CN106170605A - 对诱发断裂中的支撑剂进行定位和成像的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了玻恩散射反演(BSI)系统和方法。BSI系统可以被集成在用于获取地球表面下方的地质构造中的天然气、石油、以及地热储量的井系统中。BSI系统可以被用来生成地质构造中的填充有支撑剂的以液压方式产生的断裂的三维图像。BSI系统可以包括计算设备和传感器，用于测量在断裂被生成之前和之后该断裂的附近区域中的电磁场、使用测量出的电磁场调节表面电磁场的散射分量的第一玻恩近似模型的参数、并且使用经调节的参数生成填充有支撑剂的断裂的图像。

Description

对诱发断裂中的支撑剂进行定位和成像的系统和方法
政府利益的声明
美国政府根据美国能源部与运营桑迪亚国家实验室的桑迪亚公司之间的合同No.DE-AC04-94AL85000享有本发明的权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年3月5日递交的美国临时专利申请No.61/948,169的利益和优先权，该申请的内容通过引用被全部结合于此。
背景技术
由于世界人口的增加，一直在研究用于获取包括天然气、石油、以及地热储量在内的能源的有效机制。用于获取天然气、石油、以及地热储量的一种示例性技术被称为水力压裂。水力压裂是利用压裂液在地质构造中引起并随后传播断裂的过程。为了产生地质构造中的断裂，钻头被用来产生深达数千英尺(直到达到期望的地质构造)的井筒。井孔套管被放置在井筒中。井孔套管一般包括钢制品。井孔套管被固定到位，以使井孔套管相对于地球固定。
水力压裂通常被用来增强页岩地质构造的流体流渗透性，用于石油(石油和/或天然气)和地热能生产。在井孔套管被固定到位之后，压裂液泵入井筒并且以超过地质构造的断裂梯度的压力通过井孔套管中的穿孔。这样的压力使得地质构造断裂。压裂液泵入井筒继续进行，以将断裂延伸到地质构造中。随着断裂的延伸，支撑剂被加入压裂液并且被泵入井孔进入断裂中，从而在压裂液的泵入停止时支撑断裂。这使得地质构造经由断裂变得具有渗透性，从而允许天然气或石油能够被从地质构造中提取出来。可以使用竖直、水平、和/或倾斜井来产生水力断裂。这个过程通常被称为水力压裂。
由于一般的断裂发生在地球表面以下的数千英尺，并且由于断裂可以在各种方向和方位从井筒开始延伸，所以难以确定断裂在地质构造中的位置。已经开发出了这样的模拟技术，其中在水力压裂操作之前，计算由于电流通过井筒施加到各种假设断裂而导致的地球表面的电磁场。在水力压裂操作后，使用在地球表面测量出的电磁场，从各种假设断裂中进行选择。尽管这些模拟技术已经在帮助对诱发断裂进行定位中取得成功，但是它们受到用于计算预测场的假设断裂的数目和准确度的限制。
与正向模拟方法相反，长期以来一直期望提出一种逆向模拟方法，其中使用测量出的场来推断断裂的位置和方位，而不是简单地从一组假设断裂中进行选择。但是，为了使用传统技术根据测量出的EM场数据推断断裂位置、方位、几何形状等，必须多次计算EM场数据并将其与测量出的场数据进行比较。由于计算模型的计算时间会很长，所以在提取天然气、石油、或者地热资源之前并且在水力压裂操作之后等待这种类型的逆向模型计算是不经济且不实际可行的。因此，尚不存在经济且计算可行的逆向模拟方案。
所以，期望提供一种用于从地质构造中提取天然气、石油、和地热储量的、评估井水力压裂完井技术的系统和方法。
发明内容
下面是这里更详细的描述的主题的概要。该概要不用于限制权利要求的范围。
这里描述了关于对地质构造中的断裂的特性进行模拟的各种技术。这些特性是从所确定的支撑剂和/或断裂特性确定或推断出来的。断裂可以被用于从地质构造中提取天然气、石油、和地热储量。
所公开的方法和相关模拟利用从感兴趣的地下地质、地球物理、或人工特征散射的电磁(EM)能量来生成该特征的高分辨率的三维(3D)图像。该方法包括：在地下地质构造中产生的水力断裂已经被注入具有良好EM特性的支撑材料(“支撑剂”)之后，生成该断裂的图像或表示。
在各种实施例中，支撑剂充填层和断裂的诸如大小、形状、位置、方位、和/或程度的特性可以通过经济且计算可行的逆向模拟操作来确定。该模拟操作可以被用来生成支撑剂材料在断裂中的三维图像。这里使用的术语“支撑剂材料”或“支撑剂”是指包括很多(例如，数千、数百万、甚至更多)独特支撑剂颗粒或元素的材料。
根据本发明，公开了这样一种模型，该模型估计或计算地球表面或者地球表面附近的一个或多个传感器位置处的电磁(EM)场值，然后基于传感器在水力压裂操作之前和之后收集的测量出的电磁场数据对该模型的地球体积中的计算出的EM场值进行调节。该模型包括地球的至少包括地质构造和井筒的一部分的体积的地球物理模型(可以被称为“地球模型”)。地球物理模型是感兴趣的体积的EM介质特性的三维表示，包括但不限于该体积上的地质构造、井筒和井孔套管、覆盖层、以及地球表面。
该模型包括第一玻恩近似(FBA)模型组件，该组件在这里可以被称为第一玻恩近似模拟过程、计算、或操作。FBA模型包括使用在压裂操作之前和之后获取的测量出的EM场来调节FBA模型中的参数的计算。该方法可以被称为玻恩散射反演(BSI)操作。
FBA是对麦克斯韦方程的数学近似(电磁控制方程)，其假设因局部材料特性反差(例如，地质构造中的填充有支撑剂的断裂)散射的电磁波场的强度与入射电磁波场的强度和这种反差的幅度线性相关。在FBA模型中，可以使用一组可调参数来描述各种位置处的这种反差。
FBA模拟操作包括电磁模拟算法的两次连续执行。在第一次执行中，计算地球体积中的一个或多个预定位置处的入射电磁场(可以被称为主EM场)。在第二次执行中，将每个预定位置作为由前一次计算出的入射电磁场波形激活的电磁波场源(有时被称为玻恩散射体或者玻恩散射源)进行处理。在第二次执行中，计算来自地球表面的传感器位置处的玻恩散射体的散射EM场(可以被称为次电磁场)。
FBA模型的可调参数是确定入射电磁波场和散射电磁场的强度之间的关系的标度值。这些标度值对应于多个玻恩散射体的散射幅度。散射电磁场是使用诸如可调参数的初始值(如单位值)、或者EM参数的估计值计算出来的。
在压裂和支撑剂放置之前和之后，测量或获取EM场数据。水力压裂操作之前、期间、和/或之后的场数据之间的差异等于主要由地球体积内的一些位置的电磁特性的改变生成的散射EM场。这些位置中的一些位置处的EM特性的改变可能是由于存在于断裂中的支撑剂导致的。因此，可以将在水力压裂操作之前和之后测量出的场数据之间的差异与计算出的来自玻恩散射体的散射EM场相比较，以确定支撑剂或支撑剂充填层位置。
然后，使用场数据来调节FBA模型的参数，从而使得计算出的散射EM场与测量出的EM场间的差异匹配到预定或者主动确定的范围内。在一些实施例中，可调参数的经调节的值由测量出的场数据确定。在一些实施例中，调节参数可以包括直接求解经调节的参数的线性逆运算。在另一实施例中，可以通过诸如，但是不限于EM迁移、全波形反演、以及蒙特卡罗技术之类的调节参数强度的另一技术或操作来调节参数。针对每个位置的经调节的参数可以指示该位置处是否存在支撑剂，因为玻恩散射体的位置处的EM特性的改变是由于这些位置存在(或缺失)支撑材料导致的。
在一个说明性示例中，针对一玻恩散射体的经调节的参数等于0可以指示该玻恩散射体不位于填充有支撑剂的断裂内或者断裂不存在。针对另一玻恩散射体的经调节的参数不等于0可以指示该玻恩散射体位于填充有支撑剂的断裂内。因此，经调节的参数值可以被用来确定支撑剂在断裂中的位置、形状、大小、程度、和/或方位。在使用玻恩散射体的三维分布的模拟操作中，经调节的参数值可以被用来形成支撑剂在井系统内的断裂或者其他地方的三维图像。
