CN111622748B - 一种地下压裂体积监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种地下压裂体积监测系统及方法，其中，该系统包括：电磁发射机，其设置在待分析区域的第一邻井中，用于在压裂前和压裂后分别向待分析区域发射电磁信号；电磁接收机，其设置在待分析区域的第二邻井中，用于分别在压裂前和压裂后接收待分析区域所反馈的电磁信号，对应得到压裂前响应信号和压裂后响应信号；体积监测装置，其与电磁接收机连接，用于根据压裂前响应信号和压裂后响应信号确定注入到待分析地层中的支撑剂的体积，并根据支撑剂的体积确定压裂体积。本系统以及方法能够实时地对地层压裂过程中地层压裂形态进行定量描述，这样所得到的压裂体积也就可以为预测地层产能、评估页岩气开发价值提供重要的数据依据。

Description

一种地下压裂体积监测系统及方法

技术领域

本发明涉及地质勘探开发技术领域，具体地说，涉及一种地下压裂体积监测系统及方法。

背景技术

体积压裂技术认为裂缝的起裂与扩展不单单是裂缝的张性开裂，还存在剪切、滑移、错断等复杂的力学行为，其作用机理是通过压裂形成一条或多条主裂缝的同时，使天然裂缝不断扩张和脆性岩石产生剪切滑移，实现对天然裂缝、岩石层理的沟通，以及在主裂缝的侧向强制形成次生裂缝，并在次生裂缝上继续分支形成二级次生裂缝，以此类推，形成天然裂缝与人工裂缝相互交错的裂缝网络。体积压裂有助于将有效储层打碎，实现三维的全面改造，增大渗流面积及导流能力，提高初始产量和最终采收率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种地下压裂体积监测系统，所述系统包括：

电磁发射机，其设置在待分析区域的第一邻井中，用于在压裂前和压裂后分别向所述待分析区域发射电磁信号；

电磁接收机，其设置在所述待分析区域的第二邻井中，用于分别在压裂前和压裂后接收待分析区域所反馈的电磁信号，对应得到压裂前响应信号和压裂后响应信号；

体积监测装置，其与所述电磁接收机连接，用于根据所述压裂前响应信号和压裂后响应信号确定注入到待分析地层中的支撑剂的体积，并根据所述支撑剂的体积确定压裂体积。

根据本发明的一个实施例，所述电磁发射机与所述电磁接收机通过GPS进行同步。

根据本发明的一个实施例，所述支撑剂的电导率为背景地层的电导率的至少5倍。

根据本发明的一个实施例，所述体积监测装置配置为：

计算所述压裂后响应信号与压裂前响应信号的差值，得到差值信号；

根据所述差值信号进行反演，得到所述支撑剂的体积。

根据本发明的一个实施例，所述体积监测装置配置为：

根据所述差值信号进行反演，得到待分析区域的电导率数值分布；

根据所述电导率数值分布确定所述待分析区域中井下电性异常体的空间位置、空间展布信息和边界特征信息，并提取所述井下电性异常体的几何结构参数和位置参数；

根据所述井下电性异常体的几何结构参数和位置参数确定所述支撑剂的体积。

根据本发明的一个实施例，所述体积监测装置配置为根据如下步骤确定所述待分析区域的电导率数值分布：

根据所述差值信号构建残差向量；

基于预设反演目标函数，根据所述残差向量进行反演，得到所述待分析区域的电导率数值分布。

根据本发明的一个实施例，所述预设反演目标函数包括：

F＝(Δd-JΔm)^T(Δd-JΔm)+λΔm^T

其中，F表示预设反演目标函数，Δd表示残差向量，J表示雅克比矩阵或灵敏度矩阵，Δm表示模型修正值向量，λ表示阻尼因子。

根据本发明的一个实施例，所述残差向量包括磁场三分量的差值数据和/或电场二分量的差值数据。

本发明还提供了一种地下压裂体积监测方法，其特征在于，所述方法基于如上任一项所述的系统进行地下压裂体积的监测。

根据本发明的一个实施例，所述方法包括：

步骤一、在压裂前，利用设置在待分析区域的第一邻井中的电磁发射机向所述待分析区域发射预设激励信号，并利用设置在所述待分析区域的第二邻井中的电磁接收机接收所述预设激励信号的响应信号，得到压裂前响应信号；

