专利名称：液压致裂的地层裂缝监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过计算机采集与分析地层压裂的声发射信号，对液压裂缝的方位与形态进行监测的方法与装置。
通过液压致裂形成地层裂缝并准确掌握裂缝的方位与形态，对于了解地层应力分布以及制定油田和一些深地层矿产资源的合理开发方案具有十分重要的意义。现有对地层液压裂缝的监测主要是通过计算机对压裂的声发射信号进行检测处理与分析来实现的。然而，现有对压裂声发射信号的检测都是通过设置在井下的传感器进行的(参阅Kennth D.Mahrer"Microseismic LoggingANew Hydraulic Fracture Diagnostic Method，"SPEFE(March 1993 41-49)。由于要克服井下高温，高压等恶劣环境的影响以及对井下检测装置实施深层操纵的困难，现有对液压致裂地层裂缝进行的监测，需要采用十分复杂的技术和非常昂贵的费用，而操作效率很低，监测结果又缺乏充分的可靠性。
本发明的目的是为克服现有技术的上述缺陷，在对液压致裂地层裂缝的监测中采用更加简便可靠的压裂声发射信号检测方法。
实现本发明目的所采取的技术措施为，本发明液压致裂地层裂缝的监测方法包含下列步骤(1)、向监测地层钻建一口压裂井孔;
(2)、在上述压裂井孔周围钻建至少三口其深度与该压裂井孔深度相当的套管监测井孔;
(3)、在每口上述监测井孔套管的地面端耦合固定一个声波检测器;
(4)、在压裂井孔中进行压裂作业;
(5)、由设于各口监测井孔的声波检测器采集经各自套管传输至地面的各路地层压裂声发射信号传送至多通道信号接收时差计;
(6)、由上述多通道信号接收时差计对经采集输入的各路地层压裂声发射信号进行信号接收时差检测;
(7)、由多通道信号接收时差计输出的信号接收时差脉冲经接口电路输入计算机;
(8)、根据上述信号接收时差以及声波在岩层中的传播速度与各口监测井孔的平面坐标等等，由计算机计算每一压裂点的平面坐标;
(9)、根据求得的压裂点平面坐标，由计算机对压裂点分布数据进行存录、显示和(或)绘印。
本发明液压致裂地层裂缝的监测装置包括至少三套由声波检测器与前置放大器组成的信号接收器、至少三条现场与室内之间的信号传输通道、一台多通道信号接收时差计、计算机接口电路、一台根据监测现场位置的平面坐标与岩层中声波传播速度以及输入压裂信号时差计算压裂点位置平面坐标的计算机以及与之相连的显示和绘印等输出设备，均为至少三个的声波检测器、前置放大器以及信号传输通道分别依次连结成至少三条压裂信号采集通道，与多通道信号接收时差计的多个输入连结，多通道信号接收时差计的输出经接口电路输往计算机，再经接口电路连接显示和绘印等输出设备。
本发明在压裂井周围设置至少有三口套管探测井孔，探测井孔的套管插埋深度均达到压裂的地层，实验表明，压裂声波沿套管的传播速度远快于它在地层中的传播速度，而压裂声波经套管传播的能量衰减又远比在地层中传播的衰减小得多，因而可以认为，本发明经声波检测器从至少三口探测井孔套管地面端接收到的每次地层压裂的各个声波信号之间的时差就是压裂声波由裂点传至每根套管最近点之间的时差，压裂点与各套管的最近点可以视为在一平面内，地层中的声速是已知常数，测得了传播时差就可以得到传播距离差，根据探测井孔套管的的平面坐标就可以很方便地求得地层中压裂点的平面坐标。压裂点在平面上呈线状延伸时裂缝垂直于压裂层，压裂点在平面上呈面状铺伸时裂缝平行于压裂层。经计算机连续监测压裂地层中压裂点的坐标及其延伸趋向便可测定裂缝的平面方位与形态。而这种裂缝方位与形态的准确测定又是在避开采用现有技术在井下设置声波检测器的情况下进行的。它无论是在经济效益与工作效率还是在监测的可靠性方面均具有显著的积极交果。
