LUNA和壳牌GameChanger创新探索地下作业传感系统
发布时间：2021-03-02 14:37:49 热度：1704
3/02/2021，光纤在线讯，LUNA公司与壳牌GameChanger™早期技术项目合作，开发了一项使用LUNA光纤传感解决方案测量"岩体地应力"的创新方法。
这项新技术——“连续水平地应力测井系统（Continuous Horizontal In-situ Stress Logger，CHISL）”，使用LUNA的ODiSI®分布式光纤传感系统，对微裂缝和钻孔变形等现象进行直接、高分辨率的应变测量，再利用新算法对钻孔处进行应变测量，以评估最大和最小水平应力及影响。
图1：CHISL概念
岩体地应力测量为什么如此重要？
依赖地下作业的行业，如石油和地热工业，需要对地应力（在钻孔施工前就存在于岩体中的应力）进行准确评估。地应力会影响钻井、测量和流体注入（水力压裂、水驱、二氧化碳封存）以及断层再活化和诱发地震等现象。
业界专家怎么看？
壳牌公司地质力学学科专家Alexei Savitski认为：“可靠的地应力评估对于石油和天然气工业的许多应用至关重要。例如，页岩水力压裂的成功与否在很大程度上取决于其产生的裂缝缝高，而裂缝缝高又受到应力随深度变化的强烈控制。LUNA的技术能够以前所未有的分辨率评估应力深度剖面，最大水平应力是最不确定的地质属性之一，通常需要从其它数据推断得出，CHISL将这种不确定性大幅降低，对于评估断层再活化和诱发地震的风险至关重要。”
GameChanger项目赞助人Haiyong Cai解释说：“与LUNA合作开发这项技术非常符合GameChanger项目的要求，LUNA将这种新型应力测量技术从早期开发阶段提升到了“概念验证（proof-of-concept）”的水平，使得壳牌能够提出精确可靠的应力测量用案，将有可能大幅提高最终效益。”
LUNA的CHISL为何与众不同？
LUNA的“连续水平地应力测井系统（CHISL）”将光纤传感器集成到一个灵活的液压套管中向井壁施加压力，直到形成微小的纵向裂缝。与水力压裂不同的是，压裂液流入裂缝并确保裂缝在远离钻孔的地方延长，不会将液体流入诱发性裂缝导致断裂。CHISL能够提供新类型的测量数据，可用于提高安全性、生产效率和未来地质工程系统的优化。与传统的水力压裂技术相比，未来的现场作业将使用加固型传感器更高效的对前所未有的钻孔长度进行测量。这项技术，除了用于水力压裂法对岩层应力剖面分析外，还可应用于油井盖层完整性传感和复杂油井的优化钻井。
CHISL概念验证实验
我们在当地的一个石灰岩采石场对CHISL系统的断裂传感能力进行试验（图2），通过钻取一个HQ大小（钻孔直径96mm，岩芯直径63.5mm）的浅钻孔，采用巴西圆盘试样测试，得出岩石的抗拉强度为3,100 psi。
在CHISL作业前/后使用压裂封隔器，验证测试前/后的断裂状态，经过测量，我们发现并记录了一个自然存在的水平断裂。当CHISL组件膨胀时，在井壁的应变图中可以看到相同的水平裂缝，如图3所示。绘图的x轴是沿钻孔的深度，y轴是围绕圆柱形CHISL传感器圆周的极角。彩色绘图显示了嵌入式光纤传感器每个位置监测到的应变水平。
图3：水平裂缝监测图
对CHISL传感器进一步加压后，水平裂缝下方和上方出现了双翼裂缝，在不同角度的井壁上施加的压力不同，如图4所示。
图4：最小应力裂缝发生在水平裂缝两侧的不同压力和方向。
图表中的彩色部分代表了应变对压力增加的导数，有助于识别压力升高时应变的快速增长位置。在水平隔层下方，压力为2,500 psi时，裂缝产生在90°和270°位置；在水平隔层上方的地层，压力为3,700 psi时，裂缝产生在180°和330°位置。在1 m传感区域内，有足够的空间分辨率来检测单个裂缝的开口、长度以及沿孔深应力方向的变化，甚至可以同时测量两个不同的地层。