步骤二、向所述待分析区域注入支撑剂进行压裂，在压裂完成后，利用所述电磁发射机所述待分析区域发射预设激励信号，并利用所述电磁接收机接收所述预设激励信号的响应信号，得到压裂后响应信号；

步骤三、利用体积监测装置根据所述压裂前响应信号和压裂后响应信号确定注入到待分析地层中的支撑剂的体积，并根据所述支撑剂的体积确定压裂体积。

本发明所提供的地下压裂体积监测系统以及监测方法通过识别压裂过程中所注入的高导电材料的体积来间接地确定压裂体积，其会利用电磁信号激励高导电材料(即支撑剂)使之产生二次响应信号。本系统以及方法能够实时地对地层压裂过程中地层压裂形态进行定量描述，这样所得到的压裂体积也就可以为预测地层产能、评估页岩气开发价值提供重要的数据依据。

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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的地下压裂监测系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的电磁发射机与电磁接收机的设置位置示意图；

图3是根据本发明一个实施例的电磁接收机的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的地下压裂监测方法的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提供了一种新的地下压裂体积监测系统以及监测方法，该系统以及方法通过识别压裂过程中所注入的高导电材料来得到高导电材料的体积，进而根据高导电材料的体积确定出压裂体积，所确定出的压裂体积对于预测地层产能、评估页岩气开发价值具有积极意义。

图1示出了本实施例所提供的地下压裂监测系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的地下压裂体积监测系统优选地包括：电磁发射机101、电磁接收机102以及体积监测装置103。其中，如图2所示，在进行地下压裂体积监测时，电磁发射机101优选地设置在待分析区域(即注井C所对应的区域D)的第一邻井A中，其用于在压裂前和压裂后分别向待分析区域发射电磁信号。

在进行地下压裂体积监测时，电磁接收机102优选地设置在待分析区域的第二邻井B中，其用于在压裂前和压裂后接收待分析区域所反馈的电磁信号，对应得到压裂前响应信号和压裂后响应信号。

体积监测装置103与电磁信号接收机102连接，其能够根据电磁信号接收机102所传输来的压裂前响应信号和压裂后响应信号确定在压裂过程中注入到待分析地层中的支撑剂的体积，并根据所得到的支撑剂的体积来确定压裂体积。

本实施例中，由于电磁发射机101与电磁接收机102设置在不同的位置处，因此为了保证电磁接收机能够及时地接收所需要的电磁信号，电磁发射机101与电磁接收机102之间优选地通过GPS进行同步。如图3所示，为了实现GPS同步，本实施例中，电磁发射机101与电磁接收机102优选地均配置有GPS天线，以用于接收GPS授时信号。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，电磁发射机101与电磁接收机102之间还可以采用其他合理方式进行同步，本发明对此并不进行限定。

本实施例中，体积监测装置103在接收到电磁接收机102所传输来的压裂前响应信号和压裂后响应信号后，其优选地会首先计算压裂后响应信号与压裂前响应信号的差值，从而得到差值信号。随后，体积监测装置103会根据所得到的上述差值信号进行反演，得到注入待分析地层的支撑剂体积。

如图3所示，本实施例中，电磁接收机102所接收到的电磁信号优选地包括x、y、z三个相互垂直的方向上的磁场信号(即磁场三分量H_x、H_y以及H_z)。同时，电磁接收机102所接收到的电磁信号优选地还包括x、y两个相互垂直的方向上的电场信号(即电场二分量E_x和E_y)。

本实施例中，体积监测装置103通过计算压裂后响应信号与压裂前响应信号的差值(即压裂后响应信号减去压裂前响应信号)，也就可以得到压裂过程中注入到待分析地层中的支撑剂所产生的电磁信号。通过对支撑剂所产生的电磁信号进行反演，也就可以得到支撑剂的体积。

具体地，本实施例中，在得到待分析地层中的支撑剂所产生的电磁信号(即差值信号)后，体积监测装置103优选地会首先根据该差值信号进行反演，从而得到待分析区域的电导率数值分布。

例如，体积监测装置103可以首先根据所得到的差值信号构建出电磁数据的残差向量。具体地，体积监测装置103可以分别计算所得到的磁场三分量的差值数据以及电场二分量的差值数据，这样所得到的电磁数据的残差向量也就可以包含至少5个元素。

其中，体积监测装置103也可以根据如下表达式来确定残差向量Δd：

Δd＝d-d₀  (1)

