CN107642355A - 基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统及方法，实施成本低，现场实施方便，解决了微地震能量不足、裂缝宽度计算困难的问题。所述的监测系统，包括以压裂井为圆心且半径为500m范围内对称设置至少四口监测井，设置在监测井内的成对设置的超声波发射器和超声波接收器，以及对应监测井设置的指挥车；所述的方法通过在要求的范围内设置多超声波接收器，形成协同作用收集反射超声波信号能够准确定位裂缝位置；采用变入射角发射超声波信号能大面积覆盖裂缝整体形状，通过对不同入射角下的统一计算，提高了裂缝三维几何尺寸计算精度，实现了水力压裂裂缝实时监测。

Description

基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统及方法

技术领域

本发明涉及油气资源开发领域，具体为一种基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统及方法。

背景技术

水力压裂作为油气井增产的主要措施已被广泛应用于现代油气工业，国内油气田广泛使用地面微地震及地面电位法实现水力压裂裂缝监测。但是地面微地震监测方法监测精度低，容易受地面其它设备的振动影响；地面电位法需要压裂液和地层水矿化度差别大，对液体要求较高。专利号为CN102565855A公开了一种油田压裂地面微地震数据处理方法，虽然在已接收信号数据的基础上避免了原始信号信噪比低，信号处理不准确的问题，提高了传输效率，但未从根本上解决岩石破裂产生的微地震能量较小，接收信号精度不高的难题。同时，上述两种裂缝监测办法以及相关专利中的方法都只可以计算出裂缝方位、裂缝长和裂缝高，不能给出裂缝宽的计算值。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统及方法，实施成本低，现场实施方便，解决了微地震能量不足、裂缝宽度计算困难的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统，包括以压裂井为圆心且半径为500m范围内对称设置至少四口监测井，设置在监测井内的成对设置的超声波发射器和超声波接收器，以及对应监测井设置的指挥车；

监测井井深不小于压裂井井深，压裂井与任意两监测井不位于水平面的同一条直线上，指挥车分别与对应监测井中依次均匀串联的多对的超声波发射器和超声波接收器连接交互；

指挥车包括依次交互的多功能控制面板、控制器和波形信息存储系统；多功能控制面板连接超声波发射器，波形信息存储系统连接超声波接收器。

优选的，多功能控制面板通过三芯电缆与n个超声波发射器依次串联，超声波发射器相互间隔距离设置为压裂井井深的n分之一，n为正整数。

优选的，波形信息存储系统的外设接口通过三芯电缆与n个超声波接收器依次串联，超声波接收器相互间隔距离设置为压裂井井深的n分之一，n为正整数。

优选的，共设置有五对均匀串联设置的超声波发射器和超声波接收器。

基于超声波反射法的水力压裂裂缝监测方法，采用如本飞马ing所述的监测系统，包括以下步骤：

步骤1，对监测系统进行初始化设置，参数设置完毕后监测系统进入采集状态，等待现场注水压裂；

步骤2，控制n个超声波发射器间隔采集周期，以设定的入射角逐一发射超声波信号；每个超声波发射器发射超声波信号后，所有的n个超声波接收器共同接受反射信号，并记录该超声波信号经过多次反射之后的接收时间差；采集周期内所有超声波接收器均能够完成反射信号的接收；

步骤3，指挥车收集到的信息通过无线网络上传至主控制系统；通过接收器接受到的波形信息，指挥车上的子控制系统测定包括时间、波形频率和波形强弱的一系列数据，将这些数据传输到主控制系统中进行统一数据存储和总体分析，经过解一系列方程，得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。

