CN105785475B - 水力压裂震电联合探测系统、探测方法及野外工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水力压裂中勘探技术领域，具体地来讲为一种联合地震数据、电法数据以及震电数据的水力压裂震电联合探测系统、探测方法及野外工作方法。包括发射系统，接收系统以及移动终端构成，发射系统通过一对发射电极布置在压裂井以及回流井位置用来发射电信号，接收系统包括采集站以及与采集站连接的采集电极以及三分量检波器，通过采集电极用来采集压裂过程中的电信号以及震电信号；通过三分量检波器将振动信号转换为电信号输入至采集站；移动终端与接收系统之间通讯，通过采集接收系统的数据，实现对接收系统中的采集站的状态查询、参数设置以及数据监测等功能。能够在水力压裂过程中获得更好压裂裂缝监测结果。

Description

水力压裂震电联合探测系统、探测方法及野外工作方法

技术领域

本发明涉及水力压裂中勘探技术领域，具体地来讲为一种联合地震数据、电法数据以及震电数据的水力压裂震电联合探测系统、探测方法及野外工作方法。

背景技术

随着经济的发展，石油和天然气的需求量日益加剧，国内大量油气田已经进入开采后期，水力压裂是油气田开采中的重要手段，主要是利用压裂车将高粘度的压裂液注入到油层中使其出现裂缝,再加入支撑剂对裂缝进行填充，提高油气层的渗透能力，从而提高油气产量。压裂过程中裂缝的方向、长度、位置、变化和发育程度是评价和指导压裂施工的重要参数。微地震和电阻率法是水力压裂过程中常用的监测方法，微地震方法主要是对压裂过程中岩石破裂所产生的微地震进行检测，从而描述处压裂裂缝的展布信息。电阻率法主要是利用压裂液的低阻特性，对压裂前后的地表电位进行测量从而推断裂缝的方位。

由于含油气地层特殊的物理化学性质，地球物理场与场之间会相互激发，这种相互激发的数据作为新的物理勘探方法，可应用在油气田水力压裂勘探中，为油气田的水力压裂勘探提供新的检测方法。

油气田的开采越来越困难，已不能通过单一的探测方法实现有效的油气开采，越来越多的科研工作者提出更加有效的探测方法和探测装置。

CN104297783A公开了一种水力压裂微地震时间的解释方法以及系统，该方法主要是将地震信息与微地震事件相结合，运用地震数据中反应天然裂缝特征的属性及反应储层特性参数与微地震事件特征相结合，使得微地震事件分布特征的解释结果更有说服力，克服现有技术的中微地震解释技术仅停留在将微地震事件的产生与区域断层相联系上。这种方法虽然能更好的评估储层改造效果，但需要将微地震的数据与地震数据相结合，不仅要在压裂过程中获取微地震数据，还需要当地的地震数据，比较困难且可能无法实现。

CN101535840A公开了用于获取和解释震电和电震数据的方法，该方法主要是在用于表面下地球探测的方法，获取地球表面下选定区域的地震数据、震电数据、电震数据、和至少一种电磁勘探数据，以系统方式结合各种勘测方法的特性，将所得数据经过匹配从而产生地球表面下的模型。该发明利用多种地球物理勘探方法有效避免了单一勘探方法的多解性，并考虑电信号和震动信号之间的相互转换信号，通过多种数据的综合分析得到更准确的地球表面下模型。

CNIO3558648A公开了无缆井地电法与微地震联用系统及测试方法，该方法是用一套设备实现两种仪器的功能，减小设备投资，并发挥了两种仪器的优点，能够弥补一种探测方法的多解性，更加精确的监测压裂裂缝的走向。此方法虽能在原电法或微地震监测上提供较准确的裂缝结果，又由于压裂过程中微地震信号和电法信号的微弱，并无法有效解决两种勘探方法的多解性。并且此方法在将两种方法同时测量时，没有考虑地球物理场之间的相互耦合作用，数据处理时是按照各自的方法分别处理，从而会导致实验结果的错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于第一方面提供一种水力压裂震电联合探测系统；能够在水力压裂过程中获得更好压裂裂缝监测结果。

