CN110501746A - 滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，利用长偏移距长导线供电建场，使用不极化电极接地、多通道接收机采集人工电场和天然电场信息；通过压裂前后采集的信息进行评价。本发明采用多股电极线并联的电性源建场，使用不极化电极测量地表天然场和二次场电位信息。使用大功率发电机对地供入高安培电流建场，发射机与接收机通过卫星同步，实现一次场和二次场的连续采集。因采用人工源建场，该方法可不会对微地震监测造成影响，还可同微地震监测同时进行。该技术经济效益好，不仅设备成本远远低于微地震监测设备成本，并且监测施工成本略低于微地震成本，同时，监测效果好，电磁波对于压裂液的灵敏度远远高于地震波对压裂液的灵敏度。

Description

滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法

技术领域

本发明涉及一种探测信息计算分析方法，属于应用地球物理学领域，可应用于石油、有色金属矿床勘探，尤其适用于评价钻井水平井段压裂效果和储层改造效果。

背景技术

石油行业钻井工程耗资巨大，实际钻井成败却由压裂成败决定，但钻井压裂效果好坏的严重只能由压裂结束后通过“反排”“试采”等压裂结束后过程来验证，因此研究出一套经济、有效、快速的压裂效果评价方法十分重要。

该技术使用可控源电法激发压裂段的地球物理场。可控源电法的主要特点是使用人工场源来激发，采用人工场源可以克服天然场源信号微弱的缺点。这种技术的难题是近场源处波的非平面波特性，表现为低频段出现电阻率随频率降低而在双对数坐标图上呈45°上升的近场效应。可控源电磁法是基于水平层状介质理论，发射端使用大功率发电机供电，利用铁、铝板作为接地介质建立人工电磁场。接收端使用不极化电极采集为供电激发的天然场一次场，和发射端供电后的二次场。可控源电磁法是一种极具发展前景的勘探技术，具有探测深度大，对低阻地质体灵敏，与探测目标耦合好，异常响应强，形态简单，分辨能力强等优点，该技术反演得到的电阻率信息对低阻异常体反应敏感，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等。同时其计算得到的极化率信息是含水介质层面发的电化学效应产生的，也叫激发极化效应。

可控源电磁法是基于水平层状介质理论，利用多股并联长导线连接铝板向大地供电组成人工源。不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，利用线圈或接地电极观测异常体产生的二次涡流场的方法，通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，即感应电压。根据电磁场理论，把测量数据转换成为地层深度与地层电阻率信息，进而得到不同深度的地层地电特征。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，监测效果好，电磁波对于压裂液的灵敏度远远高于地震波对压裂液的灵敏度。

为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：利用长偏移距长导线供电建场，使用不极化电极接地、多通道接收机采集人工电场和天然电场信息；通过压裂前后采集的信息进行评价。

进一步地，采用轴向偶极装置，建场施工分为发射和接收两部分，在发射端用大功率发电机通过接地电极AB向地下供入电流，在接收端用电极和磁棒接收与地下介质变化有关的电磁分量，计算得出压裂造成的地层电阻率、极化率异常，监测、评价压裂效果。

进一步地，发射电偶极源的长度2～8km变化，源和测线之间的偏移距从3～10km变化，偏移距和发射源的长度依据探测目标的深度确定。发射的波形为过零和不过零的两种方法。

