CN111948720B - 一种地下导体天线效应压裂监测方法 - Google Patents

一种地下导体天线效应压裂监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地下导体天线效应压裂监测方法，包括以下步骤：S1、布置地下导体天线效应压裂监测装置：包括发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点、至少一台接收机；S2、使所述地下导体天线效应压裂监测装置正常工作，电磁监测设备接收测点反馈的电磁响应信号，并发送给处理装置；S3、所述处理装置根据所述电磁响应信号，计算测点所处位置的电位差，同时记录压裂前和压裂过程中测点的电磁响应信号，再通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，进而获取压裂液波及空间展布及改造体积。本发明实现直观描述裂缝生长过程、压裂液波及范围。

Description

一种地下导体天线效应压裂监测方法
技术领域
本发明涉及油气压裂电磁监测技术领域，尤其涉及一种地下导体天线效应压裂监测方法。
背景技术
油气藏监测主要是对剩余油气和油气藏储集层物性监测，是研究和认识油气藏流体分布、性质、运动状态的主要手段。通过油气藏监测，及时、直接地得到相关的储集层参数，并将其应用于储集层剩余油气评价及剩余储量空间分布的研究，是分析油气藏开发效果、制定油气田开发方案的依据。开发过程中，随着采出程度的增加，温度、压力等的变化，引起储集层岩石孔隙度、渗透率、流体饱和度的变化。通过油气藏监测可以动态地了解这些储集层参数的变化，为提高采收率提供可靠的依据。常规四维地震、井间地震成像、储集层物性动态变化空间分布规律研究技术等已用于剩余油气勘探和油气藏动态监测。但这些方法技术不仅成本昂贵，而且应用成功的例子也不多。
近年来，油气藏开发和动态监测的电磁勘探新方法成为研究的热点，随着电磁勘探方法研究的深入，电磁法仪器与信号采集技术以及计算机技术的飞速发展，使电磁勘探的分辨率不断提高，其应用于油藏开发阶段的油气藏动态监测也成为可能，但采用何种观测方式进行动态监测，如何在强干扰区获取高品质的电磁勘探数据，如何从中提取与剩余油气相关的参数，如何进行四维电磁资料的处理与解释等问题是目前尚未完全解决的问题。油气藏经过长期注水与开采后，储层中表现出极强的非均匀性(在电性与极化特性方面也是如此)，尤其在孔渗较好的“优势通道”中，回注的污水饱和度较大，电阻率相对较低，而岩性致密层段及剩余油气饱和度大的层段，电阻率相对较高。通过在地下地层中加注高矿化度的导电流体，进一步扩大高、低阻分布区电阻率的差异，给电磁方法用于油气藏动态监测提供了地球物理基础。但仍不能直观描述储层改造过程中裂缝生长过程、压裂液波及范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本发明提供一种地下导体天线效应压裂监测方法,用以解决现有技术不能直观描述储层改造过程中裂缝生长过程、压裂液波及范围。
(二)技术方案
基于上述的技术问题，本发明提供一种地下导体天线效应压裂监测方法，包括以下步骤：
S1、布置地下导体天线效应压裂监测装置：包括发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点和至少一台接收机，所述发送机分别连接供电电极A和供电电极B，所述供电电极A位于压裂井的井口，所述供电电极B远离所述压裂井和地面上的监测区域，所述测量电极位于所述监测区域或压裂井的井口，所述接收机包括相连的电磁监测设备和处理装置，所述电磁监测设备连接所述测量电极；
S2、使所述地下导体天线效应压裂监测装置正常工作：所述发送机将电流信号发送给所述两个供电电极A和B，所述两个供电电极A和B将所述电流信号通过井筒发送至地下，所述电磁监测设备接收所述测点反馈的电磁响应信号，并发送给所述处理装置；
S3、所述处理装置根据所述电磁响应信号，通过时间差分计算测点所处位置的绝对异常，定性分析压裂电磁异常特征；同时记录压裂前和压裂过程中测点的电磁响应信号，再通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，进而获取压裂液波及空间展布及改造体积。
进一步的，步骤S3中所述通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，进而获取压裂液波及空间展布及改造体积的方法包括：
S31、根据已知钻井、测井数据建立三维背景模型；
S32、在所述三维背景模型中建立压裂异常体模型，设置观测装置；
S33、对所述三维背景模型和压裂异常体模型进行网格剖分，计算压裂前、后所述测点的电位差的模型理论值；
S34、将所述模型理论值与实测的所述电磁响应信号进行对比，若满足误差条件，则输出有效模型的几何参数，进入步骤S35，否则修改所述压裂异常体模型的参数，重复步骤S32、S33；