第二方面提供一种水力压裂震电联合探测系统的探测方法；

第三方面提供一种水力压裂震电联合探测系统的野外工作方法；

本发明是这样实现的，第一方面提供了一种水力压裂的有效检测系统，包括发射系统，接收系统以及移动终端构成，

所述发射系统通过一对发射电极布置在压裂井以及回流井位置用来发射电信号，

所述接收系统包括采集站以及与采集站连接的采集电极以及三分量检波器，通过采集电极用来采集压裂过程中的电信号以及震电信号；通过三分量检波器将振动信号转换为电信号输入至采集站；

所述移动终端与接收系统之间通讯，通过获取接收系统的数据，实现对接收系统中的采集站的状态查询、参数设置以及数据监测等功能。

第一方面进一步地：所述发射系统包括：

DSP控制单元，产生控制信号；

发射桥路，通过驱动电路与DSP控制单元连接接收控制信号；

发射电极，设置为两个，分别于发射桥路连接，用于发射电流；

恒流电源，通过与连接有直流电源的稳流电路连接后给发射桥路提供恒流电源；

稳流电路，通过直流电源提供电能，与所述DSP控制单元连接，通过接收DSP控制单元的信号确定恒流电源的电流值；

电流采样电路，通过连接发射桥路采集发射系统的实际发射电流。

第一方面进一步地：所述接收系统包括多个接收单元，每个接收单元包括一台采集站以及与采集站连接的一对采集电极，通过所述采集电极采集两点的电位差值；

以及一三分量检波器。

第一方面进一步地：所述采集站包括

检波器输入端，与三分量检波器连接；

多组信号调理电路，每组信号调理电路包括与检波器输入端连接的滤波网络对信号进行滤波处理、负责设置工作状态的模拟开关、对信号放大的前置放大器、以及将放大的信号进行调制的调制器；

电极输入端，与采集电极连接后，依次通过连接前端隔离电路、自然电位补偿电路、滤波网络、模拟开关、前置放大器以及调制器对信号处理；

DSP，与多个调制器的输出端连接，对接收的信号经过数字滤波；

FPGA，对经过DSP数字滤波的信号进行采集、测试、控制以及缓存处理；

ARM，通过数据总线与FPGA连接，读取FPGA中缓存的数据，并转存到CF卡中；并通过SPI接口与Wi-Fi模块连接实现采集站的近距离传输功能；通过UART与GPS模块连接，实现采集站的高精度授时与定位功能，通过以太网口与电脑终端6连接，实现数据的回收。

第二方面本发明提供了一种水力压裂震电联合监测系统的监测方法，采用上述的水力压裂的有效检测系统，包括以下步骤：

a、布设发射系统，将压裂井选取为一发射电极，回流井位置布设另一发射电极，连接好接收系统；

b、布设接收系统，按压裂要求和勘探计划排布图，排布好多个采集站，连接三分量检波器和采集电极，采集站开机。

c、数据测试，接收系统布设完毕后，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统同步接受，利用手持移动终端显示接收信号，完成采集站接收数据的测试；

d、背景场测量，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统记录压裂前的背景场；

e、微震事件和震电信号测量，关闭系统的发射系统，接收系统测量微地震数据和微地震产生的电信号；

f、异常电场测量，打开发射系统，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统测量压裂后的异常电场；

g、数据回收，利用电脑对采集站中的数据进行回收；

h、数据处理，利用所测量的电法数据、微地震数据、震电数据分别反演解释裂缝结果，对得到的结果综合考虑，去掉多解性结果，并根据每种方法的勘探特点全面的裂缝参数信息，得到最终结果，结束。

第三方面提供了一种水力压裂震电联合监测系统的野外工作方法，采用上述的水力压裂的有效检测系统，包括以下步骤：

A、根据压裂要求以及压裂现场情况，确定压裂方案，设计仪器排布计划图。

B、布设发射系统，在压裂井处布设一发射电极，在回流井处布设另一发射电极。

C、布设接收系统，按照事先设计仪器分布图进行布设，连接三分量检波器和采集电极；将三分量检波器埋深、调平，采集电极埋深后浇入饱和食盐水，保证电极和大地的完好连接；并记录采集站的站号以及所在测线位置；