根据实施例，提供了一种系统，该系统包括数据库和处理器，该处理器计算EM场值，接收测量出的EM场数据，并且基于测量出的EM场数据调节计算出的EM场值。数据库和处理器可以包括一个或多个数据库和/或处理器。
根据实施例，数据库存储地球的包括地质构造和井筒在内的体积的地球物理模型、该体积内的一组玻恩散射体位置、用于模拟或计算EM数据的EM模型、以及一组传感器位置。处理器使用EM模型和地球物理模型计算一组传感器位置处的EM场值，并且接收在一组传感器位置处收集的测量出的EM场数据，以调节EM参数。电磁模型包括第一玻恩近似模型，该第一玻恩近似模型计算该体积内的一组预定位置处的多个玻恩散射体的幅度。
根据另一实施例，处理器通过计算该体积内的一组预定玻恩散射体位置处的主电场值、并且使用该体积内的该组玻恩散射体位置处的主电场值计算该组传感器位置处的次电场值，来计算该组传感器位置处的EM场值。
根据一个实施例，提供了一种方法，该方法包括：使用具有可调参数的模型确定多个散射电磁场值；执行水力压裂操作，以产生地质构造中的断裂；向断裂中提供电磁特性适当的支撑剂；在水力压裂操作之前，收集多个传感器位置处的多个测量出的电磁场值；在断裂中提供有电磁特性适当的支撑剂的情况下，收集第二多个传感器位置处的额外的多个测量出的电磁场值；确定多个测量出的电磁场值和额外的多个测量出的电磁场值之间的差异；以及基于在压裂之前和压裂之后多个散射电磁场值之间的差异的比较修改至少一些可调参数。该模型包括第一玻恩近似模型部分。根据实施例，第一多个传感器位置与第二多个传感器位置相同。根据另一实施例，第一多个传感器位置与第二多个传感器位置不同。
根据实施例，提供了一种系统，该系统包括：导电的井孔套管，位于从地球表面延伸到地球内部的地质构造的井筒中；电源，导电地耦合到导电的井孔套管；支撑剂，位于地质构造中的断裂中并且导电地耦合到井孔套管；多个传感器，位于对应的多个传感器位置，其中，该些传感器被配置为收集在电流被使用电源施加到导电的井孔套管时生成的电磁场数据；以及计算设备，该计算设备包括：存储器，该存储器存储基于包括多个可调标定因子的第一玻恩近似模型的多个传感器位置处的多个电磁场值，以及处理器，被配置为从多个传感器接收电磁场数据，基于电磁场数据调节可调标定因子，并且使用经调节的标定因子生成支撑剂的图像。
根据本发明的实施例，公开了用于对断裂进行成像的系统和方法，其中该方法和系统包括EM数据的现场采集、良好的支撑剂材料在断裂内的插入、所记录的数据的计算机处理和模拟、以及最终构建3D图像。在水力压裂操作之前和之后，获取两组电磁场数据。所记录的EM数据包括在一组接收器位置Xr处观测到的电矢量e(Xr,t)、磁矢量h(Xr,t)、或者它们二者的分量的时间序列。
根据本发明的实施例，现场数据获取方法包括：两个记录试验中的EM能量源和传感器占据相同或者类似的位置。其他记录条件(例如，EM能量源大小、波形、和方位；EM接收器灵敏度和方位；记录系统过滤器和采样性质等)在两次数据收集之间保持相等，或者尽可能接近。EM能量的外部源应该被最小化，并且与所重复的试验相关联的环境噪声等级应该基本相同。目的在于，来自两个试验的记录EM数据中的差异仅可归因于填充有支撑剂的断裂的存在。该方法不限于任何特定的现场数据获取配置。相反，EM能量源和接收器可以被部署在地球表面上或者部署在地下钻孔(竖直、水平、下沉的)中。可以利用EM源和接收器的线阵、面阵、甚至体积阵(具有多个钻孔)。但是，源和接收器靠近感兴趣的目标将增强所记录的EM信号等级，并提供更好约束的反演结果。
根据本发明的另一实施例，在压裂和支撑剂放置之前和之后使用的EM能量源和/或传感器不被放置在相同位置，但是数据被内插以确定相同的地球物理位置处的EM信号的差异。
在断裂产生后，断裂被注入以处理不同于周围地质构造的EM特性的支撑剂材料。重要的EM特性是电导率(σ)、透电率(ε)、以及磁导率(μ)。相对于周围介质而言，可以增强支撑剂的这些特性中的任意一个或者任意组合(同时包括所有三个)。支撑剂与地质构造之间的EM材料特性反差越强，在压裂之后的数据获取试验中记录的散射电磁波场越强。
用于对填充有支撑物的断裂进行成像的基本数据包括断裂之前和断裂之后的现场试验所记录的EM数据之间的差异。该差异数据由数值算法基于应用于电磁波场传播/扩散的第一玻恩近似(FBA)直接模拟(或者模仿)。FBA假设，因材料特性(例如，填充有支撑剂的断裂)的局部反差散射的EM波场的强度与入射EM波场的强度和参数反差的幅度线性相关。FBA方法包括EM模拟算法的两次连续执行。在第一次运行中，入射到3D目标上的EM波场由分布在该目标占据的体积上的有限的一组多组件EM接收器记录。对于在钻孔中的已知点处发起的水力断裂的情况，很容易做出该体积的位置和程度的合理估计。在第二次FBA模拟运行中，接收器被认为是由入射EM波形激活的EM波场源。源幅度和与目标材料(断裂中的支撑剂)相关联的EM特性反差(电导率、透电率、磁导率)成比例。从这些源(通常被称为“玻恩散射源”)辐射的EM波场由位于现场数据获取位置的传感器记录。对于两次FBA模拟运行的一个重要考虑是，支持电磁波传播的3D EM地球模型的良好估计是可获得的。任何优选的数值模拟方法(即，有限差分、有限元、非连续加勒金、格林函数、层状介质传播等)可以被用来计算EM数据。这里描述的断裂成像方法不依赖于特定的数值技术。
FBA模拟直接模拟两个现场试验记录的EM数据之间的差异。当然，计算出的数据和观测出的数据之间的精确一致由于以下两个原因最初是不期望的：i)支持EM波传播的3D数字地球模型不同于3D真实地球模型(希望仅稍稍不同)；ii)不是精确地知道位于目标体积中的玻恩散射源的强度。在断裂成像过程的该步骤中，这些源的强度被调节，直到计算出的EM数据和观测出的EM数据之间的差异落在规定的容限范围内。数据失配的常用度量是观测出的EM时序数据与FBA模拟方法模拟出的模拟数据之间的加权最小二乘差。在这种背景下，词语“数据”是指断裂之前的试验和断裂之后的试验记录的EM时序数据之间的差异。所描述的过程构成了地球物理反演问题，因而玻恩散射源的强度是通过对数据失配进行最小化定量地推定的。实际上，这是经由比线性代数相对简单的方法求解的线性反演问题。该反演问题的尺寸或者“规模”由玻恩散射源的数目(等于分布在目标体积上的多组件EM接收器的数目)确定，该数目可以在小几千以内。
在很多玻恩散射源的强度被确定后，填充有支撑剂的断裂的图像通过对这些玻恩散射体的3D分布进行可视化处理被获取(利用任意优选的可视化软件)。视觉图像(或者地图、或者图片)被进行幅度校准，以区分空间可变的散射强度。可以使用彩色绘图方案对视觉图像进行幅度校准。这些强度与注入的支撑剂相对于周围地质介质具有的EM特性(电导率、透电率、磁导率)的反差成比例。实际上，断裂由经幅度校准的玻恩散射源的3D分布定义。如果支撑剂不具有足够的参数反差或者如果没有被注入到水力断裂的偏远部分，则其将不能经由该技术被成像。所公开的过程可以被用来推断支撑剂在断裂中填充的空间程度。
在阅读并理解附图和描述后将明白其他方面。
附图说明
图1是根据实施例的被配置为从地球表面下方的地质构造提取天然气或石油的井系统的示例性示意图。
图2是根据实施例的示出水力压裂操作之前的地质构造中以及地质构造周围的玻恩散射体的位置的井系统的一部分的示例性示意图。
图3是根据实施例的示出水力压裂操作之后的地质构造中以及地质构造周围的与图2中的玻恩散射体相同的玻恩散射体的位置的井系统的一部分的示例性示意图。
图4是根据实施例的被布置在三维网格中的一组玻恩散射体的示例性示意图。
图5是根据实施例的有助于计算支撑剂在地球表面下方的地质构造中的位置和图像的示例性系统的功能框图，该功能框图示出了数据可以被该系统如何传输和计算。
图6是根据实施例的示出用于计算支撑剂在地球表面下方的地质构造中的断裂内的位置、长度、方位、和/或图像的示例性过程的流程图。