优选的，步骤3中，通过如下计算，得到接收反射波的角度和裂缝边缘的位置；

步骤3.1，超声波发射器发射超声波脉冲的角度通过主控制系统根据下式统一确定；

θ_i＝arctan(250/i/h)/3.14×180

其中：θ_i为第i个超声波发射器发射超声波脉冲的入射角度，i＝0,1,2,3,4,5…，n；

步骤3.2，根据三角形正弦定理和余弦定理，根据下式计算得到发射波和反射波构成的三角形边长，由此得出两次反射波和发射波构成的两个三角形；

其中：l_i3、l_i4分别为对应裂缝内三角形的发射波和反射波边长长度，t_i1为第i个超声波从发射到到达裂隙的传播时间，t_i2为第i个超声波从第一次反射到被接收的传播时间，t_i3为第i个超声波从第一次折射到第二次反射在裂隙内的传播时间，t_i4为第i个超声波从第二次反射到第二次折射在裂隙内的的传播时间，t_i5为第i个超声波从第二次折射到被接收的传播时间；l_i1、l_i2和l_i5分别为第i个超声波对应各传播时间的传播距离，θ_i1、θ_i3和θ_i4分别为第i个超声波第一次反射、第二次反射和第二次折射的入射角，和分别为第i个超声波第一次折射和第二次折射的折射角；

步骤3.3，根据反射角和入射角相同原理，判定裂缝的倾角，进一步确定超声波传播距离；

步骤3.4，对超声波每个入射角的所有接收到的反射信号重复步骤3.1-3.3，从而能够根据每一对超声波的发射波和反射波形成的两个三角形中，得到对应发射波的边长之差和倾角，从而测出裂缝的缝长、缝宽、缝高和方位；从而得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。

优选的，采集周期设置为3s。

优选的，步骤1中，根据现场监测要求进行监测系统参数设置，包括信号采集时间为1min、采样率50kHz和超声波入射角参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过在要求的范围内设置多超声波接收器，形成协同作用收集反射超声波信号能够准确定位裂缝位置；采用变入射角发射超声波信号能大面积覆盖裂缝整体形状，通过对不同入射角下的统一计算，提高了裂缝三维几何尺寸计算精度，实现了水力压裂裂缝实时监测。

附图说明

图1为本发明实例中所述监测系统的结构示意图。

图2为本发明实例中所述超声波对裂隙的监测计算示意图。

图中：11、第一监测井，12、第二监测井，13、第三监测井，14、第四监测井，21、第一三芯电缆，22、第二三芯电缆，23、第三三芯电缆，24、第四三芯电缆，25、第五三芯电缆，26、第六三芯电缆，27、第七三芯电缆，28、第八三芯电缆，31、第一指挥车，32、第二指挥车，33、第三指挥车，34、第四指挥车，41、压裂井，801、第一超声波发射器，802、第二超声波发射器，803、第三超声波发射器，804、第四超声波发射器，805、第五超声波发射器，806、第六超声波发射器，807、第七超声波发射器，808、第八超声波发射器，809、第九超声波发射器，810、第十超声波发射器，811、第十一超声波发射器，812、第十二超声波发射器，813、第十三超声波发射器，814、第十四超声波发射器，815、第十五超声波发射器，816、第十六超声波发射器，817、第十七超声波发射器，818、第十八超声波发射器，819、第十九超声波发射器，820、第二十超声波发射器，901、第一超声波接收器，902、第二超声波接收器，903、第三超声波接收器，904、第四超声波接收器，905、第五超声波接收器，906、第六超声波接收器，907、第七超声波接收器，908、第八超声波接收器，909、第九超声波接收器，910、第十超声波接收器，911、第十一超声波接收器，912、第十二超声波接收器，913、第十三超声波接收器，914、第十四超声波接收器，915、第十五超声波接收器，916、第十六超声波接收器，917、第十七超声波接收器，918、第十八超声波接收器，919、第十九超声波接收器，920、第二十超声波接收器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统，包括：一个压裂井、多个监测井、超声波发射器、超声波接收器和多个指挥车，以压裂井为圆心、半径为500m范围内设置四口监测井，压裂井与任意两监测井不放置在水平面的同一条直线上。