D、在布设完成后，开启接收机，并发射测试波形；

E、测试接收仪器，利用手持设备查看采集站的参数设置情况，观察采集站所测量信号情况，如能观测到发射系统发射信号，证明电信号测量通路正常，然后跺脚检查振动信号是否测量正常；如果测量信号有问题，检查接收系统的连接情况，直至采集站能够正确测量到电、动信号；

F、预采集，在完成仪器测试后，发射系统发射方波或伪随机波形，接收系统同步采集，记录压裂现场噪声水平，等待压裂开始；

G、压裂开始前，发射系统发射要求测量信号，接收系统同步采集，测量压裂前的背景场；

H、压裂开始后关闭发射系统，接收系统采集压裂过程中的微震信号和震电信号；

I、压裂过程中，要保证采集电极和大地的完好连接，向所有采集电极位置浇饱和食盐水；

J、压裂结束后，发射系统发射方波或伪随波，接收系统同步采集压裂后的异常电场；

K、关闭仪器，回收设备；

L、结束。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明避免了一种勘探结果的多解性，为水力压裂提供了一套有效的监测方法和监测系统。方法在压裂前后分别获取其电信号、压裂过程中的微地震信号和在压裂过程中由微地震产生的电信号。利用获取的数据共同解释反演，从而获取更加精准的裂缝方位、宽度、走向等参数信息，为压裂施工过程提供有力的指导，增加石油产量。

附图说明

图1为水力压裂的有效检测系统检测示意图；

图2为发射系统的硬件结构框图；

图3为接收系统的结构框图；

图4为采集站的硬件结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1为本发明实施例提供的水力压裂的有效检测系统检测示意图包括发射系统1，接收系统12以及移动终端37构成，实现压裂前后的电信号、压裂过程中的微震信号和震电信号的测量。

参见图2，发射系统通过一对发射电极2布置在压裂井以及回流井位置用来发射电信号，其中一个发射电极布置在压裂井内，通入大电流，而另一个设置在回流井内，回流井位置应可看作是无穷远点。发射系统包括：DSP控制单元3，产生控制信号；发射桥路9，通过驱动电路4与DSP控制单元3连接接收控制信号，采用的是IGBT桥路；发射电极2，设置为两个，分别与发射桥路9连接，用于发射电流；恒流电源8，通过与连接有直流电源6的稳流电路7连接后给发射桥路提供恒流电压；稳流电路7，通过直流电源6提供电能，与DSP控制单元连接，通过接收DSP控制单元的信号确定恒流电源的电流值；电流采样电路11，通过连接发射桥路9采集发射系统的实际发射电流。而直流电源采用的大功率直流电源，直流电源连接大功率发电机5，DSP控制单元3通过驱动电路4和大功率恒流电源8经过发射桥路9实现，控制信号产生部分由DSP控制单元3实现。大功率发电机5的交流电首先经过整流滤波，再进入半桥电路进行逆变，最后经过调压和全波整流后输出为大功率直流电源6，大功率的直流电源6经过稳流单元7后提供给IGBT发射桥路9，发射桥路9连接保护吸收电路10为电路提供保护作用，连接电流采样电路11实时获取发射机的实际发射电流。

参见图3，接收系统包括采集站13以及与采集站13连接的采集电极15以及三分量检波器14，通过采集电极15用来采集压裂过程中的电信号、微震信号以及震电信号；通过三分量检波器14将振动信号转换为电信号输入至采集站13；

接收系统包括多个接收单元，每个接收单元包括一台采集站以及与采集站连接的一对采集电极，通过所述采集电极采集两点的电位差值；以及一三分量检波器。

参见图4，采集站具有数据采集单元17包括：检波器输入端141，与三分量检波器14连接；多组信号调理电路18，每组信号调理电路18包括与检波器输入端连接的滤波网络19对信号进行滤波处理、负责设置工作状态的模拟开关20、对信号放大的前置放大器21、以及将放大的信号进行调制的调制器22；

电极输入端151，与采集电极15连接后，依次通过连接前端隔离电路25、自然电位补偿电路26、电极滤波网络27、电极模拟开关27、电极前置放大器29以及电极调制器30对信号处理；