图7是根据实施例的示出图6的示例性过程的进一步细节的流程图。
图8是根据实施例的示出图7的示例性过程的进一步细节的流程图。
图9是根据实施例的示例性计算系统。
具体实施方式
现在将参考附图描述关于对地质构造中的断裂进行模拟的各种技术。另外，出于说明的目的示出并描述了示例性系统的多个功能框图；但是，将理解的是被描述为由某些系统组件实现的功能可以由多个组件执行。类似地，一组件可以被配置为执行被描述为由多个组件实现的功能。另外，这里使用的术语“示例性”表示用作说明或者示例，而不用于指示优选。
这里使用的术语“组件”用于涵盖被配置有在被处理器执行时使得某个功能被执行的计算机可执行指令的计算机可读数据存储装置。计算机可执行指令可以包括例程、函数等。还将理解的是，组件或系统可以位于单个设备上，或者被分布在多个设备上。
现在参考图1，公开了根据本公开实施例的提取系统(系统)100。提取系统100被配置为通过诱发断裂117提取天然气、石油、或者地热资源。系统100包括井筒102，该井筒从地球表面104延伸到包含石油、天然气、或者地热资源的地下地质构造(构造)106。尽管井筒102被示出为在本质上是竖直的，但是将理解的是，井筒102和/或构造可以是竖直的、水平的、下沉的、对角线的、倾斜的、或者它们的任意组合。公知的是，井筒一般可以竖直地延伸至地下构造，然后转为水平并水平或者横向延伸通过该构造。在这种配置中，诱发断裂117可以竖直和/或水平地从井筒102向外延伸。在示例性实施例中，构造106可以位于地球表面104下方数千英尺。构造106例如可以包括页岩。井孔套管108可以被放置在井筒102中，并从表面104延伸到构造106或者延伸通过构造106达到其下方。井孔套管108可以通过任何合适的方法被安装在井筒102中。一般，井孔套管108由钢制品形成。水泥稳定剂110可以被形成，以将井孔套管108固定在井筒102中。水泥稳固剂110在压裂液和/或支撑剂被传输至构造106(可能在高压下)时对套管108进行稳固。水泥稳固剂110还可以在天然气、石油、或者热流体通过井筒102被从地质构造106提取出来时对井孔套管108进行稳固。
通过利用高压下的压裂液，包括第一部分118和第二部分120的断裂117在构造106中诱发出。在该示例性实施例中，构造117被简化示出为第一和第二部分118、120；但是，应该理解的是，断裂117可以包含水平、竖直、以各种角度延伸、并且与其他诱发断裂分离或者从它们分支出来的若干或者多个断裂。断裂可以在所有方向从井筒102横向和竖直地延伸一定距离。支撑剂119被沿井筒102向下传导，并且填充或者部分填充断裂117的第一部分118，从而使得第一部分118保持开放(进而使得构造106对于流体流更具渗透性)。填充第一部分118的支撑剂119可以被称为填充断裂117的第一部分118的“支撑剂填充层”。断裂117的第二部分120没有填充支撑剂119，并且一般被填充以水、沙、气体、和/或来自周围构造106的其他岩石颗粒。
一般位于地球表面104上的电流源112在电流注入(或者电流施加)点116被耦合到套管108(例如，电流注入点位于井筒102的底部附近，靠近地质构造106和填充有支撑剂的断裂118并且接触套管108)。在另一实施例中，电流源112可以位于地球表面上或者地球表面下方。在另一实施例中，电流注入点116可以位于地质构造106内，但是不与断裂部分118接触，或者它可以完全位于地质构造106外部。电流经由井筒102内的绝缘导线114被从电流源112运载至注入点116。替代地，绝缘导线114可以位于套管108外部(即，在套管108和水泥110之间)。在又一实施例中，电流源112可以位于井筒102内，靠近电流注入点116。电流源112可以被配置为生成各种类型的电流波形(即，脉冲、连续波、或者重复或周期波形)。因此，井孔套管108可以通电，并且充当空间延伸的电流源。
由源112生成的一些电流可以从井孔套管108行进通过地质构造106的诱发断裂117的支撑剂119。由井孔套管108中的电流生成、并且传播至地球体积中的各种位置的电磁场会由于在支撑剂119注入到断裂117之后支撑剂的存在而被改变。
可以选择具有用于生成、传播、和/或散射可以在地球表面104检测到的电磁场的合适电磁特性的支撑剂119。例如，可以选择具有特定透电率、磁导率、电导率、和/或不同于构造106的周围岩石的对应特性的其他电磁或机械特性的支撑剂119。这样，断裂117的被填充以支撑剂119的第一部分118将具有与断裂117的没有被填充以支撑剂119的第二部分120、以及周围地质构造106的岩石不同的电磁特性。支撑剂119可以例如，由导电材料形成，以显著增强第一部分118的导电率。
在一个实施例中，被注入到井筒和断裂中的所有支撑剂可以由导电的支撑剂材料形成。但是，这只是说明性的。在各种实施例中，支撑剂材料可以包括在井筒和/或断裂的不同部分中具有不同电磁特性的部分。例如，在一些情形下，可能期望井筒或断裂的一部分(例如，距离井筒最远的断裂部分、或者距离井筒最近的断裂部分)具有导电的支撑剂，另一部分具有非导电的支撑剂。在另一示例中，可能期望支撑剂材料具有作为支撑剂在断裂中的位置的函数的、连续或离散变化的电磁特性。
将具有不同电磁特性的支撑剂材料(例如，非导电和导电的支撑剂)提供到断裂中可以包括在将支撑剂材料以连续或离散变化的时间间隔注入到井筒时将不同浓度的导电材料混合到支撑剂材料中，或者可以包括首先将导电支撑剂注入井筒中然后将非导电支撑剂注入井筒中(作为示例)。在一个实施例中，支撑剂可以包括导电和非导电的支撑剂材料二者。例如，被提供到井筒中的前百分之五、十、或者二十的支撑剂材料可以是导电的支撑剂，并且被提供到井筒中的剩余的百分之九十五、九十、或者八十的支撑剂材料可以是非导电的支撑剂，从而使得只有断裂(或者只有断裂的前段)可以被填充以支撑剂材料的导电部分。应该明白的是，这些示例只是说明性的，并且一般任何电磁特性合适的支撑剂材料可以被提供。
位于地球表面104的电流源112生成顺着绝缘导线114流到靠近地质构造106的电流注入点116、以及包含在地质构造106中的填充有支撑剂的第一断裂部分118的电流。当注入点114与井孔套管108和填充有支撑剂的第一断裂部分118直接物理接触时，电流可以从注入点流到导电的井孔套管108和填充有导电的支撑剂的第一断裂部分118。井孔套管108中的电流一般从注入点116竖直向上或向下流动，并且在横向向外流到填充有支撑剂的第一断裂部分118中的地质构造106中。由井孔套管108和支撑剂119中的电流生成的电磁场112传播到地球的三维体积中的各种位置。在另一实施例中，电流源可以位于地球表面下方或者上方。
与电磁波122相关联的电流一般流向位于地球表面104上的电流接地点124。在另一实施例中，接地点124可以靠近或者远离井筒102，位于地球表面上或者位于地球表面稍下方。在另一实施例中，接地点124可以在距离井和提取系统100和/或地质构造系统106相对较近或者较远的另一钻孔中的表面104下方。另一钻孔可以或者可以不被用在压裂过程中。接地点124经由绝缘导线126连接至电流源112。这样，绝缘导线114、电流注入设备116、井孔套管108、填充有支撑剂的第一断裂部分118、在地球中传播的电磁波122、接地设备124、以及绝缘导线126构成运载来自电流源112的电流并最终将电流运载回电流源112的“闭环”。在一个实施例中，绝缘导线114可以被加以防护罩。
诸如传感器128的一个或多个传感器被放置在地球表面104上。在另一实施例中，一个或多个传感器128可以被放置在表面104上、上方、或者下方。传感器128被用来检测诸如，从通电的井孔套管108和填充有支撑剂的第一断裂部分118传播到传感器128的电磁波122的电磁场。传感器128包括用于感测EM波的变换器(未示出)。传感器128可以包括用于发送、处理、数字化、或者操控电磁场数据的一个或多个天线和接收器电路。