其中，监测井的数量选择4口为宜，监测井井深不小于压裂井井深。每个监测井内超声波发射器的个数设置为5个，超声波接收器的个数设置为5个。对应监测井设置的指挥车中多功能控制面板通过三芯电缆与5个超声波发射器依次串联，超声波发射器相互间隔距离设置为压裂井井深的五分之一。具体采用指挥车中波形信息存储系统外设接口通过三芯电缆与5个超声波接收器依次串联，超声波接收器相互间隔距离设置为压裂井井深的五分之一。

本发明基于超声波反射法的水力压裂裂缝监测方法，包括以下步骤：

(1)、设置监测装置参数；根据现场监测要求进行监测装置参数设置，包括信号采集时间为1min、采样率50kHz、存储路径、超声波入射角参数，参数设置完毕后监测装置进入采集状态，等待现场注水压裂。

(2)、超声波信号发射及接收；为了避免现场信号干扰，本发明采用一超声波发射器发射信号，多超声波接收器多探头共同接受信号的方法。设置20台超声波发射器间隔3s以某一入射角逐一循环发射超声波信号，现场20台超声波接收器共同接受反射波信号，并记录同一超声波经过多次反射之后的接收时间差。

(3)波形分析和数据处理；指挥车收集到的信息通过无线网络上传至主控制系统。通过接收器接受到的波形信息，指挥车上的子控制系统可以测定时间、波形频率和波形强弱等一系列数据，将这些数据传输到主控制系统中进行统一数据存储和总体分析，经过解一系列方程，得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。超声波发射器发射超声波脉冲的角度通过主控制系统统一确定。根据三角形正弦定理和余弦定理，计算得到发射波和反射波构成的三角形边长，由此得出两次反射波和发射波构成的两个三角形。根据反射角和入射角相同原理，判定裂缝的倾角，进一步确定超声波传播距离。由于发射超声波能力集中，沿直线传播，可以根据两个三角形中发射波的边长之差和倾角可以准确测出裂缝的缝长、缝宽、缝高和方位。

具体的，如图1所示，基于超声波反射法的本发明水力压裂裂缝监测系统，包括：第一监测井11、第一三芯电缆21、第一指挥车31、第一超声波发射器801、第一超声波接收器901。

超声波发射器发射出的超声波经不规则裂缝壁面多次反射后，反射波没有固定方向，结合多探头超声波接收器接收范围，以压裂井41为圆心、半径为500m范围内设置第一监测井11、第二监测井12、第三监测井、第四监测井。监测井井深等于压裂井41井深h，第一监测井11、压裂井41和第三监测井13不在同一直线上；布置第二监测井12、压裂井41和第四监测井14不在同一直线上。

通过指挥车31中多功能控制面板连接第一三芯电缆21与5个超声波发射器801、802、803、804、805依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后第五超声波发射器805放入到第一监测井11井深h处。采用指挥车31中波形信息存储系统外设接口与第二三芯电缆22连接并与5个超声波接收器901、902、903、904、905依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后把第五超声波接收器905放入到第一监测井11井深h处。

通过指挥车32中多功能控制面板连接第三三芯电缆23与5个超声波发射器806、807、808、809、810依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后第十超声波发射器810放入到第二监测井12井深h处。采用指挥车32中波形信息存储系统外设接口与第四三芯电缆24连接并与5个超声波接收器906、907、908、909、910依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后把第十超声波接收器910放入到第二监测井12井深h处。

通过指挥车33中多功能控制面板连接第五三芯电缆25与5个超声波发射器811、812、813、814、815依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后第十五超声波发射器815放入到第三监测井13井深h处。采用指挥车33中波形信息存储系统外设接口与第六三芯电缆26连接并与5个超声波接收器(911、912、913、914、915)依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后把第十五超声波接收器915放入到第三监测井13井深h处。