S35、根据压裂过程中不同时刻的所述有效模型的几何参数实现压裂液三维动态展示，达到实时监测效果。
进一步的，步骤S31所述的三维背景模型中，压裂前的等效电阻
Figure BDA0002585735010000031
步骤S32所述压裂异常体模型中，压裂后的等效电阻
Figure BDA0002585735010000041
其中，Rw为井筒电阻，Rb为背景电阻，Rl为压裂后填充井筒压裂液的电阻，Ra为压裂异常体电阻，f表示各单元电阻之间的函数关系，即串联与并联的综合效应。
进一步的，步骤S33包括将所述三维背景模型网格剖分成n个网格单元，将所述压裂异常体模型网格剖分成m个网格单元，所述网格单元为规则的多面体；进行所述网格剖分后的等效电阻为：
压裂前的等效电阻
Figure BDA0002585735010000042
压裂后的等效电阻
Figure BDA0002585735010000043
其中，
Figure BDA0002585735010000044
为第n个背景单元电阻，
Figure BDA0002585735010000045
为第m个压裂异常体单元电阻。
进一步的，步骤S33中所述压裂前、后所述测点的电位差的模型理论值分别为：
Figure BDA0002585735010000046
其中，
Figure BDA0002585735010000047
为等效电流。
进一步的，所述测点为测量电极M和测量电极N所处位置，所述测量电极M位于压裂井的井口，所述测量电极N位于所述监测区域的测点处。
进一步的，当所述压裂井为直井时，所述监测区域为以井筒为中心的多条环形测线布设的区域；当所述压裂井为水平井时，所述监测区域为与待监测水平段的地面投影处及周边布设测网区域。
进一步的，步骤S1中所述地下导体天线效应压裂监测装置还包括发送电源和测点装置，所述发送电源连接所述发送机，所述发送电源为发电机，所述测点装置用于测量所述测点的位置。
进一步的，所述发送机为具有中央处理器的单频或2n序列伪随机多频的电流发送机，所述电流发送机生成的电流频率的高低和个数通过所述中央处理器事先设定及进行人工调节。
进一步的，所述电磁监测设备为具有中央处理器的单频或多频电位差测量装置，所述电磁监测设备的中央处理器控制所述单频或多频电位差测量装置的工作频率与所述发送机的电流频率对应。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
(1)本发明在压裂井周围或地面上的监测区域布设测点，通过井筒向大地供电，测量电位差，监测动用层前后引起的地面电位变化，进而反应压裂液波及范围，描述人工缝网的空间形态、发育特征并评价压裂改造效果，为开采井井位部署提供依据；再通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，建立三维背景模型和压裂异常体模型，进而获取压裂过程中不同时刻的压裂液波及空间展布及改造体积的三维动态展示，从而能直观描述储层改造过程中裂缝生长过程、压裂液波及范围；
(2)本发明所述方法在网格剖分过程中可以对不同结构有所区别，对压裂层尤其是压裂异常体进行精细剖分，网格剖分越精细，计算精度越高，针对不同结构采用不同的剖分精细度，大大提高了计算精度，同时减少计算量；
(3)本发明由于只需测量两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差，简单易行，可以在整个监测区域进行测量，扩展了监测范围，且由于可以在全监测区域测量，降低了能量信息的浪费，极大提高了监测效率；
(4)由于本发明中的电磁响应信号为实际布置的两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差，并不要求与预设的测量电极的位置严格一致，大大降低了野外实际测量时的施工难度，观测精度只与一个观测量有关，计算精度高，提高数据采集过程的工作效率和所采数据的准确性，施工简单，具有重要的实用价值。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明一种地下导体天线效应压裂监测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的一种地下导体天线效应压裂监测装置的垂直井结构示意图；
图3为本发明实施例的一种地下导体天线效应压裂监测装置的水平井结构示意图；
图4为本发明三维数值模拟异常范围流程示意图；
图5为本发明垂直井三维数值模拟压裂异常图；
图6为本发明水平井三维数值模拟压裂异常图；