传感器128可以位于诸如传感器位置L1和L2之类的对应位置处。可以在表面104或者附近以一维、二维、或者三维分布部署传感器128。例如，传感器128可以被放置在表面104上、表面104下方、和/或悬挂或者安装在表面104上方。另外，传感器128可以被部署在位于接近、或者距离地质构造106一定距离的各种其他地下钻孔中。在各种实施例中，用于检测电磁场的传感器128的最佳位置可以通过数值模拟确定。传感器128可以包括适用于检测电场和/或磁场并将这些物理信号转换为随后被转发给数据记录系统130的电压的各种类型的物理传感器。具体地，可以使用通常用于地球物理探测或特性描述目的的传感器(例如，孔式电位计(“ports”)、金属电极、电/磁拾波线圈、天线)。
传感器128被连接到数据记录系统130。数据记录系统130具有接收、放大、过滤、数字化、处理、以及操控传感器128响应于入射电磁波122生成的电压信号的能力。另外，数据记录系统130可以将这些数字化的经处理的信号存储在其中包含的适当记录介质上。替代地，数据记录系统130可以将接收到的信号发送给计算设备132，其中另外的处理操作可以在该计算设备上进行并且数据可以被存储在该计算设备上。计算设备132可以位于靠近数据记录系统130的位置，或者其可以被放置在远程位置。记录系统130和计算设备132之间的数据传输可以经由电线、或者经由无线电传输技术。
在一些实施例中，传感器128、数据记录系统130、以及计算设备132可以被集成在能够被部署在地球表面104上或者地下钻孔中的单个物理封装或单元中。这样，信号传导、放大、过滤、数字化、处理、以及存储等各种功能被包含在一个物理设备中。
计算设备132可以被用来存储代表支持传播电磁波122的地球的三维体积(其包括包含断裂117的特定地质构造)的地球物理/地质模型。其还可以存储对应电流注入点116的已知位置、以及电源112生成的电流的已知幅度和波形的数据。其还可以存储具有相关联的套管108和水泥110的井筒102的已知三维配置、以及电磁传感器128的已知位置。其还可以存储对应地球的地下体积中的多个玻恩散射体的位置的数据。
计算设备132还可以存储适用于计算各种电磁场的数值算法，这些电磁场包括入射到表面传感器128的电磁场(利用电磁波122)、入射到表面玻恩散射体位置的电磁场、或者由这些地下玻恩散射体散射的电磁场。计算设备132还可以处理数值算法，用于接收来自传感器128和/或记录系统130的电磁场数据、使用这些接收到的电磁数据调节地下的第一波恩近似模型的参数、并且使用这些经调节的参数确定支撑剂119在断裂118中的位置和几何形状。计算设备132还可以用于使用适当的视觉软件通过在三维空间中标示出玻恩散射体的幅度来生成断裂117的填充有支撑剂的部分118的图像。计算设备132可以执行与用于对断裂117的填充有支撑剂的部分118进行成像的玻恩散射反演(BSI)过程相关联的所有适当的计算、分析、数值模拟、数据处理、以及视觉化功能。
传感器128可以被用来收集水力压裂和支撑剂注入操作之前、期间、以及之后的电磁场数据。用于创建、加固、泵吸、提取、或者其他钻井和/或提取操作的诸如提取设备134之类的设备可以位于井筒102的附近区域。在传感器128收集所有电磁场数据期间，计算设备132的位置应该被保持，以使导电设备不移动或者改变操作从而不期望地改变将要测量的电磁场。这样，在水力压裂和支撑剂注入操作之前和之后测量出的电磁场的改变可以主要或者完全归因于支撑剂填充层119在断裂中的存在，从而增加了第一玻恩近似可用于散射电磁场的可能性。
因此可以确认，通过对井孔套管108通电(经由电流注入设备116)使其充当电流源，电磁场可以感应出并被地球表面104处的传感器记录。在压裂和支撑剂填充之前和之后进行的这些记录随后可以被用来调节散射电磁场的第一玻恩近似模型的参数，从而指示断裂117的填充有支撑剂的部分118在地质构造106中的位置和几何形状。这里使用的术语“几何形状”可以指断裂117的填充有支撑剂的部分118的多个部分的大小、形状、长度、高度、宽度、方位等。“方位”可以指填充有支撑剂的断裂118的至少一部分相对于地下的井筒102或表面104的方位。术语“位置”可以指断裂部分118相对于表面104、井筒102、和/或电流注入点116的位置。
现在参考图2，示出了水力压裂操作之前的地质构造的一部分。如图2中所示，一个或多个玻恩散射体200可以被定义在地球的地质构造106内部和周围的体积中的各种位置(例如，散射体位置L1’、L2’等)处的地球的地球物理模型中。可以基于地质构造的地球物理模型和目标压裂操作的先验知识来选择诸如位置L1’和L2’的散射体位置。可以选择地质构造106内部和周围的任意合适数目的位置处的散射体位置。例如，可以选择一个散射体位置、两个散射体位置、两个以上散射体位置、十个散射体位置、一百个散射体位置、一千个散射体位置、一千个以上散射体位置、数万个散射体位置、以及一百至一千之间数目的散射体位置、或者任何其他合适数目的散射体位置。在每个散射体位置处，可以定义用于第一玻恩近似模型的玻恩散射体。
在诸如玻恩散射反演操作的使用第一玻恩近似模型的电磁场模拟操作中，井筒、地质构造、和断裂位置中的地球体积的地球物理模型被用来计算散射体位置处的主电磁场(有时称为入射电磁场)。在一个实施例中，地球物理模型可以包括井孔套管和电源的位置。在第一模拟运行中，玻恩散射体被认为是主电磁场的接收器。
根据FBA模型，地球在玻恩散射体位置处的电磁特性的扰动将生成次电磁场(有时称为散射电磁场)。由于电磁特性合适的支撑剂被提供在断裂中，所以断裂可以被模拟为一些玻恩散射体的电磁特性的扰动。
如图3中所示，当断裂117在地质构造中诱发出时，断裂117可能通过一些散射体位置200。散射体位置200包括填充有支撑剂的断裂中的散射体位置200P和填充有支撑剂的断裂外部的散射体位置200F。具有不同于地质构造的对应特性的电磁特性(例如，透电率、磁导率、和/或电导率)的支撑剂可以被放置在散射体位置200P处。
散射体位置200P处的EM特性在支撑剂被引入断裂后将显著改变。但是，散射体200F(位于断裂处，但与支撑剂分离)和散射体200(位于与断裂分离的位置)处的EM特性的改变将小于散射体200P处的EM特性的改变，或者可以根本不变。
如以上结合图1描述的，第一玻恩近似是这样的近似，其中散射电磁场与玻恩散射体处的电磁场以及这些玻恩散射位置上的入射电磁场的改变成比例。
所以，给定玻恩散射体位置处的主(或者入射)电磁场和这些位置处的材料的电磁特性的初始估计(例如，由可调参数的一组初始值表示)，由玻恩散射体响应于主电磁场生成的次(或者散射)电磁场可以被计算出来。传感器128的位置处的次电磁场例如可以通过对地质构造106内部及周围的所有玻恩散射体的贡献进行求和来生成。
来自传感器的两组测量出的电磁场数据(例如，在水力压裂操作之前和之后)被获取，用于与计算出的散射场进行比较。来自两次测量的测量出的电磁场数据间的差异可以仅或者主要归因于填充有支撑剂的断裂的存在。因此，测量出的电磁场数据间的差异可以被用来通过调节与玻恩散射体的电磁特性对应的参数来调节计算出的散射电磁场。
在特定时间t收集的测量(观测)出的电磁场数据可以包括在一组传感器位置Xs(例如，表示诸如，图1的传感器位置L1或L2之一的传感器位置的三维位置向量)处观测出的磁感应的时间倒数和/或测量出的电压差ΔV(Xs,t)，根据这些电磁场数据可以确定或者推断出电场矢量em(Xs,t)和/或测量出的磁场矢量hm(Xs,t)。