DSP23，与多个调制器的输出端连接，对接收的信号经过数字滤波；采用的是四通道24位数字抽取滤波器。

FPGA24，对经过DSP数字滤波的信号进行采集、测试、控制以及缓存处理；

ARM16，通过数据总线与FPGA24连接，读取FPGA中缓存的数据，并转存到CF卡33中；并通过SPI接口与Wi-Fi模块34连接实现采集站的近距离传输功能；通过UART与GPS模块35连接，实现采集站的高精度授时与定位功能，通过以太网口与电脑36连接，实现数据的回收。同时还连接有FLASH31以及SDRAM32。

移动终端37与接收系统之间通讯，通过采集接收系统的数据，实现对接收系统中的采集站的状态查询、参数设置以及数据监测等功能。

上述的水力压裂震电联合监测系统的监测方法，包括以下步骤：

a、布设发射系统，将压裂井选取为一发射电极，回流井位置布设另一发射电极，连接好接收系统；

b、布设接收系统，按压裂要求和勘探计划排布图，排布好多个采集站，连接三分量检波器和采集电极，采集站开机。

c、数据测试，接收系统布设完毕后，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统同步接受，利用手持移动终端显示接收信号，完成采集站接收数据的测试；

d、背景场测量，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统记录压裂前的背景场；

e、微震事件和震电信号测量，关闭系统的发射系统，接收系统测量微地震数据和微地震产生的电信号；

f、异常电场测量，打开发射系统，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统测量压裂后的异常电场；

g、数据回收，利用电脑对采集站中的数据进行回收；

h、数据处理，利用所测量的电法数据、微地震数据、震电数据分别反演解释裂缝结果，对得到的结果综合考虑，去掉多解性结果，并根据每种方法的勘探特点全面的裂缝参数信息，得到最终结果，结束。

上述的水力压裂震电联合监测系统的野外工作方法包括以下步骤：

A、根据压裂要求以及压裂现场情况，确定压裂方案，设计仪器排布计划图。

B、布设发射系统，在压裂井处布设一发射电极，在回流井处布设另一发射电极。

C、布设接收系统，按照事先设计仪器分布图进行布设，连接三分量检波器和采集电极；将三分量检波器埋深、调平，采集电极埋深后浇入饱和食盐水，保证电极和大地的完好连接；并记录采集站的站号以及所在测线位置；

D、在布设完成后，开启接收机，并发射测试波形；

E、测试接收仪器，利用手持设备查看采集站的参数设置情况，观察采集站所测量信号情况，如能观测到发射系统发射信号，证明电信号测量通路正常，然后跺脚检查振动信号是否测量正常；如果测量信号有问题，检查接收系统的连接情况，直至采集站能够正确测量到电、动信号；

F、预采集，在完成仪器测试后，发射系统发射方波或伪随机波形，接收系统同步采集，记录压裂现场噪声水平，等待压裂开始；

G、压裂开始前，发射系统发射要求测量信号，接收系统同步采集，测量压裂前的背景场；

H、压裂开始后关闭发射系统，接收系统采集压裂过程中的微震信号和震电信号；

I、压裂过程中，要保证采集电极和大地的完好连接，向所有采集电极位置浇饱和食盐水；

G、压裂结束后，发射系统发射方波或伪随波，接收系统同步采集压裂后的异常电场；

K、关闭仪器，回收设备；

L、结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水力压裂的有效检测系统，其特征在于：包括发射系统，接收系统以及移动终端构成，

所述发射系统通过一对发射电极布置在压裂井以及回流井位置用来发射电信号，

所述接收系统包括采集站以及与采集站连接的采集电极以及三分量检波器，通过采集电极用来采集压裂过程中的电信号以及震电信号；通过三分量检波器将振动信号转换为电信号输入至采集站；

所述移动终端与接收系统之间通讯，通过获取接收系统的数据，实现对接收系统中的采集站的状态查询、参数设置以及数据监测功能；

所述采集站包括：

检波器输入端，与三分量检波器连接；

多组信号调理电路，每组信号调理电路包括与检波器输入端连接的滤波网络对信号进行滤波处理、负责设置工作状态的模拟开关、对信号放大的前置放大器、以及将放大的信号进行调制的调制器；