用CHISL传感器对钻孔进一步加压，直到4,900 psi的压力下出现双裂缝，如图5所示。270°处的新裂缝位于低压下产生的双翼裂缝间约90°的位置。同时观测到330°处的裂缝减少，在0°处出现了较长的新裂缝。根据理论，这种新裂缝与岩层中最大地应力有关。
图5：高分辨率光纤传感器观测到的双重断裂
下一个关键步骤是将这些局部测量值与远场应力状态联系起来，LUNA与合作伙伴团队开发了全新算法，可以根据高分辨率光纤传感器数据计算出远场应力状态。以如此高的空间分辨率和实时的可视化，监测岩体裂缝演变状况是前所未有的。
实验证明，CHISL系统有能力产生、测量并可视化对应于最小和最大水平应力的岩体裂缝。部署后，该技术将提供具有业界领先的一致性和深度分辨率的关键测量，从而实现更安全、更高效的油井作业。
关于LUNA ODiSI分布式光纤传感系统
ODiSI系列是一种基于OFDR技术，使用单模光纤作为传感器的创新型测试系统，为先进材料和复杂结构测试提供全新解决方案。ODiSI系列分布式光纤传感测试系统，具有毫米级空间分辨率，使用单模光纤，使之成为具有连续测试点的传感器，高空间分辨率能够帮助绘制应变/温度云图，在测试过程中实时显示。光纤传感器柔韧性好，体积小，不需要电源激励，能够粘贴固定在结构表面，尤其是大曲率结构表面；能够嵌入在结构内部，或者直接安装在电气结构的内部。
关键特性
多通道分布式实时应变和温度测试，毫米级空间分辨率，专业级测试系统
柔韧性好，质量轻，安装方便，提高测试效率
无源传感器，抗腐蚀，绝缘，能够铺设在传统传感器不能布置的地方，如：弯角、角落、嵌入到材料中
传感器寿命长，无漂移，无需重新校准，寿命循环大于1亿次
应变量程大，空间分辨率高，可用于测量复杂应变场和大的应变梯度
系统内置NIST标准气室，连续自动校准，无需中断测试
IEEE 1588 PTP网络时间同步
应用领域
研究新材料或复杂结构的内/外应变特性，加速研发进程
测试温度分布，优化严酷环境下的热设计和热管理
测量二维或三维结构应变分布，验证FE模型
评估多种材料连接部位力学性能
埋入光纤传感器，制作智能结构
这项新技术——“连续水平地应力测井系统（Continuous Horizontal In-situ Stress Logger，CHISL）”，使用LUNA的ODiSI®分布式光纤传感系统，对微裂缝和钻孔变形等现象进行直接、高分辨率的应变测量，再利用新算法对钻孔处进行应变测量，以评估最大和最小水平应力及影响。
图1：CHISL概念
岩体地应力测量为什么如此重要？
依赖地下作业的行业，如石油和地热工业，需要对地应力（在钻孔施工前就存在于岩体中的应力）进行准确评估。地应力会影响钻井、测量和流体注入（水力压裂、水驱、二氧化碳封存）以及断层再活化和诱发地震等现象。
业界专家怎么看？
壳牌公司地质力学学科专家Alexei Savitski认为：“可靠的地应力评估对于石油和天然气工业的许多应用至关重要。例如，页岩水力压裂的成功与否在很大程度上取决于其产生的裂缝缝高，而裂缝缝高又受到应力随深度变化的强烈控制。LUNA的技术能够以前所未有的分辨率评估应力深度剖面，最大水平应力是最不确定的地质属性之一，通常需要从其它数据推断得出，CHISL将这种不确定性大幅降低，对于评估断层再活化和诱发地震的风险至关重要。”
GameChanger项目赞助人Haiyong Cai解释说：“与LUNA合作开发这项技术非常符合GameChanger项目的要求，LUNA将这种新型应力测量技术从早期开发阶段提升到了“概念验证（proof-of-concept）”的水平，使得壳牌能够提出精确可靠的应力测量用案，将有可能大幅提高最终效益。”
LUNA的CHISL为何与众不同？