计算出的主(或者入射)电磁场数据可以包括计算出的主电场矢量ep(XB,t)、磁场矢量hp(XB,t)、或者它们二者；这些主电磁场数据是在一组玻恩散射体位置XB(例如，表示诸如散射体位置L1’或L2’之一的散射体位置的三维位置矢量)处计算的。
计算出的次(或者散射)电磁场数据可以包括在一组传感器位置Xs(例如，表示诸如图1的位置L1或L2的传感器位置的三维位置矢量)处计算出的电场矢量δep,t(Xs,t)、磁场矢量δhp(Xs,t)、或者它们二者。可以通过使用主电场ep(XB,t)、磁场hp(XB,t)、或者它们二者、以及表示散射体位置XB处的玻恩散射体的电磁特性的改变的一组可调参数来计算每个散射体位置XB处的有效EM体源来确定次电磁场数据。有效体源和该组可调参数可以被用来通过将该有效体源和该组可调参数插入针对第一玻恩近似修改的任意合适的EM正演模拟算法来计算次电磁场。合适的正演模拟算法可以包括经由明确的时域有限差分技术或者任何其他合适的数值求解方法求解出的偏微分电磁波等式的已知“EH”系统。其他合适的正演模拟算法可以包括针对FBA适当修改后的格林函数或者势函数。
该组可调参数可以包括每个散射体位置XB处的电导率的改变δσ(XB)、透电率的改变δε(XB)、和/或磁导率的改变δμ(XB)、或者这些参数的所有三个或者任意组合的改变。
有效体源可以包括每个散射体位置XB处的电流密度矢量δj(XB,t)、磁感矢量δb(XB,t)、和/或电位移矢量δd(XB,t)。在FBA模型中，有效体源(以及由有效体源生成的次电磁场)与入射电磁场成比例。例如，在FBA模型中，电流密度矢量δj(XB,t)是入射电场与电导率的改变的乘积(例如，δj(XB,t)＝δσ(XB)ep(XB,t))，磁感矢量δb(XB,t)是入射磁场与磁导率的改变的乘积(例如，δb(XB,t)＝δμ(XB)hp(XB,t))，并且电位移矢量δd(XB,t)是入射电场与透电率的改变的乘积(例如，δd(XB,t)＝δε(XB)ep(XB,t))。
由于地球在一些玻恩散射体位置处的电磁特性在支撑剂插入断裂后发生改变，所以次(或者散射)电磁场一旦被计算出来就可以被调节以与在传感器位置处观测出的电磁场的改变匹配。这可以通过利用例如，对于观测出的电磁场的改变产生最佳适配的可调参数的线性估计来修改次(或者散射)电磁场的第一玻恩近似模型中的可调参数来实现。
在现场数据获取操作中，两次记录测量中的电磁能量源和传感器可以占据相同的位置。记录条件(例如，电磁能量源幅度、波形、以及方位；电磁接收器灵敏度和方位、记录系统放大器、滤波器、和采样性质等)也可以在两次数据采集之间尽可能保持一致。
在一些情况下，传感器可以被从第一组传感器位置移动到第二组传感器位置，用于收集压裂操作之前以及支撑剂已经被提供到断裂中之后的电磁场数据。在这些情况下，可以使用数学方法来转换、旋转、内插、或者确定在第一和/或第二组传感器位置处测量和/或模拟出的电磁场，或者基于第一和/或第二组传感器位置中的之一处的模拟和/或测量出的电磁场来估计在第一或第二组传感器位置中另一者处测量和/或模拟出的电磁场。然而，这只是说明性的。在各种实施例中，对于电磁场的所有测量和模拟电磁场的所有确定，传感器位置保持相同，以便减轻模拟操作的计算负担并且帮助确保电磁场的改变主要归因于支撑剂的引入。
在一些实施例中，可以在单独的模拟运行中独立计算每个玻恩散射体对次电磁场的贡献。但是，这只是说明性的。在一些实施例中，多组玻恩散射体中的每组玻恩散射体对次电磁场的贡献可以在对应的模拟运行中被计算出来。在一个实施例中，所有玻恩散射体的贡献可以在单个模拟运行中被计算出来。每个传感器位置处的总和次电磁场是每个玻恩散射体的贡献的总和。
图2和图3的示例是截面示意图。但是，应该明白的是，玻恩散射体200可以三维方式被分布在地质构造内部和周围的地球体积内。
图4示出了玻恩散射体的三维分布的示例。在图4的示例中，玻恩散射体200被以规则的三维网络分布在给定体积中的散射体位置(xB，yB，zB，有时被统称为矢量XB)处。但是，这只是说明性的。玻恩散射体可以被以任何合适的方式分布，用于在例如，玻恩散射反演操作中模拟支撑剂的位置和/或对断裂中的支撑剂进行成像。可以选择散射体200所在的体积，其中该体积包括地质构造中已经或者将要诱发断裂的至少一部分的地球体积。
如图4中所示，对于特定的玻恩散射体，可以在例如，第一次模拟运行中计算图4的坐标系统中的入射(主)电场矢量400(例如，ep＝[ex,ey,ez])。在第二次模拟运行中，电流密度402(例如，δjp＝[δjx,δjy,δjz])可以被计算出来。可以使用电流密度402计算图1的一个或多个传感器128的位置处的散射(次)电场。
现在参考图5，示出了用于确定支撑剂在地质构造中的断裂中的位置和/或对该支撑剂进行成像的数据流和计算系统5000的实施例。如图5中所示，系统5000包括数据存储区500、主场模拟引擎502、次场模拟引擎504、测量数据处理引擎510、数据拟合引擎512、以及图像生成引擎514。
数据存储区500、主场模拟引擎502、次场模拟引擎504、测量数据处理引擎510、数据拟合引擎512、以及图像生成引擎514可以被实现在同一个计算设备上或者计算设备的一个或多个独立装置上。在一个实施例中，主场模拟引擎502、次场模拟引擎504、以及数据存储区500的一些或者全部可以位于远离安放井筒的钻探点的位置，并且测量数据处理引擎510、数据拟合引擎512、以及图像生成引擎514可以位于钻探点(例如，集成在图1描绘的计算设备132中)。但是，这只是说明性的。在各种实施例中，数据存储区500、主场模拟引擎502、次场模拟引擎504、测量数据处理引擎510、数据拟合引擎512、以及图像生成引擎514可以被包括在计算设备132中(见图1)，或者被实现在钻探点附近或者远离钻探点的任何合适的计算设备上。
如图5中所示，主场模拟引擎502和次场模拟引擎504可以被通信地耦合到数据存储区500。如果需要，图5的系统的其他部分也可以通信地耦合到数据存储区500。例如，主场模拟引擎502、次场模拟引擎504、和/或图5的系统的任何其他部分可以具有对于存储器和数据存储区500上存储的信息的读和/或写入口。
数据存储区500可以被用来存储地球物理模型501、电流源模型503、一个或多个玻恩散射体位置505、一个或多个传感器类型和位置507、模拟和/或测量出的电磁场数据509和511、或者用于图5的系统的其他相关信息、数据、数值算法、和/或计算机可读指令。
地球物理模型501可以包括描述诸如地质构造、地球表面、井筒、井孔套管、图1的压裂后的地质构造106之间的岩石、土壤、和/或水层、以及钻探点处的表面、钻井、和提取设备、和其他物理结构以及这些结构的电磁特性(例如，透电率、电导率、磁导率等)的数据。
数据存储区500上存储的电磁(EM)数据可以包括模拟(即，计算)出的EM数据509和/或测量出的EM数据511。测量出的EM数据511可以被从EM数据记录系统508提供给数据存储区500，其中EM数据记录系统508可以在物理上位于钻探点附近，如图1所示。除了模拟和测量出的数据外，数据存储区500还可以保存表示具有一组可调参数P的第一玻恩近似模拟过程的可执行代码(例如，每个散射体位置XB处的电导率改变参数δσ(XB)、透电率改变参数δε(XB)、和/或磁导率改变参数δμ(XB))。
在被一个或多个处理器使用地球物理模型501、电流源模型503、散射体位置505、以及传感器位置507执行时，电磁正演模拟引擎可以提供所选择的位置处的作为时间t的函数的计算(或者模拟)出的电磁场值。电磁场值可以由主场模拟引擎502和/或次场模拟引擎504使用任何合适的数值模拟方法(例如，有限差分处理、有限元处理、非连续加勒金处理、格林函数处理、分层媒介传播器处理、或者任何其他合适的数值计算处理)计算出来。