通过指挥车34中多功能控制面板连接第七三芯电缆27与5个超声波发射器816、817、818、819、820依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后第二十超声波发射器820放入到第四监测井14井深h处。采用指挥车34中波形信息存储系统外设接口与第八三芯电缆28连接并与5个超声波接收器916、917、918、919、920依次串联，相互间隔距离设置为h/5，然后把第二十超声波接收器920放入到第四监测井14井深h处。

从而构成了对压裂井41进行水压压裂裂缝监测系统。

本发明基于超声波反射法的水力压裂裂缝监测方法，包括以下步骤：

(1)、设置监测装置参数。

根据现场监测要求进行监测装置参数设置，包括信号采集时间为1min、采样率50kHz、存储路径、超声波入射角参数，参数设置完毕后监测装置进入采集状态，等待现场注水压裂。

(2)、超声波信号发射及接收

为了避免现场信号干扰，本发明采用一超声波发射器发射信号，多超声波接收器多探头接受信号的方法。设置20台超声波发射器801、802、803、804、805、806、807、808、809、810、811、812、813、814、815、816、817、818、819、820间隔3s以某一入射角逐一循环发射超声波信号，现场20台超声波接收器901、902、903、904、905、906、907、908、909、910、911、912、913、914、915、916、917、918、919、920共同接受反射波信号，并计算同一超声波经过多次反射之后的接收时间差。

任意循环工况下不同超声波发射器的入射角度可有表1查询得到：

表1超声波发射器入射角角度

(3)波形分析和数据处理

第一指挥车31、第二指挥车32、第三指挥车33、第四指挥车34上收集到的信息通过无线网络上传至主控制系统。通过接收器接受到的波形信息，第一指挥车31、第二指挥车32、第三指挥车33、第四指挥车34上的子控制系统可以测定时间、波形频率和波形强弱等一系列数据，将这些数据传输到主控制系统中进行统一数据存储和总体分析，经过解一系列方程，得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。

超声波发射器发射脉冲超声波的角度通过主控制系统根据下式统一确定。

θ_i＝arctan(250/i/h)/3.14×180

其中：θ_i为第i个超声波发射器发射超声波脉冲的入射角度，i＝0,1,2,3,4,5…，n。

根据三角形正弦定理和余弦定理，如图2所示，根据下式计算得到发射波和反射波构成的三角形边长，由此得出两次反射波和发射波构成的两个三角形。

其中：l_i3、l_i4分别为对应裂缝内三角形的发射波和反射波边长长度，t_i1为第i个超声波从发射到到达裂隙的传播时间，t_i2为第i个超声波从第一次反射到被接收的传播时间，t_i3为第i个超声波从第一次折射到第二次反射在裂隙内的传播时间，t_i4为第i个超声波从第二次反射到第二次折射在裂隙内的的传播时间，t_i5为第i个超声波从第二次折射到被接收的传播时间；l_i1、l_i2和l_i5分别为第i个超声波对应各传播时间的传播距离，θ_i1、θ_i3和θ_i4分别为第i个超声波第一次反射、第二次反射和第二次折射的入射角，和分别为第i个超声波第一次折射和第二次折射的折射角；

根据反射角和入射角相同原理，判定裂缝的倾角，进一步确定超声波传播距离。

由于发射超声波能力集中，沿直线传播，可以根据两个三角形中发射波的边长之差和倾角可以准确测出裂缝的缝长、缝宽、缝高和方位。

以测距为例，首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波在对应介质中的速度，即为发射位置与障碍物之间距离的2倍；

l＝ct/2

其中：l为传感器与被测障碍物之间的距离，c为超声波在介质中的传播速度。

本发明适用于常规/非常规油气田水力压裂裂缝方位以及裂缝三维尺寸检测。

Claims (8)

1.基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统，其特征在于，包括以压裂井为圆心且半径为500m范围内对称设置至少四口监测井，设置在监测井内的成对设置的超声波发射器和超声波接收器，以及对应监测井设置的指挥车；

