CN110761778B - 基于声波的压裂裂缝监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声波的压裂裂缝监测方法，其包含以下步骤：在压裂作业过程中，采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号；将声波信号转化为电信号，并将电信号传送至工控机；接收电信号，对电信号进行声学分析，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况。本发明提供利用压裂过程中地层起裂和裂缝延伸时在压裂液中产生的强烈声波，采集声波信号，转换为电信号后进行声学分析并提取声学特征参数，实时监测裂缝起裂和延伸情况，实现了压裂过程中裂缝的实时监测。

Description

基于声波的压裂裂缝监测方法及系统

技术领域

本发明涉及石油工程领域，具体地说，涉及一种基于声波的压裂裂缝监测方法及系统。

背景技术

在油气工程领域的压裂施工过程中，需要判断地下裂缝的起裂和延伸情况，指挥现场操作。正确地认识压裂裂缝的起裂和延伸状况，对评价压裂效果，改善压裂增产效果、提高单井产能及最终采收率具有重要意义。但目前压裂现场对裂缝的监测存在准确性、实时性和成本控制等问题。

因此，本发明提供了一种基于声波的压裂裂缝监测方法及系统。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于声波的压裂裂缝监测方法，所述方法包含以下步骤：

在压裂作业过程中，采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号；

将所述声波信号转化为电信号，并将所述电信号传送至工控机；

接收所述电信号，对所述电信号进行声学分析，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况。

根据本发明的一个实施例，对所述电信号进行声学分析的步骤中，包含：

对所述电信号进行基础分析，其中所述基础分析包含时域分析、频谱分析以及声功率分析中的任一项或任几项。

根据本发明的一个实施例，对所述电信号进行基础分析的步骤中，包含：

提取所述电信号中的声学特征参数，对所述声学特征参数进行分析。

根据本发明的一个实施例，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况步骤中，包含：

基于所述声学特征参数的分析结果确定压裂裂缝中裂缝的起裂情况以及延伸情况，实时监测压裂裂缝的变化情况。

根据本发明的一个实施例，在压裂作业前，启动所述工控机。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种基于声波的压裂裂缝监测系统，所述系统包含：

水听器，其安装在地面压裂液管线上，用于在压裂作业过程中，采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号，将所述声波信号转化为电信号；

工控机，其与所述水听器通信，用于接收所述电信号，对所述电信号进行声学分析，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况。

根据本发明的一个实施例，所述系统包含：

信号传输线缆，其两端分别连接所述水听器以及所述工控机，用于所述水听器向所工控机传输所述电信号。

根据本发明的一个实施例，工控机，还配置为用以：

对所述电信号进行基础分析，其中所述基础分析包含时域分析、频谱分析以及声功率分析中的任一项或任几项。

根据本发明的一个实施例，工控机，还配置为用以：

提取所述电信号中的声学特征参数，对所述声学特征参数进行分析。

根据本发明的一个实施例，工控机，还配置为用以：

基于所述声学特征参数的分析结果确定压裂裂缝中裂缝的起裂情况以及延伸情况，实时监测压裂裂缝的变化情况。

本发明提供的基于声波的压裂裂缝监测方法及系统利用压裂过程中地层起裂和裂缝延伸时在压裂液中产生的强烈声波，采集声波信号，转换为电信号后进行声学分析并提取声学特征参数，实时监测裂缝起裂和延伸情况，实现了压裂过程中裂缝的实时监测。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1显示了根据本发明的一个实施例的基于声波的压裂裂缝监测方法流程图；

图2显示了根据本发明的另一个实施例的基于声波的压裂裂缝监测方法流程图；以及

图3显示了根据本发明的一个实施例的基于声波的压裂裂缝监测系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。

压裂施工过程中，需要判断地下裂缝的起裂和延伸情况，指挥现场操作。正确地认识压裂裂缝的起裂和延伸状况，对评价压裂效果，改善压裂增产效果、提高单井产能及最终采收率具有重要意义。

目前应用的裂缝监测方法有3类：第一类：间接裂缝监测，包括压裂净压力分析(裂缝模型)、试井分析等方法；第二类：直接近井筒裂缝监测，包括放射性示踪剂、温度测井、生产测井及井眼成像测井等方法；第三类：直接远场裂缝监测，包括微地震监测技术、地面倾斜监测技术等方法。

间接裂缝监测主要是用数学模型或分析方法，通过对压裂施工中的相关数据进行分析，间接得到裂缝形态等裂缝参数，但是该类方法准确性依赖于物理模型的准确性和监测采样数据的准确性，难以真实反映地下裂缝的实际情况；