下面结合附图与实施例对本发明液压致裂的地层裂缝监测系统作更详细的阐述。
图1为本发明液压致裂的地层裂缝监测系统一项实施例的监测示意图。
图2为本发明一项实施例的监测装置结构框图。
图3为本发明一项实施例采用信号无线传输的示意图。
图4为本发明一项实施例中“信号接收时差计”的结构框图。
图5为本发明一项实施例中监测的压裂点平面分布示例;其中图(A)为平面铺伸分布，图(B)为线状延展分布。
本发明一项实施例的监测系统示意于图1。该实施例在压裂井(P)的周围设置三口套管监测井(a、b、c)，三口监测井的井下套管未端处于同一压裂层(1)内，当由压裂井(P)向压裂层(1)加压注水并形成裂缝(2)时，伴随裂缝的延伸产生压裂声波(3)向四周传播，通过露出地面(4)的套管顶端处设置的声波检测器(Sa、Sb、Sc)接收到的最强压裂声波信号是由压裂点(5)沿着垂直于套管的路径传播到达套管后通过套管传至地面的压裂声发射信号，三口监测井套管顶端声波检沿器之间接收同一压裂声波的时差是由压裂点(5)与三口监测井套管之间的垂直距离差引起的，垂直距离差应该是时差△t与地层中声速v的乘积，即v△t。若取监测井a的位置为平面坐标的原点，即坐标为(O，O)，则监测井b和c的座标均可知，分别为(xb、yb)和(xc、yc)。对于同一压裂声波，若在井b接收的时间较在井a晚△t1秒，在井c接收的时间较在井a晚△t2秒，则可列出如下联立方程解出压裂点(5)的平面坐标(x、y))(x-xb)2+(y-yb)2＝( +v△t1)2…(1)(x-xc)2+(y-yc)2＝( +v△t2)2…(2)图2示出本发明监测系统一项实施例的监测装置结构框图。全部监测装置由“信号接收器”、“信号传输器”、“信号接收时差计”、“接口电路(I/O)”、“微处理机”以及“输出设备”等部分组成。“信号接收器”包括三个由声波检测器与前置放大器分别配接的组合件。“信号传输器”可以采用信号传输屏蔽电缆作有线传输，也可用图3示例的自监测井现场的“信号接收器”接入“调频信号发射机”通过发射天线(31)向空间发射，再在监测室设置接收天线(32)与“调频信号接收机”实现无线传输，监测室与监测井现场相距较远者采用无线传输的方式更为方便。
图4示出本发明一项实施例中“信号接收时差计”的结构框图。从监测现场多路传输的压裂声发射信号(41)输入“信号接收时差计”，分别经带通滤波器消除信号频率范围以外的噪声后输往主放大器放大，再经门槛电路消除背景噪声，留下波峰信号(42)，最后以串行的时差脉冲(43)输出，两个脉冲(波峰信号)之间的间隔表示两处信号接收的时差。
在微处理机的“只读存贮器(ROM)”中预存各监测井的平面坐标，岩层中的声速以及解联立方程(1)和(2)的程序等等，当时差脉冲由“信号接收时差计”输出经“接口电路”输入微处理机时，随即由中央处理器(CPU)求出压裂点的平面坐标X和y并存录、输出显示和(或)打印。
图5示出本发明一项实施例中监测的压裂点平面分布图，其中图(A)压裂点呈平面扩展，表明裂缝与地层平行，图(B)压裂点呈线装扩展，裂缝垂直于地层。
权利要求