主场模拟引擎502被用来计算地球的包括将被压裂的地质构造的至少一部分的体积中的一个或多个玻恩散射位置XB处的主电磁(EM)场数据516(例如，主或者入射电磁场值)。模拟出的主场数据516可以包括散射体位置XB处的作为时间t的函数的预测出的主电场ep(XB,t)和/或预测出的主磁场hp(XB,t)。可以使用数据存储区500中的地球物理模型501、电流源模型503、以及散射体位置505计算模拟出的主场数据516。
次场模拟引擎504被用来计算分布在地球表面上或者地球表面内的一个或多个传感器位置Xs处(例如，图1中的传感器128)的次电磁(EM)场数据518(例如，次或者散射电磁场数据)。模拟出的次场数据518可以包括传感器位置Xs处的作为时间t的函数的预测出的次电场矢量δep(Xs,t；P)和/或预测出的磁场矢量δhp(Xs,t；P)。这些模拟出的次电磁场也是与玻恩散射源的强度有关的可调参数P的函数。可以使用数据存储区500中存储的地球物理模型501、电流源模型503、散射体位置505、以及传感器位置507来计算模拟出的次场数据518。
主和次场模拟引擎利用的传感器位置505代表图1中示出的传感器128的位置L1和L2，并且对应于图5中的EM传感器506的位置。这些传感器被用来测量水力压裂和支撑剂插入操作之前和之后的电磁(EM)场数据。
EM传感器506将测量出的数据转发给EM数据记录系统508，在EM数据记录系统508这些数据被存储在合适的记录介质上。例如，EM传感器506被用来收集水力压裂和支撑剂插入之前的电磁场数据，并且收集水力压裂和支撑剂插入之后的电磁场数据。这两个测量出的EM数据集在图5中由字母A和B索引，这两个测量出的EM数据集分别代表压裂和支撑剂插入之后和之前测量出的EM数据。测量出的数据可以包括在传感器位置Xs处观测出的电场矢量em(Xs,t；A和B)和/或磁场矢量hm(Xs,t；A和B)，并且被统称为传感器位置520处的两个测量出的EM数据集。这两组测量出的EM数据可能主要或者完全由于填充有支撑剂的断裂在(图1的)地质构造106中的添加而不同。
传感器位置520处的两个测量出的EM数据集(由字母A和B索引)被提供给测量数据处理引擎510。测量数据处理引擎510可以经由两个替代路由或路径接收这些数据集。在第一实例中，EM数据记录系统508在EM数据被测量出时直接将这些数据实时或者接近实时地转发给测量数据处理引擎510。在第二实例中，EM数据记录引擎508将这些数据转发到数据存储区500，这些数据在数据存储区500中被作为测量出的EM数据511保存在计算内存中供测量数据处理引擎510随后存取。
测量数据处理引擎510可以被用来对两个测量出的EM数据集A和B执行各种信号处理操作，以增强信号质量、抑制噪声等。测量数据处理引擎506随后被用来基于传感器位置520处的两个测量出的EM数据集(由A和B索引)，生成传感器位置522处的测量出的改变EM数据。测量出的改变EM数据522可以例如，包括数据集A和B之间的差异(即，减法)。测量出的改变数据可以包括电矢量Δem(Xs,t)和/或磁矢量Δhm(Xs,t)。传感器位置522处的测量出的改变EM数据代表因断裂中的支撑剂的存在生成的测量出的电磁场数据520的散射部分。
传感器位置518处模拟出的次EM数据(例如，基于FBA模拟方法计算出的传感器位置506处的次电磁场数据)和传感器位置522处的测量出的改变EM数据(例如，在传感器位置506测量出的散射电磁场数据)被提供给数据拟合引擎512。由于模拟出的次EM数据518是使用尚未被有关填充有支撑剂的断裂的任何测量出的信息通知的一组初始的可调参数P生成的，所以模拟出的次EM数据518和测量出的改变EM数据522可能不同。
数据拟合引擎512被用来调节可调参数(例如，对应玻恩散射体位置XB处的材料的电磁特性的一组参数P)，直到传感器位置518处模拟出的次EM数据已经被修改为与在传感器位置522处测量出的改变EM数据匹配到预定或者主动确定的范围内。在一个实施例中，可以使用加权最小二乘差对模拟出的数据518与测量出的数据522之间的失配程度进行量化。使得加权最小二乘差最小的特定的一组参数PFIT可以使用已知过程根据线性代数求解。但是，这只是说明性的。在各种其他实施例中，任何合适的数据拟合过程可以被用来调节该组可调参数P，直到得到模拟出的次EM数据518和测量出的改变EM数据522之间的充分拟合为止。提供最佳拟合(即，最小失配)的该组特定参数组成最佳参数PFIT。
产生最佳地匹配测量出的改变EM数据522的模拟出的次EM数据518的一组最佳的可调参数524(即，拟合参数组PFIT)可以被提供给图像生成引擎514。图像生成引擎514可以使用最佳参数524来确定支撑剂在断裂中的位置和/或生成支撑剂充填层的二维或三维图像526。由于可调参数P分别与玻恩散射体位置处的材料的电磁特性的改变量成比例，所以最佳参数值(PFIT)本身可以被用来构建支撑剂图像526。散射体位置XB充当有效图像像素(在二维中)或者体素(在三维中)坐标。但是，这只是说明性的。在各种实施例中，图像生成引擎514可以执行诸如缩放、增强、平滑、过滤、或者其他图像处理操作的图像处理操作，以形成支撑剂图像526。
图像526可以在水力压裂操作之后立即接近实时地被生成，以为钻探管理者或团队提供被插入断裂中的支撑剂的三维图像。该图像随后可以被立即用于引导进一步的压裂和支撑剂插入操作。
图6示出了诸如结合图1和图5描述的、由计算设备执行的模拟地质构造中的水力断裂的操作。
在块600，可以测量在水力压裂之前和之后水力断裂的附近区域中的电磁场。水力断裂可以包括具有被配置为增强表面电磁场的可检测性的电磁特性的支撑剂材料。也可以在造成水力断裂的水力压裂操作期间测量表面电磁场。水力断裂可以在地球体积内的地质构造中被生成。
在块602，可以使用测量出的表面电磁场来调节表面电磁场的FBA模型的参数。可以通过以下处理来调节这些参数：计算在断裂生成之前和之后测量出的表面电磁场之间的差异；将使用第一玻恩近似模型计算出的模拟电磁场与测量出的表面电磁场进行比较；并且基于比较结果调节这些参数。这些参数分别对应于玻恩散射体位置处的诸如岩石或者支撑剂的材料的电磁特性的改变。
在块604，可以使用经调节的参数来确定诸如支撑剂充填层的支撑剂在断裂中的位置。也可以使用经调节的参数来确定支撑剂充填层在断裂构造中的大小、形状、和方位。
在块606，可以使用经调节的参数生成诸如支撑剂充填层的三维图像的图像。
图7示出了可以被执行的、用于模拟地质构造中的水力断裂的操作的进一步细节。
在步骤700，使用多个传感器收集第一次测量出的电磁场值。该多个传感器可以位于例如，以上结合图1描述的地球表面或者地球表面附近。另外，传感器可以被部署在地球表面下的钻孔中。
在步骤702，执行水力压裂操作。
在步骤704，将电磁特性合适的支撑剂填充层提供到通过水力压裂操作生成的断裂中。支撑剂充填层可以部分或者完全填充断裂。支撑剂材料可以具有不同于周围地质构造的对应特性的透电率、磁导率、电导率、和/或其他电磁特性。支撑剂可以被提供，从而使得支撑剂填充层被耦合到用在水力压裂操作中的井孔套管，并且从附接到井孔套管的电源接收电流。
在步骤706，使用相同的多个传感器收集第二次测量出的电磁场值。
在步骤708，使用具有可调参数的第一玻恩近似(FBA)处理模拟在传感器位置处观测出的电磁场值的改变。这些可调参数对应于FBA模型中的一组玻恩散射体的电磁特性的改变。
在步骤710，基于模拟出的改变场值、以及第一和第二次测量出的场值，调节第一玻恩近似模型的参数。例如，可以调节模拟(即，预测)出的改变场值，以通过调节FBA模型参数来最小化模拟出的改变场值与测量出的改变场值(即，第一和第二次测量出的场值之间的差异)之间的差值。