电极输入端，与采集电极连接后，依次通过连接前端隔离电路、自然电位补偿电路、滤波网络、模拟开关、前置放大器以及调制器对信号处理；

DSP，与多个调制器的输出端连接，对接收的信号经过数字滤波；

FPGA，对经过DSP数字滤波的信号进行采集、测试、控制以及缓存处理；

ARM，通过数据总线与FPGA连接，读取FPGA中缓存的数据，并转存到CF卡中；并通过SPI接口与Wi-Fi模块连接实现采集站的近距离传输功能；通过UART与GPS模块连接，实现采集站的高精度授时与定位功能，通过以太网口与电脑终端连接，实现数据的回收。

2.按照权利要求1所述的水力压裂的有效检测系统，其特征在于：所述发射系统包括：

DSP控制单元，产生控制信号；

发射桥路，通过驱动电路与DSP控制单元连接接收控制信号；

发射电极，设置为两个，分别与发射桥路连接，用于发射电流；

恒流电源，通过与连接有直流电源的稳流电路连接后给发射桥路提供恒流电源；

稳流电路，通过直流电源提供电能，与所述DSP控制单元连接，通过接收DSP控制单元的信号确定恒流电源的电流值；

电流采样电路，通过连接发射桥路采集发射系统的实际发射电流。

3.按照权利要求1所述的水力压裂的有效检测系统，其特征在于：所述接收系统包括多个接收单元，每个接收单元包括一台采集站以及与采集站连接的一对采集电极，通过所述采集电极采集两点的电位差值；

所述接收系统还包括一三分量检波器。

4.一种水力压裂震电联合监测系统的监测方法，其特征在于，采用权利要求1-3所述的水力压裂的有效检测系统，包括以下步骤：

a、布设发射系统，将压裂井布设一发射电极，回流井位置布设另一发射电极，连接好接收系统；

b、布设接收系统，按压裂要求和勘探计划排布图，排布好多个采集站，连接三分量检波器和采集电极，采集站开机；

c、数据测试，接收系统布设完毕后，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统同步接收，利用手持移动终端显示接收信号，完成采集站接收数据的测试；

d、背景场测量，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统记录压裂前的背景场；

e、微震事件和震电信号测量，关闭系统的发射系统，接收系统测量微地震数据和微地震产生的电信号；

f、异常电场测量，打开发射系统，发射系统发射方波或伪随机信号，接收系统测量压裂后的异常电场；

g、数据回收，利用电脑对采集站中的数据进行回收；

h、数据处理，利用所测量的电法数据、微地震数据、震电数据分别反演解释裂缝结果，对得到的结果综合考虑，去掉多解性结果，并根据每种方法的勘探特点全面的裂缝参数信息，得到最终结果，结束。

5.一种水力压裂震电联合监测系统的野外工作方法，其特征在于，采用权利要求1-3所述的水力压裂的有效检测系统，包括以下步骤：

A、根据压裂要求以及压裂现场情况，确定压裂方案，设计仪器排布计划图；

B、布设发射系统，在压裂井处布设一发射电极，在回流井处布设另一发射电极；

C、布设接收系统，按照事先设计仪器分布图进行布设，连接三分量检波器和采集电极；将三分量检波器埋深、调平，采集电极埋深后浇入饱和食盐水，保证电极和大地的完好连接；并记录采集站的站号以及所在测线位置；

D、在布设完成后，开启接收机，并发射测试波形；

E、测试接收仪器，利用手持设备查看采集站的参数设置情况，观察采集站所测量信号情况，如能观测到发射系统发射信号，证明电信号测量通路正常，然后跺脚检查振动信号是否测量正常；如果测量信号有问题，检查接收系统的连接情况，直至采集站能够正确测量到电、动信号；

F、预采集，在完成仪器测试后，发射系统发射方波或伪随机波形，接收系统同步采集，记录压裂现场噪声水平，等待压裂开始；

G、压裂开始，发射系统发射要求测量信号，接收系统同步采集，测量压裂前的背景场；

H、压裂开始后关闭发射系统，接收系统采集压裂过程中的微震信号和震电信号；

I、压裂过程中，要保证采集电极和大地的完好连接，向所有采集电极位置浇饱和食盐水；

J、压裂结束后，发射系统发射方波或伪随波，接收系统同步采集压裂后的异常电场；

K、关闭仪器，回收设备；

L、结束。