其中，d表示电磁数据测量值向量(即压裂后响应信号所构成的向量)，d₀表示电磁数据模拟值向量(即压裂前响应信号所构成的向量)。

当然，在本发明的其他实施例中，体积监测装置103所构建的电磁数据的残差向量既可以仅包含以上所列项中的某一项或某几项，也可以包含其他未列出的合理项，抑或是以上所列项中的某一项或某几项与其他未列出的合理项的组合。

随后，体积监测装置103则会基于预设反演目标函数，根据上述残差向量Δd来进行反演，从而得到待分析区域的电导率数值分布。具体地，本实施例中，体积监测装置103所构建的反演目标函数优选地为：

F＝(Δd-JΔm)^T(Δd-JΔm)+λΔm^T  (2)

其中，F表示反演目标函数，J表示雅克比矩阵或灵敏度矩阵Δm表示模型修正值向量，λ表示阻尼因子。

本实施例中，矩阵J表示响应对每个模型参数的偏导数，其各个元素可以采用如下表达式表示：

其中，F_i(m)表示第i个测点处的响应，m_j表示模型参数向量m的第j个元素。

最小化反演目标函数F，可以得到：

在进行反演过程中，体积监测装置103也就可以根据表达式(2)和表达式(4)得到如下线性方程组：

(J^TJ+λI)Δm＝G^TΔd  (5)

其中，I表示单位矩阵，G表示最小化目标函数得出的矩阵。

通过求解线性方程组(5)，体积监测装置103也就可以得到模型修正值向量Δm。随后，通过将本轮迭代所得到的模型修正值向量Δm与上一轮迭代中正演时的模型参数向量进行求和，体积监测装置103也就可以得到本轮迭代所对应的模型参数向量，随后利用本轮迭代所对应的模型参数向量再次进行三维有限元正演。通过不断的循环迭代，当残差向量Δd满足预设收敛条件时，结合电测井资料等模型约束条件，体积监测装置103也就可以得到最优的模型参数(例如电导率数值分布)。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，体积监测装置103还可以采用其他合理方式来根据差值信号确定待分析区域的电导率数值分布，本发明不限于此。

本实施例中，在得到待分析区域的电导率数值分布后，体积检测装置103优选地会根据所得到的电导率数值分布确定待分析区域中井下电性异常体(例如支撑剂)的空间位置、空间展布信息和边界特征信息，并提取所述井下电性异常体的几何结构参数和位置参数。最后，体积监测装置也就可以根据井下电性异常体的几何结构参数和位置参数确定支撑剂的体积。而支撑剂的体积也就可以视为压裂体积。

为了更加清楚的阐述本发明所提供的地下压裂体积监测系统进行地下压裂体积监测的实现原理以及实现过程，以下结合图4所示出的地下压裂体积监测方法的实现流程示意图来作进一步地说明。其中，本发明所提供的地下压裂体积监测方法优选地基于本发明所提供的地下压裂体积监测系统来实现。

如图4所示，本实施例所提供的地下压裂体积监测方法在压裂前(即向待分析地层注入支撑剂前)，首先会在步骤S401中利用设置在待分析区域的第一邻井中的电磁发射机向待分析区域发射预设激励信号。其中，电磁发射机向待分析区域发射预设激励信号优选地为双极性方波，其包含正弦波信号和谐波信号，发射频率优选为DC～10kHz，最大电流可以达到50A。当然，在本发明的其他实施例中，电磁发射机所发射的预设激励信号还可以为其他合理信号(例如双极性半正弦信号或是双极性梯形信号等)，本发明并不对此进行限定。

在步骤S402中，该方法会利用设置在待分析区域的第二邻井中的电磁接收机来接收预设激励信号的响应信号，从而得到压裂前响应信号。正如前面所描述的，本实施例中，该方法在步骤S402中利用电磁接收机所得到的响应信号优选地包括x、y、z三个方向上的磁场信号(即磁场三分量H_x、H_y以及H_z)以及x、y两个方向上的电场信号(即电场二分量E_x和E_y)。

在得到压裂前响应信号后，该方法会在步骤S403中向待分析区域注入支撑剂以进行压裂。本实施例中，为了保证最终所得到的压裂体积的准确性和可靠性，该方法在步骤S403中所注入的支撑剂的电导率优选地为背景地层的电导率的至少5倍(即支撑剂的电导率与背景地层的电导率的商优选地大于或等于5)。例如，在本发明的一个实施例中，根据实际需要，支撑剂的电导率可以为背景地层的电导率的7倍、10倍或是15倍等。