图7为本发明水平井横断面网格剖分及等效电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种地下导体天线效应压裂监测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、布置地下导体天线效应压裂监测装置：所述地下导体天线效应压裂监测装置如图2和图3所示，包括发送电源、发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点、至少一台接收机和测点装置；所述发送电源连接所述发送机，所述发送机分别连接供电电极A和供电电极B，取测量电极M和测量电极N所处位置为测点，测量电极M位于压裂井的井口，为共用的测量参考点，测量电极N位于监测区域的测点处，所述测量电极M和测量电极N连接所述接收机；
所述供电电极A位于压裂井的井口，对于图2的垂直井压裂监测装置，供电电极B相对于供电电极A的方位不做限定，监测区域为以井筒为中心的多条环形测线布设的区域；对于图3的水平井压裂监测装置，两个供电电极A、B的连线与水平井方向之间的夹角一般超过90°，监测区域为与待监测水平段的地面投影处及周边布设测网的区域；所述供电电极A和所述供电电极B之间的距离根据勘察需要确定，一般大于1km，供电电极B需远离所述监测区域。所述发送电源、发送机、供电电极A和B可布置在与监测区域相隔一定距离的位置上。
所述发送电源为发电机，用于为所述电流发送机输送电能，且提供不超过36V的安全电压。
所述发送机为具有中央处理器的单频或2n序列伪随机多频的电流发送机，用于将所述发送电源产生的电能转换成单频或2n序列伪随机多频电流信号，并将所述单频或2n序列伪随机多频电流信号发送给所述两个供电电极，可一次发送包含一个或多个频率的电流，由于所述电流发送机具有中央处理器，所述电流发送机生成的频率的高低和个数可通过中央处理器事先设定及进行人工调节，具体产生的电压、电流大小及频率均可根据现场测试信号需要人工调节和选择。
所述两个供电电极，用于将所述单频或2n序列伪随机多频电流信号通过井筒发送至地下。
所述接收机为相连的具有中央处理器的单频或多频电位差测量的电磁监测设备和处理装置，所述电磁监测设备与所述测量电极相连，所述电磁监测设备用于接收压裂监测区域地面上的测量电极M和N根据所述单频或2n序列伪随机多频电流信号反馈的一个或多个频率的电磁响应信号，所述电磁响应信号为实际布置的两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差，两个测量电极M和N的连线与供电电极A、B的连线以及测线方向之间的夹角都不做特殊的严格要求，所述电磁监测设备的中央处理器控制所述单频或多频电位差测量装置的工作频率与所述电流发送机的电流频率即工作频率对应。
所述处理装置用于根据所述一个或多个频率的电磁响应信号，通过时间差分计算测点所处位置的绝对异常，定性分析压裂电磁异常特征；同时记录压裂前和压裂过程中测点的电磁响应信号，通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，进而获取压裂液波及空间展布及改造体积。
所述测点装置用于测量所述记录点处的测量电极的位置，图2、图3中的两个测点即两个测量电极M与N处即为记录点。
S2、使所述地下导体天线效应压裂监测装置正常工作：所述发送电源为所述电流发送机输送电能，所述电流发送机将所述电能转换成电流信号，并发送给所述两个供电电极，所述两个供电电极将所述电流信号通过井筒发送至地下，至少一台所述电磁监测设备接收压裂监测区域地面上所述测点根据所述电流信号反馈的一个或多个频率的电磁响应信号，并发送给所述处理装置；
S3、所述处理装置根据所述电磁响应信号，通过时间差分计算测点所处位置的绝对异常，定性分析压裂电磁异常特征；所述绝对异常表示测点的压裂前后的两个时间点的电位差进行差分计算后的值；同时记录压裂前和压裂过程中测点的电磁响应信号，再通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，进而获取压裂液波及空间展布及改造体积。具体方法如图4所示的三维数值模拟异常范围流程示意图。包括：
S31、根据已知钻井、测井数据建立三维背景模型；
S32、在所述三维背景模型中建立压裂异常体模型，设置观测装置；
如图5、图6所示分别为垂直井与水平井三维数值模拟压裂异常图。具体计算过程包括：
图中压裂异常体模型主要包括压裂井、压裂异常体、测点，电磁响应信号为两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差，而压裂前、后的两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差U可以根据欧姆定律获得，即
Figure BDA0002585735010000091
其中，
Figure BDA0002585735010000092
为等效电阻，Ω；
Figure BDA0002585735010000093
为等效电流，A，通过基本电路原理和供电电流计算得到；
压裂前的等效电阻
Figure BDA0002585735010000101
受三维背景模型及井筒影响，即：