LUNA的“连续水平地应力测井系统（CHISL）”将光纤传感器集成到一个灵活的液压套管中向井壁施加压力，直到形成微小的纵向裂缝。与水力压裂不同的是，压裂液流入裂缝并确保裂缝在远离钻孔的地方延长，不会将液体流入诱发性裂缝导致断裂。CHISL能够提供新类型的测量数据，可用于提高安全性、生产效率和未来地质工程系统的优化。与传统的水力压裂技术相比，未来的现场作业将使用加固型传感器更高效的对前所未有的钻孔长度进行测量。这项技术，除了用于水力压裂法对岩层应力剖面分析外，还可应用于油井盖层完整性传感和复杂油井的优化钻井。
CHISL概念验证实验
我们在当地的一个石灰岩采石场对CHISL系统的断裂传感能力进行试验（图2），通过钻取一个HQ大小（钻孔直径96mm，岩芯直径63.5mm）的浅钻孔，采用巴西圆盘试样测试，得出岩石的抗拉强度为3,100 psi。
在CHISL作业前/后使用压裂封隔器，验证测试前/后的断裂状态，经过测量，我们发现并记录了一个自然存在的水平断裂。当CHISL组件膨胀时，在井壁的应变图中可以看到相同的水平裂缝，如图3所示。绘图的x轴是沿钻孔的深度，y轴是围绕圆柱形CHISL传感器圆周的极角。彩色绘图显示了嵌入式光纤传感器每个位置监测到的应变水平。
图3：水平裂缝监测图
对CHISL传感器进一步加压后，水平裂缝下方和上方出现了双翼裂缝，在不同角度的井壁上施加的压力不同，如图4所示。
图4：最小应力裂缝发生在水平裂缝两侧的不同压力和方向。
图表中的彩色部分代表了应变对压力增加的导数，有助于识别压力升高时应变的快速增长位置。在水平隔层下方，压力为2,500 psi时，裂缝产生在90°和270°位置；在水平隔层上方的地层，压力为3,700 psi时，裂缝产生在180°和330°位置。在1 m传感区域内，有足够的空间分辨率来检测单个裂缝的开口、长度以及沿孔深应力方向的变化，甚至可以同时测量两个不同的地层。
用CHISL传感器对钻孔进一步加压，直到4,900 psi的压力下出现双裂缝，如图5所示。270°处的新裂缝位于低压下产生的双翼裂缝间约90°的位置。同时观测到330°处的裂缝减少，在0°处出现了较长的新裂缝。根据理论，这种新裂缝与岩层中最大地应力有关。
图5：高分辨率光纤传感器观测到的双重断裂
下一个关键步骤是将这些局部测量值与远场应力状态联系起来，LUNA与合作伙伴团队开发了全新算法，可以根据高分辨率光纤传感器数据计算出远场应力状态。以如此高的空间分辨率和实时的可视化，监测岩体裂缝演变状况是前所未有的。
实验证明，CHISL系统有能力产生、测量并可视化对应于最小和最大水平应力的岩体裂缝。部署后，该技术将提供具有业界领先的一致性和深度分辨率的关键测量，从而实现更安全、更高效的油井作业。
关于LUNA ODiSI分布式光纤传感系统
ODiSI系列是一种基于OFDR技术，使用单模光纤作为传感器的创新型测试系统，为先进材料和复杂结构测试提供全新解决方案。ODiSI系列分布式光纤传感测试系统，具有毫米级空间分辨率，使用单模光纤，使之成为具有连续测试点的传感器，高空间分辨率能够帮助绘制应变/温度云图，在测试过程中实时显示。光纤传感器柔韧性好，体积小，不需要电源激励，能够粘贴固定在结构表面，尤其是大曲率结构表面；能够嵌入在结构内部，或者直接安装在电气结构的内部。
关键特性
多通道分布式实时应变和温度测试，毫米级空间分辨率，专业级测试系统
柔韧性好，质量轻，安装方便，提高测试效率
无源传感器，抗腐蚀，绝缘，能够铺设在传统传感器不能布置的地方，如：弯角、角落、嵌入到材料中
传感器寿命长，无漂移，无需重新校准，寿命循环大于1亿次
应变量程大，空间分辨率高，可用于测量复杂应变场和大的应变梯度
系统内置NIST标准气室，连续自动校准，无需中断测试
IEEE 1588 PTP网络时间同步
应用领域
研究新材料或复杂结构的内/外应变特性，加速研发进程
测试温度分布，优化严酷环境下的热设计和热管理
测量二维或三维结构应变分布，验证FE模型
评估多种材料连接部位力学性能
埋入光纤传感器，制作智能结构