监测井井深不小于压裂井井深，压裂井与任意两监测井不位于水平面的同一条直线上，指挥车分别与对应监测井中依次均匀串联的多对的超声波发射器和超声波接收器连接交互；

指挥车包括依次交互的多功能控制面板、控制器和波形信息存储系统；多功能控制面板连接超声波发射器，波形信息存储系统连接超声波接收器。

2.根据权利要求1所述的基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统，其特征在于，多功能控制面板通过三芯电缆与n个超声波发射器依次串联，超声波发射器相互间隔距离设置为压裂井井深的n分之一，n为正整数。

3.根据权利要求1所述的基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统，其特征在于，波形信息存储系统的外设接口通过三芯电缆与n个超声波接收器依次串联，超声波接收器相互间隔距离设置为压裂井井深的n分之一，n为正整数。

4.根据权利要求1所述的基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统，其特征在于，共设置有五对均匀串联设置的超声波发射器和超声波接收器。

5.基于超声波反射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，采用如权利要求1-4任意一项所述的监测系统，包括以下步骤：

步骤1，对监测系统进行初始化设置，参数设置完毕后监测系统进入采集状态，等待现场注水压裂；

步骤2，控制n个超声波发射器间隔采集周期，以设定的入射角逐一发射超声波信号；每个超声波发射器发射超声波信号后，所有的n个超声波接收器共同接受反射信号，并记录该超声波信号经过多次反射之后的接收时间差；采集周期内所有超声波接收器均能够完成反射信号的接收；

步骤3，指挥车收集到的信息通过无线网络上传至主控制系统；通过接收器接受到的波形信息，指挥车上的子控制系统测定包括时间、波形频率和波形强弱的一系列数据，将这些数据传输到主控制系统中进行统一数据存储和总体分析，经过解一系列方程，得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。

6.根据权利要求5所述的基于超声波反射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，步骤3中，通过如下计算，得到接收反射波的角度和裂缝边缘的位置；

步骤3.1，超声波发射器发射超声波脉冲的角度通过主控制系统根据下式统一确定；

θ_i＝arctan(250/i/h)/3.14×180

其中：θ_i为第i个超声波发射器发射超声波脉冲的入射角度，i＝0,1,2,3,4,5…，n；

步骤3.2，根据三角形正弦定理和余弦定理，根据下式计算得到发射波和反射波构成的三角形边长，由此得出两次反射波和发射波构成的两个三角形；

其中：l_i3、l_i4分别为对应裂缝内三角形的发射波和反射波边长长度，t_i1为第i个超声波从发射到到达裂隙的传播时间，t_i2为第i个超声波从第一次反射到被接收的传播时间，t_i3为第i个超声波从第一次折射到第二次反射在裂隙内的传播时间，t_i4为第i个超声波从第二次反射到第二次折射在裂隙内的的传播时间，t_i5为第i个超声波从第二次折射到被接收的传播时间；l_i1、l_i2和l_i5分别为第i个超声波对应各传播时间的传播距离，θ_i1、θ_i3和θ_i4分别为第i个超声波第一次反射、第二次反射和第二次折射的入射角，和分别为第i个超声波第一次折射和第二次折射的折射角；

步骤3.3，根据反射角和入射角相同原理，判定裂缝的倾角，进一步确定超声波传播距离；

步骤3.4，对超声波每个入射角的所有接收到的反射信号重复步骤3.1-3.3，从而能够根据每一对超声波的发射波和反射波形成的两个三角形中，得到对应发射波的边长之差和倾角，从而测出裂缝的缝长、缝宽、缝高和方位；从而得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。

7.根据权利要求5所述的基于超声波反射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，采集周期设置为3s。

8.根据权利要求5所述的基于超声波反射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，步骤1中，根据现场监测要求进行监测系统参数设置，包括信号采集时间为1min、采样率50kHz和超声波入射角参数。