直接近井筒裂缝监测主要是应用生产测井原理技术，对压裂裂缝在近井地带的裂缝高度、方位等参数进行直接测量，但是该类方法不适用于压裂过程中对裂缝进行监测。

直接远场裂缝监测主要是对压裂起裂、延伸过程中产生的微地震信号、大地变形信息进行采集处理，测绘裂缝的几何形态，但是该类方法成本高，同时需要较长时间进行数据处理，难以用于压裂施工的现场指挥。

此外，已有的发明专利和实用新型中提供的方法和装置均存在类似的问题。

专利文件一种稳定电场水平井压裂裂缝监测方法，提供了一种稳定电场水平井压裂裂缝监测方法。但该发明需要临近的带有套管的供电井筒，影响供电井筒的生产，同时该方法布置较复杂，涉及较多器件，存在成本较高的问题。

专利文件一种新的页岩气井压裂裂缝监测方法应用磁致伸缩换能器方法监测页岩气井压裂裂缝。该方法需要在井下安装的监测短节且装置较为复杂，占用井内空间，不适用于压裂过程中对裂缝进行监测。

专利文件基于纳米磁流体的水力压裂裂缝实时监测系统及监测方法提供了一种基于纳米磁流体的水力压裂裂缝实时监测系统及监测方法，该发明的监测系统需要改造现有的压裂系统且系统构成复杂，作业实施难度较高。

综上所述，目前压裂现场对裂缝的监测存在准确性、实时性和实时难度控制等问题。因此，图1显示了根据本发明的一个实施例的基于声波的压裂裂缝监测方法流程图。

如图1所示，在步骤S101中，在压裂作业过程中，采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号。

压裂施工中，当地层起裂和裂缝延伸时，除了形成地震波，还会在压裂液中伴随产生强烈的声波。该声波会沿压裂液柱传播，而且由于压裂管柱一般是钢材管柱，声波的衰减较少，在传到地面井口时仍然可以保持足够的强度。这种声波信号中蕴含着丰富的地层起裂和裂缝延伸的信息。

在步骤S102中，将声波信号转化为电信号，并将电信号传送至工控机。在实际施工中，可以将水听器安装在地面压裂液管线上，用于在压裂作业过程中，采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号，将声波信号转化为电信号。

在步骤S103中，接收电信号，对电信号进行声学分析，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况。在本步骤中，工控机接收电信号并分析其声学特征，进而推算得到地下裂缝的起裂、延伸情况。

如图1所示的方法利用压裂过程中地层起裂和裂缝延伸时在压裂液中产生的强烈声波，在井口采集声波信号并分析其声学特征，从而达到在压裂过程中实时推算并绘制地下裂缝的起裂和延伸情况，利用较低的成本为作业者提供更迅捷准确的裂缝信息，辅助现场施工。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的基于声波的压裂裂缝监测方法流程图。

在步骤S201中，对电信号进行基础分析，其中基础分析包含时域分析、频谱分析以及声功率分析中的任一项或任几项。

然后，在步骤S202中，提取电信号中的声学特征参数，对声学特征参数进行分析。

在步骤S203中，基于声学特征参数的分析结果确定压裂裂缝中裂缝的起裂情况以及延伸情况，实时监测压裂裂缝的变化情况。

根据本发明的一个实施例，在实际操作中以48000Hz采样率对井筒声波进行采样记录。记录的音频振幅信号，每5ms为一个时间窗进行分割。可以对时间窗内的信号进行快速傅立叶(FFT)变换。

对每个时间窗信号经过快速傅里叶变换后所得的频谱，以n个带通滤波器进行滤波。(例如，以20个带通滤波器进行滤波，每个滤波带宽为1000Hz，例如0～1000Hz、1000～2000Hz、2000～3000Hz，直至19000～20000Hz。)然后对每个滤波器过滤后的信号求平均值，得到该时间窗的维数为n的频谱特征向量。

接着，将每个时间窗的频谱特征向量与50ms前的时间窗的频谱特征向量相减，所得的n维向量与该时间窗的频谱特征向量一起，构成2×n维的分析特征向量。

该分析特征向量表达了井下状态的特点，可以根据经验规律编制软件程序识别其特点，从而判断井下状态。也可以使用神经网络训练，来根据分析特征向量识别井下状态。例如将每个时间窗的分析特征向量作为神经网络的输入，相应时刻的井下状态作为神经网络的输出，来对神经网络进行训练。训练成功后的神经网络即可根据新的分析特征向量判断井下状态。