Figure BDA0002585735010000102
压裂后的等效电阻
Figure BDA0002585735010000103
主要受三维背景模型、井筒、填充井筒的压裂液、压裂异常体影响，即：
Figure BDA0002585735010000104
这里，Rw为井筒电阻，Rb为背景电阻，Rl为压裂后填充井筒压裂液的电阻，Ra为压裂异常体电阻；
S33、对所述三维背景模型和压裂异常体模型进行网格剖分，计算压裂前、后测点电位差的模型理论值；
将三维背景模型网格剖分成n个网格单元，则式(2)可改写为：
Figure BDA0002585735010000105
将压裂异常体模型网格剖分成m个网格单元，则式(3)可改写为：
Figure BDA0002585735010000106
式中，
Figure BDA0002585735010000107
表示第n个背景单元电阻，
Figure BDA0002585735010000108
表示第m个压裂异常体单元电阻，f表示各单元电阻之间的函数关系，即串联与并联的综合效应，一般网格单元为规则的多面体，本实施例为六面体，便于计算，且网格越小，计算精度越高。
压裂过程中，可以认为电阻改变只是针对压裂层位，在网格剖分过程中可以有所区别，对压裂层尤其是压裂异常体进行精细剖分，这样大大提高计算精度，同时减少计算量。
在本实施例中对等效电阻加以具体说明，图7为本发明水平井的横断面网格剖分及等效电路示意图，该模型为水平井的横断面，背景为水平层状模型，对于压裂层和压裂异常体剖分更加精细，比如一个背景模型的网格单元可以再剖分为8个压裂层的网格单元，一个压裂层的网格单元可以再剖分为8个压裂异常体的网格单元。等效电阻考虑了压裂层(R1、R2、R3、R4)，压裂异常体(R5)，井筒(R6)及背景模型(R7)，可得等效电阻：
Figure BDA0002585735010000111
根据欧姆定律计算压裂前、后两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差的模型理论值分别为:
Figure BDA0002585735010000112
S34、将所述模型理论值与实测的所述电磁响应信号进行对比，包括压裂前的理论值与实测值的对比和压裂后的理论值与实测值的对比，若满足误差条件，则输出有效模型的几何参数，进入步骤S35，否则修改修改所述压裂异常体模型的参数，重复步骤S32、S33；
通过重复步骤S32、S33获取更多的压裂异常模型，直到模型理论值与实测值误差满足要求，即可获得压裂中液体波及范围，即有效模型几何参数。
S35、根据压裂过程中不同时刻的所述有效模型的几何参数实现压裂液三维动态展示，达到实时监测效果。
综上可知，通过上述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，具有以下优点：
(1)本发明在压裂井周围或地面上的监测区域布设测点，通过井筒向大地供电，测量电位差，监测动用层前后引起的地面电位变化，进而反应压裂液波及范围，描述人工缝网的空间形态、发育特征并评价压裂改造效果，为开采井井位部署提供依据；再通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，建立三维背景模型和压裂异常体模型，进而获取压裂过程中不同时刻的压裂液波及空间展布及改造体积的三维动态展示，从而能直观描述储层改造过程中裂缝生长过程、压裂液波及范围；
(2)本发明所述方法在网格剖分过程中可以对不同结构有所区别，对压裂层尤其是压裂异常体进行精细剖分，网格剖分越精细，计算精度越高，针对不同结构采用不同的剖分精细度，大大提高了计算精度，同时减少计算量；
(3)本发明由于只需测量两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差，简单易行，可以在整个监测区域进行测量，扩展了监测范围，且由于可以在全监测区域测量，降低了能量信息的浪费，极大提高了监测效率；
(4)由于本发明中的电磁响应信号为实际布置的两个测点即两个测量电极M与N之间的电位差，并不要求与预设的测量电极的位置严格一致，大大降低了野外实际测量时的施工难度，观测精度只与一个观测量有关，计算精度高，提高数据采集过程的工作效率和所采数据的准确性，施工简单，具有重要的实用价值。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、布置地下导体天线效应压裂监测装置：包括发送机、两个供电电极A和B、设有测量电极的测点和至少一台接收机，所述发送机分别连接供电电极A和供电电极B，所述供电电极A位于压裂井的井口，所述供电电极B远离所述压裂井和地面上的监测区域，所述测量电极位于所述监测区域或压裂井的井口，所述接收机包括相连的电磁监测设备和处理装置，所述电磁监测设备连接所述测量电极；