本实施例中，该方法在步骤S403中所注入的支撑剂优选地为利用黄铁矿按照支撑剂制作工艺制作而成的高导电支撑剂。当然，在本发明的其他实施例中，该方法所使用的支撑剂还可以为其他满足电导率要求的材料或是工艺制作而成的，本发明并不对此进行限定。

如图4所示，在完成地层压裂后，该方法会在步骤S404中再次利用上述电磁发射机来向待分析区域再次发射预设激励信号，并在步骤S405中利用电磁接收机来接收预设激励信号的响应信号，从而得到压裂后响应信号。本实施例中，步骤S404和步骤S405的实现原理以及过程与上述步骤S401和步骤S402的实现原理以及过程相同，故在此不再对步骤S404和步骤S405的相关内容进行赘述。

在得到压裂前响应信号和压裂后响应信号后，该方法则可以在步骤S406中利用体积监测装置来根据所得到的压裂前响应信号和压裂后响应信号确定注入到待分析地层中的支撑剂的体积，进而在步骤S407中根据上述支撑剂的体积来确定出地层压裂体积。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的地下压裂体积监测系统以及监测方法通过识别压裂过程中所注入的高导电材料的体积来间接地确定压裂体积，其会利用电磁信号激励高导电材料(即支撑剂)使之产生二次响应信号。本系统以及方法能够实时地对地层压裂过程中地层压裂形态进行定量描述，这样所得到的压裂体积也就可以为预测地层产能、评估页岩气开发价值提供重要的数据依据。

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或处理步骤，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。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种地下压裂体积监测系统，其特征在于，所述系统包括：

电磁发射机，其设置在待分析区域的第一邻井中，用于在压裂前和压裂后分别向所述待分析区域发射电磁信号；

电磁接收机，其设置在所述待分析区域的第二邻井中，用于分别在压裂前和压裂后接收待分析区域基于所发射的电磁信号而所反馈的电磁信号，对应得到压裂前响应信号和压裂后响应信号；

体积监测装置，其与所述电磁接收机连接，用于根据所述压裂前响应信号和压裂后响应信号确定注入到待分析地层中的支撑剂的体积，并根据所述支撑剂的体积确定压裂体积，所述体积监测装置配置为：先计算所述压裂后响应信号与压裂前响应信号的差值，得到差值信号，再根据所述差值信号进行反演，得到所述支撑剂的体积，所述响应信号包括磁场三分量信号以及电场二分量信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电磁发射机与所述电磁接收机通过GPS进行同步。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述支撑剂的电导率为背景地层的电导率的至少5倍。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述体积监测装置配置为：

根据所述差值信号进行反演，得到待分析区域的电导率数值分布；

根据所述电导率数值分布确定所述待分析区域中井下电性异常体的空间位置、空间展布信息和边界特征信息，并提取所述井下电性异常体的几何结构参数和位置参数；

根据所述井下电性异常体的几何结构参数和位置参数确定所述支撑剂的体积。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述体积监测装置配置为根据如下步骤确定所述待分析区域的电导率数值分布：

根据所述差值信号构建残差向量；

基于预设反演目标函数，根据所述残差向量进行反演，得到所述待分析区域的电导率数值分布。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述预设反演目标函数包括：

F＝(△d-J△m)^T(△d-J△m)+λ△m^T

其中，F表示预设反演目标函数，△d表示残差向量，J表示雅克比矩阵或灵敏度矩阵，△m表示模型修正值向量，λ表示阻尼因子。

7.如权利要求5或6所述的系统，其特征在于，所述残差向量包括磁场三分量的差值数据和/或电场二分量的差值数据。

8.一种地下压裂体积监测方法，其特征在于，所述方法基于如权利要求1～7中任一项所述的系统进行地下压裂体积的监测。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、在压裂前，利用设置在待分析区域的第一邻井中的电磁发射机向所述待分析区域发射预设激励信号，并利用设置在所述待分析区域的第二邻井中的电磁接收机接收所述预设激励信号的响应信号，得到压裂前响应信号；

步骤二、向所述待分析区域注入支撑剂进行压裂，在压裂完成后，利用所述电磁发射机所述待分析区域发射预设激励信号，并利用所述电磁接收机接收所述预设激励信号的响应信号，得到压裂后响应信号；

步骤三、利用体积监测装置根据所述压裂前响应信号和压裂后响应信号确定注入到待分析地层中的支撑剂的体积，并根据所述支撑剂的体积确定压裂体积。

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