图3显示了根据本发明的一个实施例的基于声波的压裂裂缝监测系统结构示意图。

在实际作业中，地层起裂和裂缝延伸时在压裂液中伴随产生强烈声波，且声波会沿压裂液柱传播，而且由于压裂管柱是钢材管柱，声波衰减较少，在传到地面井口时仍可保持足够的强度。基于这一原理，在地面管线应用传感器监测压裂液内声波，通过收集压裂液声波信号并分析其声学特征，推算监测地下裂缝的起裂和延伸情况，辅助现场施工。

如图3所示，本发明无需在井下布置仪器，系统构成主要为地面仪器，数量少且仪器构成简单，布置实施方法简单，安全可靠。系统包含水听器301以及工控机303，二者之间通过信号传输线缆302连接。

其中，水听器301安装在地面压裂液管线上，用于在压裂作业过程中，采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号，将声波信号转化为电信号。

工控机303与水听器通信，用于接收电信号，对电信号进行声学分析，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况。

信号传输线缆302两端分别连接水听器以及工控机，用于水听器向所工控机传输电信号。

通过如图3所示的系统进行压裂裂缝监测的方法具体可以为：首先，在地面压裂液管线中，安装水听器，水听器由信号传输线缆连接到工控机。然后，启动工控机，运行信号分析程序。接着，开始压裂作业，通过水听器收集压裂液传递上来的声波信号，并将声波信号转化为电信号，经由信号线路将该电信号传输到工控机。

然后，由工控机上运行的信号分析程序，对该信号做声学特征分析，包括但不限于时域分析、频谱分析、声功率分析等。最后，分析提取到的声学特征参数，实时显示地下裂缝的起裂和延伸情况。

本发明提供的基于声波的压裂裂缝监测方法及系统利用压裂过程中地层起裂和裂缝延伸时在压裂液中产生的强烈声波，采集声波信号，转换为电信号后进行声学分析并提取声学特征参数，实时监测裂缝起裂和延伸情况，实现了压裂过程中裂缝的实时监测。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于声波的压裂裂缝监测方法，其特征在于，无需在井下布置仪器，所述方法包含以下步骤：

在压裂作业过程中，通过安装在地面压裂液管线上的水听器采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号；

将所述声波信号转化为电信号，并将所述电信号传送至工控机；

接收所述电信号，对所述电信号进行声学分析，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况，在压裂过程中实时推算并绘制地下裂缝的起裂和延伸情况，其中，通过以下步骤对所述电信号进行声学分析：

以预设采样率对所述电信号进行采样记录，记录得到的音频振幅信号通过时间窗进行分割，并对时间窗内的信号进行快速傅立叶变换；

对每个时间窗信号经过快速傅里叶变换后所得的频谱，以多个带通滤波器进行滤波，然后对每个滤波器过滤后的信号求平均值，得到该时间窗的多维数的频谱特征向量；

将每个时间窗的频谱特征向量与之前时间窗的频谱特征向量相减，所得的多维向量与该时间窗的频谱特征向量一起，构成分析特征向量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述电信号进行声学分析的步骤中，包含：

对所述电信号进行基础分析，其中所述基础分析包含时域分析、频谱分析以及声功率分析中的任一项或任几项。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述电信号进行基础分析的步骤中，包含：

提取所述电信号中的声学特征参数，对所述声学特征参数进行分析。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况步骤中，包含：

基于所述声学特征参数的分析结果确定压裂裂缝中裂缝的起裂情况以及延伸情况，实时监测压裂裂缝的变化情况。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在压裂作业前，启动所述工控机。

6.一种基于声波的压裂裂缝监测系统，其特征在于，执行如权利要求1-5中任一项所述的方法，所述系统包含：

水听器，其安装在地面压裂液管线上，用于在压裂作业过程中，采集压裂液中携带的由于地层起裂及裂缝延伸所产生的声波信号，将所述声波信号转化为电信号；

工控机，其与所述水听器通信，用于接收所述电信号，对所述电信号进行声学分析，基于分析结果实时监测压裂裂缝的变化情况。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统包含：

信号传输线缆，其两端分别连接所述水听器以及所述工控机，用于所述水听器向所工控机传输所述电信号。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，工控机，还配置为用以：

对所述电信号进行基础分析，其中所述基础分析包含时域分析、频谱分析以及声功率分析中的任一项或任几项。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，工控机，还配置为用以：

提取所述电信号中的声学特征参数，对所述声学特征参数进行分析。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，工控机，还配置为用以：

基于所述声学特征参数的分析结果确定压裂裂缝中裂缝的起裂情况以及延伸情况，实时监测压裂裂缝的变化情况。

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