S2、使所述地下导体天线效应压裂监测装置正常工作：所述发送机将电流信号发送给所述两个供电电极A和B，所述两个供电电极A和B将所述电流信号通过井筒发送至地下，所述电磁监测设备接收所述测点反馈的电磁响应信号，并发送给所述处理装置；
S3、所述处理装置根据所述电磁响应信号，通过时间差分计算测点所处位置的绝对异常，定性分析压裂电磁异常特征即电位差；同时记录压裂前和压裂过程中测点的电磁响应信号，再通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，进而获取压裂液波及空间展布及改造体积的三维动态展示。
2.根据权利要求1所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，步骤S3中所述通过三维数值模拟，匹配压裂液空间展布模型，进而获取压裂液波及空间展布及改造体积的方法包括：
S31、根据已知钻井、测井数据建立三维背景模型；
S32、在所述三维背景模型中建立压裂异常体模型，设置观测装置；
S33、对所述三维背景模型和压裂异常体模型进行网格剖分，计算压裂前、后所述测点的电位差的模型理论值；
S34、将所述模型理论值与实测的所述电磁响应信号进行对比，若满足误差条件，则输出有效模型的几何参数，进入步骤S35，否则修改所述压裂异常体模型的参数，重复步骤S32、S33；
S35、根据压裂过程中不同时刻的所述有效模型的几何参数实现压裂液三维动态展示，达到实时监测效果。
3.根据权利要求2所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，步骤S31所述的三维背景模型中，压裂前的等效电阻
Figure FDA0003201587310000021
Figure FDA0003201587310000022
步骤S32所述压裂异常体模型中，压裂后的等效电阻
Figure FDA0003201587310000023
Figure FDA0003201587310000024
其中，Rw为井筒电阻，Rb为背景电阻，Rl为压裂后填充井筒压裂液的电阻，Ra为压裂异常体电阻，f表示各单元电阻之间的函数关系，即串联与并联的综合效应。
4.根据权利要求2所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，步骤S33包括将所述三维背景模型网格剖分成n个网格单元，将所述压裂异常体模型网格剖分成m个网格单元，所述网格单元为规则的多面体；进行所述网格剖分后的等效电阻为：
压裂前的等效电阻
Figure FDA0003201587310000025
压裂后的等效电阻
Figure FDA0003201587310000026
其中，
Figure FDA0003201587310000027
为第n个背景单元电阻，
Figure FDA0003201587310000028
为第m个压裂异常体单元电阻。
5.根据权利要求2所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，步骤S33中所述压裂前、后所述测点的电位差的模型理论值分别为：
Figure FDA0003201587310000031
其中，
Figure FDA0003201587310000032
为等效电流。
6.根据权利要求1所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，所述测点为测量电极M和测量电极N所处位置，所述测量电极M位于压裂井的井口，所述测量电极N位于所述监测区域的测点处。
7.根据权利要求1或6所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，当所述压裂井为直井时，所述监测区域为以井筒为中心的多条环形测线布设的区域；当所述压裂井为水平井时，所述监测区域为待监测水平段的地面投影处及周边布设测网的区域。
8.根据权利要求1所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，步骤S1中所述地下导体天线效应压裂监测装置还包括发送电源和测点装置，所述发送电源连接所述发送机，所述发送电源为发电机，所述测点装置用于测量所述测点的位置。
9.根据权利要求1所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，所述发送机为具有中央处理器的单频或2n序列伪随机多频的电流发送机，所述电流发送机生成的电流频率的高低和个数通过所述中央处理器事先设定及进行人工调节。
10.根据权利要求1所述的一种地下导体天线效应压裂监测方法，其特征在于，所述电磁监测设备为具有中央处理器的单频或多频电位差测量装置，所述电磁监测设备的中央处理器控制所述单频或多频电位差测量装置的工作频率与所述发送机的电流频率对应。
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