩展模型构建了压裂监测井光纤应变与应变率的计算模型。

在LF-DAS的反演方法方面，2021年Liu等^[77-78]基于此前提出的应变场正演模型，根据DAS实际观测应变场使用小二乘法对同一压裂级单条、多条裂缝宽度进行反演，并使用蒙特卡洛—马可夫链方法模拟裂缝宽度随机分布情况，对反演结果进行了不确定性分析。Liu等^[79]通过计算不同裂缝高度正模型应变剖面，发现当高度接近真实值时绝对误差减小，提出了通过计算应变误差方法估算裂缝高度。Chen等[80]利用卷积神经网络方法对DAS邻井监测应变信号特征开展理论模拟研究，针对单一裂缝扩展情况提出了压裂冲击事件自动分类和定位算法。

分布式光纤应变传感技术在工程中应用较为广泛，包括建筑材料（钢筋、木材）的健康状况监测、混凝土裂缝检测以及桥梁、管道等大型建筑和风力涡轮机性能的监测等^[81-82]。目前应用较为广泛的BOTDA 测量范围可达50 km，在22 km 的测量范围内其空间分辨率可达5 m，对应变的测量精度可至20 με[83]。2009 年Kishida 等[28]提出基于DSS-RFS 将光纤应变监测的空间分辨率提高至0.2 m（8 km 长光 纤），目前该技术已实现商用并应用到油气领域的水力压裂监测中，成为水力压裂分布式光纤监测的新技术。

2021 年Jin 等^[29]利用套外安装的DSS-RFS 光纤对压后生产8 个月的水平井进行监测，空间取样点间距为20 cm，取样时长间距为150 s。关井后取第4 天24 h 内的DSS-RFS 应变数据进行平均化降噪处理，最终获得的应变分布与射孔簇位置高度一致，说明关井后水力裂缝的“充能效应”使得裂缝宽度增加，对应位置的光纤发生张性应变且应变值为正值，其他非裂缝区域对应位置的光纤受到挤压产生的应变值为负。通过对比关井期间井底压力的变化与射孔簇位置处应变的变化情况发现二者具有高度相似的变化相关性（图6-a），但是在开井和关井期间中的变化比值存在明显差异（图6-b）。为了验证上述规律，Ugueto 等^[84]进一步将生产期间的DSS-RFS 信号按照特定比值进行反转和放大并与关井期间的信号进行对比，发现两者具有较强的一致性，这一结论表明下一步有望在生产期间采集DSS-RFS 信号，从而大限度地减少关井对油井生产的影响。

根据现场同一口压后生产井相距7 个月进行的DSS-RFS 光纤监测结果和相关分析，发现两次监测结果获得的应变位置和应变量都具有较高的一致性，大部分射孔簇对应位置的应变量几乎未发生变化，而少量射孔簇对应位置的应变量减小，提示裂缝（改造体积）随生产的进行其几何特征发生了一定变化^[84]。基于DSS-RFS 光纤可以监测随时间变化的应变，研究人员试图通过理论研究揭示DSS-RFS 监测裂缝应变的机理。2021 年Liu 等^[85]建立了针对一口水平井单条压裂裂缝的储层多相流流固耦合模型，通过有限体积法和有限元方法联合求解，瞬态模拟开关井过程引起的井筒压力、储层渗流场和裂缝内部有效应力的变化， 通过改变储层改造体积（SRV）大小和渗透率、裂缝长度、近井地区表皮系数等与近井地带裂缝几何形状相关的因素，研究了这些因素与DSS-RFS 光纤所测得的射孔孔眼处即裂缝起裂处的相对应变变化的关系。

如何利用多类型分布式光纤传感技术进行更科学有效的水力压裂联合监测将成为该研究领域要解决的重要问题，这一问题也需要从工程实践和理论研究两方面进行探索。本节主要以水力压裂矿场实验HFTS-2（Hydraulic Fracturing Test Site-2） 为例， 对联合监测的效果进行总结分析。