在步骤712，可以基于FBA模型的经调节的参数，确定支撑剂填充层的位置。
在步骤714，可以使用经调节的参数生成诸如支撑剂填充层的二维或者三维图像的图像。
图8示出了可以被执行的、用于模拟由地质构造中的填充有支撑剂的水力断裂散射的电磁场、以及形成该断裂的三维图像的操作的进一步细节。
在步骤800，使用地球物理模型确定地球体积中的一组预定位置处模拟出的主(或者入射)电和/或磁场值。地球物理模型可以包括至少部分位于该体积中的地质构造、地球的其他层、地球表面、井筒、井孔套管、和/或该体积中的其他地球物理和地质特征。该组预定位置可以是地质构造中或者地质构造附近的位置，在这些位置处对应的玻恩散射源已经被以第一玻恩近似(FBA)模拟方法进行定义。
在步骤802，使用地球物理模型、一组预定位置处的模拟出的主电磁场值、以及具有可调参数的第一玻恩近似模拟处理，确定一组传感器位置处的模拟出的次(或者散射)电和/或磁场值。
在步骤804，使用多个传感器收集第一次测量出的电和/或磁场值。
在步骤806，在已经收集第一次测量出的电和/或磁场值之后，执行水力压裂操作。可以在该体积内的一部分地质构造中执行水力压裂操作。
在步骤808，将电磁特性合适的支撑剂填充层提供到由水力压裂操作生成的断裂中。
在步骤810，在将支撑剂提供到断裂中之后，使用多个传感器收集第二次测量出的电和/或磁场值。
在步骤812，可以从第一和第二次测量出的电和/或磁场值生成差异值。可以通过例如，从每个传感器处的第一次测量出的值减去第二次测量出的值来确定这些差异值。但是，这只是说明性的。在各种实施例中，可以使用其他差分、相关、或者比较技术来确定第二次测量出的电磁场相对于第一次测量出的电磁场的改变。
在步骤814，将测量出的差异值与来自步骤802的模拟出的次电和/或磁场值进行比较。将差异值与模拟出的次电和/或磁场值进行比较可以包括：确定测量出的差异值与针对每个传感器模拟出的次电和/或磁场值之间的额外差异；计算这些额外差异的平方和；计算这些额外差异的加权平方和；以及计算这些额外差异的绝对值之和；或者定量地比较这些额外差异。
在步骤816，可以基于测量出的差异值与模拟出的次电和/或磁场值的先前的比较814来调节第一玻恩近似(FBA)模型的可调参数。调节参数可以包括：修改来自初始值的一些或所有参数，以将模拟出的次(或者散射)电和/或磁场值修改为与测量出的差值匹配到给定容限范围内。例如，可以调节这些参数，以最小化测量出的差异值与针对每个传感器模拟出的次电和/或磁场值之间的平方差的加权和。调节参数可以通过调节每个玻恩散射源位置处的一个或多个电磁材料特性的对应反差，来改变每个玻恩散射源对模拟出的次电和/或磁场的贡献。
在步骤818，可以基于经调节的参数确定支撑剂填充层在断裂中的位置、大小、形状、方位、或者其他特性。
在步骤820，可以使用经调节的参数生成诸如支撑剂填充层的二维或三维图像的图像。可以(例如，使用彩色绘图)对该图像进行幅度校准，以区分由经调节的参数表示的空间可变的玻恩散射强度。
在步骤822，可以使用所确定的支撑剂填充层的位置、大小、形状、方位、和/或图像，评估由水力压裂操作导致的地质构造和/或支撑剂位移。
现在参考图9，示出了根据这里公开的系统和方法的可以使用的示例性计算设备900的高级图示。例如，计算设备900可以被用在支持使用第一玻恩近似模型计算由井系统中的通电的井筒和填充有支撑剂的断裂产生的电磁场的估计的系统中。在另一示例中，计算设备900的至少一部分可以被用在支持估计支撑剂在地球表面下方的地质构造中的诱发断裂内的大小、位置、长度、方位、和/或图像的系统中。计算设备900包括执行存储器904中存储的指令的至少一个处理器902。存储器904可以是或者包括RAM、ROM、EEPROM、闪存、或者其他适当存储器。指令可以是例如，用于实现由以上讨论的一个或多个组件执行的功能的指令、或者用于实现以上所述的一个或多个方法的指令。处理器902可以通过系统总线906访问存储器904。除了存储可执行指令以外，存储器904还可以存储一个或多个井孔套管和/或一个或多个断裂的计算机实现的模型、指示施加到井孔套管的电流量的值、指示电流被施加到井孔套管上的位置的值、传感器位置、散射体位置、具有可调参数的第一玻恩近似模型等。
计算设备900还包括可由处理器902通过系统总线906访问的数据存储区908。数据存储区908可以是或者包括任何适当的计算机可读存储装置，包括硬盘、内存等。数据存储区908可以包括可执行指令、计算机实现的模型等。计算设备900还包括允许外部设备与计算设备900通信的输入接口910。例如，输入接口910可以被用来从外部计算机、用户等接受指令。计算设备900还包括将计算设备900与一个或多个外部设备接口连接的输出接口912。例如，计算设备900可以通过输出接口912在显示器930上显示文本、图像等。
另外，尽管被示出为单个系统，但是将理解的是，计算设备900可以是分布式系统。所以，例如，多个设备可以通过网络连接通信，并且可以一起执行被描述为由计算设备执行的任务。
根据实施例，提供了一种系统，包括：数据库，该数据库存储：地球的包括地质构造和井筒在内的体积的地球物理模型，所述体积内的一组位置，电磁模型，以及一组传感器位置；以及处理器，被配置为：使用电磁模型和地球物理模型，预测所述一组传感器位置处的电磁场值，接收在所述一组传感器位置处收集的测量出的电磁场数据，以及基于测量出的电磁场数据，调节预测出的电磁场值。
根据另一实施例，处理器进一步被配置为使用经调节的预测出的电磁场值，确定支撑剂在地质构造中的断裂中的位置。
根据另一实施例，处理器进一步被配置为使用经调节的预测出的电磁场值，生成支撑剂的图像。
根据另一实施例，电磁模型包括具有所述体积内的所述一组位置处的多个玻恩散射体的第一玻恩近似模型。
根据另一实施例，处理器被配置为通过以下处理预测所述电磁场值：计算所述体积内的所述一组位置处的主电场值；以及使用所述体积内的所述一组位置处的主电场值，计算所述一组传感器位置处的次电场值。
根据另一实施例，第一玻恩近似模型包括多个可调参数，该多个可调参数分别对应于所述体积内的所述一组位置中的一个位置处的材料的电磁特性。
根据另一实施例，处理器被配置为通过调节多个可调参数，调节预测出的电磁场值。
根据另一实施例，所述系统还包括：所述一组传感器位置处的多个传感器，其中，处理器被配置为从多个传感器接收测量出的电磁场数据。
根据另一实施例，测量出的电磁场数据包括使用井筒在所述地质构造中的水力压裂操作之前和之后收集的电磁场数据。
根据另一实施例，处理器被配置为调节多个可调参数，使得所述一组传感器位置处的次电场数据与在水力压裂操作之前和之后收集的电磁场数据之间的差异匹配到预定范围内。
根据实施例，提供了一种方法，包括：使用具有可调参数的模型确定多个散射电磁场值；执行水力压裂操作，以造成地质构造中的断裂；向所述断裂提供电磁特性合适的支撑剂；在水力压裂操作之前，收集第一多个传感器位置处的多个测量出的电磁场值；在所述断裂中提供有电磁特性合适的支撑剂的情况下，收集第二多个传感器位置处的额外的多个测量出的电磁场值；确定多个测量出的电磁场值和额外的多个测量出的电磁场值之间的差异；以及基于所述差异与多个散射电磁场值的比较，修改可调参数中的至少一些可调参数。
根据另一实施例，所述模型包括第一玻恩近似模型，其中，第一多个传感器位置与第二多个传感器位置相同，并且其中，使用具有可调参数的模型确定多个散射电磁场值包括：确定地球的至少部分地包括地质构造的体积内的一组预定位置处的多个主电磁场值；以及使用第一玻恩近似模型并使用所确定的多个主电磁场值，确定第一多个传感器位置处的多个散射电磁场值。
根据另一实施例，该方法还包括：向从地球表面延伸到所述地质构造的井筒施加电流。