1.一种通过计算机采集与分析地层压裂的声发射信号对液压裂缝的方位与形态进行监测的方法，其特征在于所述监测方法包含以下步骤(1)、向所述地层钻建一口压裂井孔；(2)、在所述压裂井孔周围钻建至少三口其深度与所述压裂井孔深度相当的套管监测井孔；(3)、在每口所述监测井孔的套管地面端耦合固定一个声波检测器；(4)、在所述压裂井孔中进行压裂作业；(5)、由所述设于各个监测井孔的声波检测器采集经各自套管传输至地面的各路地层压裂声发射信号传送至一个多通道信号接收时差计；(6)、由所述多通道信号接收时差计对经采集输入的各路地层压裂声发射信号进行信号接收时差检测；(7)、由所述多通道信号接收时差计输出信号接收时差脉冲经接口电路输入计算机；(8)、根据所述信号接收时差以及声波在岩层中的传播速度与所述各口监测井孔的平面坐标等等，由计算机计算每一压裂点的平面坐标；(9)、根据求得的所述压裂点的平面坐标，由计算机对压裂点分布数据进行存录、显示和(或)绘印。
2.按照权利要求1所述的监测方法，其特征为，所述步骤(5)中由声波检测器采集地层压裂声发射信号传送至信号接收时差计，其中所述传送过程是将采集的信号经现场设置的前置放大器放大后通过传输线输往室内设置的信号接收时差计。
3.按照权利要求1所述的监测方法，其特征为，所述步骤(5)中由声波检测器采集地层压裂声发射信号传送至信号接收时差计，其中所述传送过程是将采集的信号经现场设置的前置放大器放大再经调频发射机与发射天线发射通过无线传输由室内设置的接收天线与调频接收机接收后输入信号接收时差计。
4.按照权利要求1所述的监测方法，其特征为，所述步骤(6)包括a)采集输入的各路信号分别通过带通滤波器滤波，消除信号频率范围以外的噪声;b)分别经主放大器放大;c)分别经门槛电路消除背景噪声，留下波峰信号;d)串行输出时差脉冲。
5.一种对液压致裂地层裂缝进行监测的装置，其特征为，它包括至少三套由声波检测器与前置放大器组成的信号接收器、至少三条现场与室内之间的信号传输通道、一台多通道信号接收时差计、计算机接口电路、一台根据监测现场位置的平面坐标与岩层中声波传播速度以及输入压裂信号时差计算压裂点位置平面坐标的计算机以及与之相连的显示和绘印等输出设备，所述至少三套信号接收器与至少三条信号传输通道分别连结成至少三条压裂信号采集通道，与所述多通道信号接收时差计的多个输入连结，所述多通道信号接收时差计的输出经所述接口电路输往所述计算机，再经所述接口电路连接所述显示和绘印等输出设备。
6.按照权利要求5所述监测装置，其特征为，所述信号传输通道就是屏蔽电缆。
7.按照权利要求5所述监测装置，其特征为，所述信号传输通道包括在现场设置的调频发射机和它的发射天线以及在室内设置的调频接收机和它的接收天线。
8.按照权利要求5所述监测装置，其特征为，所述多通道信号接收时差计是由至少三套带通滤波器、主放大器与门槛电路的多路连结组成的，并以各个带通滤波器的输入作为所述信号接收时差计的多通道输入，以各门槛电路的共同输出作为所述多通道信号接收时差计的输出。
全文摘要
本发明公开了一种对液压致裂地层裂缝的方位与形态进行监测的方法与装置。它在液压井孔周围设置的至少三口监测井孔的套管地面端分别装设声波检测器采集地层压裂时的声发射信号，经信号处理得到各路信号接收时差后由计算机判定压裂点的平面坐标并绘制分布图，显示出地层裂缝的方位与形态。本发明具有节省费用、提高效率、数据可靠等诸多优点。
文档编号G01V1/40GK1098505SQ94105769
公开日1995年2月8日 申请日期1994年5月25日 优先权日1994年5月25日
发明者张景和, 方俊, 李素贤 申请人:石油勘探开发科学研究院采油工程研究所