HFTS-2 是在美国二叠纪—特拉华盆地开展的大型矿场实验[86]，其目标是通过联合应用先进的监测、测试、取心技术研究水力裂缝扩展情况，以及不同的压裂完井设计方法对压裂效果的影响，其中重点使用了包括DTS、DAS 和DSS-RFS 在内的3 种光纤监测技术，以及原位取心、井下温度/ 压力计监测、微地震等。如图7 所示，HFTS-2 包含8 口新钻水平生产井、两口新钻观测井、两口已有水平井（母井）。其中两口新钻观测井位于水平井B3H和B4H之间，其中一口为垂直观测井（B5PH），该井通过电测井、井下成像、取心来获取储层特征，此外该井还安装了分布式光纤、压力/温度计、微地震方法以获取更多压裂生产资料。同时在两口水平生产井（B3H、B4H）中也安装了光纤电缆以上获取储层压裂生产时的实时DAS/DTS/DSS-RFS数据^[87]。实验通过光纤数据的联合解释，对储层的压裂剖面、生产剖面、压裂裂缝几何模型及裂缝性质等信息进行深度揭示，突破了常规监测手段所获取的信息量。该次矿场实验证明分布式光纤联合监测与解释对压裂、完井技术以及生产制度的优化具有重要的指导意义。

5.1 压裂井本井DAS/DTS联合监测

自DAS应用于水力压裂监测以来，压裂井本井在作业过程中的DAS/DTS联合监测应用广泛，矿场实验结果丰富。Zakhour等^[88]对HFST-2的B4H井压裂过程中的DAS/DTS数据进行了综合分析，发现压裂过程中DAS与DTS信号与进液射孔簇、级间封隔漏失等位置都具有较好的一致性。综合分析DAS/DTS数据有助于更好地理解段内簇改造是否均匀，评价暂堵转向效果^[35,60]，解释完井作业问题的不利影响，包括封隔器失效、下套管后水泥胶结不良、作业困难导致中途停泵等。

此外，在压裂液注入过程中，DAS/DTS数据还可用来判断压裂液以及支撑剂在射孔簇中的分布情况。由于DAS分辨率较高，解释出的数据精度也较高，Sakaida等^[89]将DAS解释获得的压裂液注入体积分布转化为每簇的恒定注入率，将该注入率作为DTS正解模型的已知参数输入，计算油藏的温度分布。然后通过温度反演，得到与DTS实测温度相匹配的各簇固定注入速率下的温度分布，从而预测水力裂缝注入流体沿裂缝方向的分布，大大提高了DTS温度反演的效率和准确性。该项研究采用的DAS和DTS监测数据来自美国西弗吉尼亚马塞勒斯页岩产区的MIP-3H井，该井进行了28级水力压裂。作者采用DAS/DTS联合监测解释方法对裂缝半长进行了反演解释（图8），该解释结果表明压裂过程中压裂液大概率在水平井筒外形成流动通道并起裂形成多条主裂缝和次级裂缝，裂缝起裂位置不仅限于射孔簇处，这是应用DTS进行压裂裂缝形态反演解释的一个重要进步。图9中展示的是根据压裂过程中和压后生产过程中DAS/DTS联合监测数据进行反演解释获得的各簇进液量和压后产气量的对比，这两项重要的反演解释结果也表明各簇的进液量整体上与压后产气量存在较为复杂的正相关性。

5.2 压裂井相邻直井与水平井LF-DAS联合监测

近年的研究认为水力压裂邻井LF-DAS应变监测可直接监测远场裂缝。此前进行的矿场实验大多在压裂井相邻水平井中部署DAS光纤进行监测，对于研究裂缝高度扩展范围具有较大缺陷，因此HFST-2首次在一口压裂井的相邻直井与水平井中同时进行超低频DAS应变监测，以获取裂缝扩展过程中的应变三维空间分布情况，更好地了解裂缝高度扩展。