根据另一实施例，基于多个散射电磁场值与所述差异的比较修改可调参数中的至少一些可调参数包括：确定使所述差异与所确定的多个散射电磁场值之间的额外差异最小化的一组经调节的参数。
根据另一实施例，该方法还包括：使用所述一组经调节的参数和所述体积中的所述一组预定位置，确定支撑剂在所述断裂中的位置。
根据另一实施例，第一玻恩近似模型包括多个玻恩散射体，所述多个玻恩散射体分别位于所述体积内的所述一组预定位置中的一个预定位置处。
根据另一实施例，该方法还包括：使用所述一组经调节的参数和所述体积内的所述一组预定位置，生成所述断裂中的所述支撑剂的图像。
根据另一实施例，所述图像包括所述断裂的三维图像。
根据实施例，提供了一种系统，包括：导电的井孔套管，位于从地球表面延伸到地球内的地质构造的井筒中；电源，导电地耦合到所述导电的井孔套管；支撑剂，位于所述地质构造中的断裂中并且导电地耦合到所述井孔套管；多个传感器，位于对应的多个传感器位置处，其中，所述传感器被配置为收集在电流被使用所述电源施加到所述导电的井孔套管时生成的电磁场数据；以及计算设备，包括：存储器，该存储器存储基于第一玻恩近似模型预测出的所述多个传感器位置处的多个电磁场值，所述第一玻恩近似模型包括多个可调的标定因子；以及处理器，被配置为从所述多个传感器接收所述电磁场数据，基于所述电磁场数据调节所述可调的标定因子，并且使用经调节的可调的标定因子生成所述支撑剂的图像。
根据另一实施例，所述可调的标定因子包括对应的多个玻恩散射体的散射幅度。
需注意的是，为了阐述的目的已经提供了若干示例。这些示例不应被解释为对此所附权利要求的限制。另外，应认识到在此提供的示例可以被替换，但仍落在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
数据库，该数据库存储：
地球的包括地质构造和井筒在内的体积的地球物理模型，
所述体积内的一组位置，
电磁模型，以及
一组传感器位置；以及
处理器，被配置为：
使用所述电磁模型和所述地球物理模型，预测所述一组传感器位置处的电磁场值，
接收在所述一组传感器位置处收集的测量出的电磁场数据，以及
基于所述测量出的电磁场数据，调节预测出的电磁场值。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理器进一步被配置为使用经调节的预测出的电磁场值，确定支撑剂在所述地质构造中的断裂中的位置。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述处理器进一步被配置为使用所述经调节的预测出的电磁场值，生成所述支撑剂的图像。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述电磁模型包括具有所述体积内的所述一组位置处的多个玻恩散射体的第一玻恩近似模型。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过以下处理预测所述电磁场值：
计算所述体积内的所述一组位置处的主电场值；以及
使用所述体积内的所述一组位置处的所述主电场值，计算所述一组传感器位置处的次电场值。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述第一玻恩近似模型包括多个可调参数，所述多个可调参数分别对应于所述体积内的所述一组位置中的一个位置处的材料的电磁特性。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述处理器被配置为通过调节所述多个可调参数，调节所述预测出的电磁场值。
8.如权利要求7所述的系统，还包括：所述一组传感器位置处的多个传感器，其中，所述处理器被配置为从所述多个传感器接收所述测量出的电磁场数据。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述测量出的电磁场数据包括使用所述井筒在所述地质构造中的水力压裂操作之前和之后收集的电磁场数据。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述处理器被配置为调节所述多个可调参数，使得所述一组传感器位置处的所述次电场数据与在所述水力压裂操作之前和之后收集的电磁场数据之间的差异匹配到预定范围内。
11.一种方法，包括：
使用具有可调参数的模型确定多个散射电磁场值；
执行水力压裂操作，以造成地质构造中的断裂；
向所述断裂提供电磁特性合适的支撑剂；
在所述水力压裂操作之前，收集第一多个传感器位置处的多个测量出的电磁场值；
在所述断裂中提供有所述电磁特性合适的支撑剂的情况下，收集第二多个传感器位置处的额外的多个测量出的电磁场值；
确定所述多个测量出的电磁场值和所述额外的多个测量出的电磁场值之间的差异；以及
基于所述差异与所述多个散射电磁场值的比较，修改所述可调参数中的至少一些可调参数。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述模型包括第一玻恩近似模型，其中，所述第一多个传感器位置与所述第二多个传感器位置相同，并且其中，使用具有可调参数的模型确定多个散射电磁场值包括：
确定地球的至少部分地包括地质构造的体积内的一组预定位置处的多个主电磁场值；以及
使用所述第一玻恩近似模型并使用所确定的多个主电磁场值，确定所述第一多个传感器位置处的所述多个散射电磁场值。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：
向从所述地球的表面延伸到所述地质构造的井筒施加电流。
14.如权利要求12所述的方法，其中，基于所述多个散射电磁场值与所述差异的比较修改所述可调参数中的至少一些可调参数包括：确定使所述差异与所确定的多个散射电磁场值之间的额外差异最小化的一组经调节的参数。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：使用所述一组经调节的参数和所述体积中的所述一组预定位置，确定所述支撑剂在所述断裂中的位置。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述第一玻恩近似模型包括多个玻恩散射体，所述多个玻恩散射体分别位于所述体积内的所述一组预定位置中的一个预定位置处。
17.如权利要求14所述的方法，还包括：使用所述一组经调节的参数和所述体积内的所述一组预定位置，生成所述支撑剂在所述断裂中的图像。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述图像包括所述断裂的三维图像。
19.一种系统，包括：
导电的井孔套管，位于从地球表面延伸到地球内的地质构造的井筒中；
电源，导电地耦合到所述导电的井孔套管；
支撑剂，位于所述地质构造中的断裂中并且导电地耦合到所述井孔套管；
多个传感器，位于对应的多个传感器位置处，其中，所述传感器被配置为收集在电流被使用所述电源施加到所述导电的井孔套管时生成的电磁场数据；以及
计算设备，包括：
存储器，该存储器存储基于第一玻恩近似模型预测出的所述多个传感器位置处的多个电磁场值，所述第一玻恩近似模型包括多个可调的标定因子；以及
处理器，被配置为从所述多个传感器接收所述电磁场数据，基于所述电磁场数据调节所述可调的标定因子，并且使用经调节的可调的标定因子生成所述支撑剂的图像。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述可调的标定因子包括对应的多个玻恩散射体的散射幅度。
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