进一步地通过压裂前后采集的电磁信号的振幅变化和反演出的电阻率变化，推测水压裂可能引起的储层中裂缝的宽度和位置。

进一步地所述建场布设方法如下：

(1)设计建场源AB距离根据压裂目标层深度确定；

(2)设计场源电流大小不小于50A，根据接地电阻布设AB两端；当接地电阻较大时，采埋设用铁、铝板增大接地面积来减小接地电阻或多股电源线并联减小线组，增大电流；

(3)场源端发射不过零方波信号建立人工场源，接收端通过卫星与发射端同步，采集激发后的地球物理场信息。

进一步地，步骤(3)发射不过零方波，供电建场电极线方向与测线方向相平行。

进一步地，采集方法如下：采集单分量Ex，为压裂前背景场，压裂中监测天然场自然电位变化，压裂过后供电建场，采集激发后的电场信息。

进一步地，在不供电时接收机采集压裂注液天然电场响应，压裂后供电建场，采集压裂后由压裂液造成的天然场异常变化，用于实时分析压裂水流趋势。

本发明的有益效果：本发明的因采用人工源建场，该方法不会对微地震监测造成影响，还可同微地震监测同时进行。本发明的方法经济效益好，不仅设备成本远远低于微地震监测设备成本，并且监测施工成本略低于微地震成本，同时，监测效果好，电磁波对于压裂液的灵敏度远远高于地震波对压裂液的灵敏度。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的单分量探测设置示意图。

图2为发射机的供电制式示意图。

图3为接收频谱示意图。

图4为发射信号示意图。

图5为接收信号示意图。

图6为测线布设示意图。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的一种滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，采用轴向偶极装置，现场施工分为发射和接收两部分，在发射端用大功率发电机通过接地电极AB向地下供入电流，在接收端用电极和磁棒接收与地下介质变化有关的电磁分量，研究地下介质的变化规律。研究压裂状态时，同时频率域和时间域参数变化，探测目标体深度主要与激发周期有关，激发周期越长探测深度越大。发射电偶极源的长度2～8km变化，源和测线之间的偏移距从3～10km变化，偏移距和发射源的长度依据探测目标的深度确定。发射的波形为过零和不过零的两种方法，重复发射多个周期。

根据实际水平井深度、长度、压裂段数以及地面情况，部署测网和发射源，发射频率表设定。在开始压裂之前采集数据一遍，然后每一段压裂后采集数据一遍，每一次采集之前采集一次背景场电场响应。通过压裂前后采集的电磁信号的振幅变化和反演出的电阻率变化，推测水压裂可能引起的储层中裂缝的宽度和位置。

1.算式推导

a.麦克斯韦方程组

下述方程组为高斯制表达式，模拟电荷、电流、电场、磁场随时间和空间的变化规律。

式中表示散度，表示旋度，ρ^*表示自由电荷密度，J表示电流密度，E表示电场强度，B表示磁感应强度，C为光速。

b.介质方程组

D＝ε₀E

B＝μ₀H

J＝σE

式中ε₀表示真空中的介电常数，μ₀表示磁导率，σ表示电导率。

c.总电电荷密度和总电流密度

定义自由电荷产生传导电流J₁，极化电荷产生电流J₂，极化电荷缠身电流强度

P为极化强度的散度，磁化电流密度M为磁化强度的散度。总电流密度总电荷密度

d.地下均匀介质麦克斯韦方程组

定义电位移矢量D＝E+4πP，定义磁场强度H＝B+4πM，定义ε为地下均质中介电常数，定义μ为地下均质中磁导率

e.地下均匀介质波动方程

设地下初始状态介质不带电荷。

引入(b)介质方程组求得扩散方程电磁场表达式

式中为拉普拉斯算子。

2.均匀半空间偶极源电磁场

a.引入电磁波场边界条件

H_1t-H_2t＝J

H_1t-H_2t＝0

E_1t-E_2t＝0

B_1n-B_2n＝0

D_1n-D_2n＝ρ^*

D_1n-D_2n＝0

式中t表示切线方向，n表示法线方向，数字1、2表示界面层数。

b.电场分量表达式

在三维直角坐标系中，设xy轴平面为地面，存在任意点。设电偶源为AB，AB中点与坐标系元点重合，方向与x轴一致。距离为，与x轴夹角为。忽略位移电流，设地下岩石磁导率与真空磁导率相等。根据实用单位制，引入边界条件求得电场x方向分量表达式为