图10是HTFS-2的一口水平井B1H压裂过程中，相邻直井B5PH中LF-DAS光纤记录的应变率随时间变化图，图10-a ～ c 分别是距离观测井B5PH 近、较近和较远的3 个不同的压裂级进行压裂时的应变率变化场图。图11 是B1H 井压裂过程中两口相邻水平井B4H 和B3H 中LF-DAS 光纤记录的应变率随时间变化图，图11 与图10-a 记录的是同一级的情况。

基于3.2 节中Jin 等[67]提出的LF-DAS 应变率信号解释方法，Wang 等[90]模拟分析图11所指压裂级的6 个射孔簇产生了5 簇裂缝并且均到达B4H 井， 其中两条的裂缝到达较远的B3H 井。此外，还应用雪佛龙内部软件三维有限元流固耦合模拟器模拟了等温单相流条件下多条裂缝同时起裂扩展过程的应变率场分布，重点研究了裂缝高度扩展机理和多条裂缝先后扩展对监测应变场的影响，模拟结果与实际裂缝高度扩展过程非常吻合，证明了裂缝高度朝上方的快速扩展主要是由于层间较小的应力差造成的，停泵时裂缝高度已达到457 m ；模拟结果也证明了监测到的复杂应变率场是由于5 条裂缝的先后扩展造成的叠加效应（图12）。

5.3 压裂井本井DAS/DSS-RFS 监测对比分析

根据对同一口压裂井B4H 的监测结果来看， DSS-RFS 光纤与DAS 光纤所测信号具有较好的一致性，两者可以互相印证射孔簇裂缝开启的有效性。对比压裂泵注过程的DAS 信号与关井时期DSS-RFS 信号发现射孔簇6、9 处没有较为明显的DAS 信号， 对应的DSS-RFS 信号也没有出现正的峰值，表明两个簇附近没有裂缝有效开启（图13）。

综上所述，不同种类的分布式光纤传感技术在水力压裂监测中开展联合应用，对于全面准确描述水力裂缝扩展和后期演化、评价压裂效果和产能具有非常重要的意义，笔者根据目前业界对分布式光纤传感技术在水力压裂监测中的应用经验，总结概括联合监测技术思路（表1）。在水力压裂泵注期间，压裂本井布置DTS/DAS光纤对压裂液、支撑剂分布、裂缝开启、暂堵转向、级间干扰情况进行分析；相邻水平井与直井中进行LF-DAS监测，通过邻井应变信息对压裂冲击、裂缝形态、裂缝几何参数等进行解释；在压后生产阶段，主要通过本井DTS/DAS/DSS-RFS光纤监测射孔簇处的裂缝有效性及演化情况，对缝网复杂性做出评价，根据DTS/DAS联合解释反演生产剖面等。由于不同光纤监测技术所对应的机理、解释模型和软件的研究发展情况不同，如何将以上过程进行更有效的整合形成更加系统性的方法需要进一步的研究工作。

水力压裂分布式光纤传感监测技术已成为页岩、致密砂岩等非常规油气储层开发的重要手段，在压裂工艺、裂缝扩展、邻井干扰、压后效果评价等诸多方面提供了重要的实时数据和解释结果，也为水力压裂裂缝扩展、储层渗流和井筒流动等方面的机理研究提供了新的视角。

DAS邻井应变率监测和DSS-RFS本井应变监测能够直接反馈裂缝扩展和裂缝演化过程中的相关应变，今后将成为水力压裂裂缝评价的重点发展领域，其理论模型需要储层渗流模型与岩石力学模型以及裂缝表征方法的进一步紧密结合。

分布式光纤传感技术在未来的有效应用除了需要准确高效的机理模型外，同时也有赖于大数据处理和深度学习算法与之高度融合，从而实现监测过程的数据筛选、模式识别和关键参数的快速反演。