式中k_i为反射波常数。I为发射电流强度，单位安培(A),AB为电源直线，单位米(m)，r为场源中点到接收点S的距离，单位米(m)。

3.压裂监测电场算式

当|k_ir|＞＞1时，电场x方向分量表达式为

本发明的具体操作方法如下：

1、装置布设

如图1所示，反J形曲线代表钻井轨迹，不规则图形表示压裂射孔点。监测系统主要由发射和接收两大部分组成。

发射源垂直于水平井布设，发射电极AB距供电极距的选择需结合井场工区地质任务在野外实地通过测深实验选择，在观测仪器检测能力容许的条件下，使得供电极距尽量的大。当供电极距增大到某一值时，异常减小，此时的供电极距为最大。AB距离ABC测线距离为2～5km，发射信号为不同频率的双极性过零方波，供电发射时长依压裂段深度设定，一般最低频20(s)即可。

采集端，在每个压裂段上方布设一条接收测线，即射孔点地面投影正上方，同时布设三条形成阵列。测线方向垂直于水平井，观测点距视任务而定，接收分量为Ex。在每段造缝段压裂结束后，搬动测线于测线阵列后方。例，测线A段压裂结束后，搬动至于，测线a处，三条测线依压裂次序滚动至全钻井压裂段结束。

2、监测流程如下：

(1)压裂前部署好三条监测测线；

(2)每天压裂前供电建场一次，采集获得背景场值，背景场结果不可隔天；

(3)每段压裂结束后供电采集一次压裂异常场；

(4)当日压裂段全部结束后滚动测线，同时收回采集数据；

(5)计算地面电场值观测响应，指导下段压裂。

3、建场发射

如图2所示，本发明系统发射机的供电制式为双向长脉冲制式

4、采集接收处理

图3为接收频谱示意图，

设置合理的仪器采样率，接收实时地面电场值{A_t}＝{A₁、A₂、A₃...A_n}，对序列{A_t}

表示为s_n(x)

进行最佳平方三角函数逼近多项式，解得

得到

已知

代入

解得

推得

求得的a_k信息将用于监测压裂。

2018年6月于湖北省宜昌市某口页岩气井，依照本发明的方法实施监测。监测该口页岩气井水平井压裂，取得良好效果。本发明的监测方法取得的结果，于同时实施的微地震监测结果一致，监测效果优于微地震监测。

上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (8)

1.滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：利用长偏移距长导线供电建场，使用不极化电极接地、多通道接收机采集人工电场和天然电场信息；通过压裂前后采集的信息进行评价。

2.根据权利要求1所述的滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：采用轴向偶极装置，建场施工分为发射和接收两部分，在发射端用大功率发电机通过接地电极AB向地下供入电流，在接收端用电极和磁棒接收与地下介质变化有关的电磁分量，计算得出压裂造成的地层电阻率、极化率异常，监测、评价压裂效果。

3.根据权利要求1所述的滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：发射电偶极源的长度2～8km变化，源和测线之间的偏移距从3～10km变化，偏移距和发射源的长度依据探测目标的深度确定。发射的波形为过零和不过零的两种方法。

4.根据权利要求1所述的滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：通过压裂前后采集的电磁信号的振幅变化和反演出的电阻率变化，推测水压裂可能引起的储层中裂缝的宽度和位置。

5.根据权利要求1所述的滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：所述建场布设方法如下：

(1)设计建场源AB距离根据压裂目标层深度确定；

(2)设计场源电流大小不小于50A，根据接地电阻布设AB两端；当接地电阻较大时，采埋设用铁、铝板增大接地面积来减小接地电阻或多股电源线并联减小线组，增大电流；

(3)场源端发射不过零方波信号建立人工场源，接收端通过卫星与发射端同步，采集激发后的地球物理场信息。

6.根据权利要求1所述的滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：步骤(3)发射不过零方波，供电建场电极线方向与测线方向相平行。

7.根据权利要求1所述的滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：采集方法如下：采集单分量Ex，为压裂前背景场，压裂中监测天然场自然电位变化，压裂过后供电建场，采集激发后的电场信息。

8.根据权利要求7所述的滚动式三维可控源电法监测评价钻井压裂方法，其特征在于：在不供电时接收机采集压裂注液天然电场响应，压裂后供电建场，采集压裂后由压裂液造成的天然场异常变化，用于实时分析压裂水流趋势。