一种油气压裂监测电学模型建立方法及应用方法与流程

1.本发明属于油气压裂监测领域，具体涉及一种油气压裂监测电学模型建立方法及应用方法。


背景技术：

2.压裂裂缝监测技术是指通过一定的仪器装备和技术手段对煤层气、石油、页岩气等压裂全过程进行实时监测和测试评价，通过数据处理，得到裂缝的方向、长、宽、高、导流能力、压裂液的滤失系数、预测产量、计算压裂效益等，从而评价压裂效果。
3.由于压裂过程中要注入大量水或压裂液，压裂过程中，压裂液会沿着微裂流动并不断扩展裂隙。当压裂液存在于裂缝中时，表现为低电阻率和高极化率，这便于用电磁探测方法进行监测，根据采集器提取的电压信号，经过分析解释后可以描述压裂层位的缝长、逢高、缝宽等参数。但是，传统的解析过程较为复杂，主要是利用大量的数据进行推导和验证经验公式，此过程需要耗费大量的人力资源，且推导的经验公式适用性较差，在面临不同的地质环境时，都需要重新进行推导，需要花费大量时间进行重复性工作。因此，急需一种更为直观的描述压裂过程方式来减少重复性工作。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种油气压裂监测电学模型建立方法，所述油气压裂监测电学模型建立方法解决了传统的解析电压信号的过程复杂，人力资源消耗大，不能直观描述压裂过程中裂缝的波及过程和波及范围的问题。
5.本发明实施例还提出了一种油气压裂监测电学模型的应用方法。
6.根据本发明第一方面实施例的油气压裂监测电学模型建立方法，包括以下步骤：
7.将压裂液波及体等效为第一等效电阻和第一等效电容串联构成的第一微型电阻电容模型；
8.将所述压裂液波及体的上表面和地面之间的地层等效为第二微型电阻电容模型，所述第二微型电阻电容模型包括串联的第二等效电阻和第二等效电容，以及与所述第二等效电阻并联的第三等效电容；
9.将所述第一微型电阻电容模型和所述第二微型电阻电容模型串联构成压裂监测电学模型；
10.基于所述压裂监测电学模型对监测点采集的电位差数据进行解析，以得到所述监测点检测所在位置对应的裂缝的形态数据；所述监测点布置在所述裂缝上方的地面上，用于在发射系统向井筒发送测试交流电信号时，采集所述井筒与所述监测点之间的所述电位差数据。
11.根据本发明实施例的油气压裂监测电学模型建立方法，至少具有如下技术效果：发射系统向井筒发送测试交流电信号后，第一微型电阻电容模型中的第一等效电阻和第一
等效电容的值会随着压裂液波及体的体积的变化而发生变化；第二微型电阻电容模型则用于描述压裂液波及体的上表面和地面之间的电位差数据，作为静态背景；通过第一微型电阻电容模型相对于第二微型电阻电容模型的变化，可以得到监测点检测所在位置对应的裂缝的形态数据，解决了传统的解析电压信号的过程复杂，人力资源消耗大，不能直观描述压裂过程中裂缝的波及过程和波及范围的问题。
12.根据本发明的一些实施例，所述第一等效电容，由以下步骤得到：
13.将所述压裂液波及体的上表面等效为所述第一等效电容的上极板；
14.将所述压裂液波及体的下表面等效为所述第一等效电容的下极板。
15.根据本发明的一些实施例，所述第二等效电容，由以下步骤得到：
16.将所述压裂液波及体的上表面等效为所述第二等效电容的下极板；
17.将所述地面等效为所述第二等效电容的上极板。
18.根据本发明第二方面实施例的油气压裂监测电学模型的应用方法，基于上述第一方面实施例中的油气压裂监测电学模型，应用方法，包括以下步骤：
19.在地面上设置多个监测点，并将多个所述监测点皆接入接收系统；
20.向井筒中注入压裂液以形成所述压裂液波及体，并启动发射系统，所述发射系统用于向所述压裂液波及体施加测试交流电信号；
21.通过接收系统接收所述井筒与所述地面之间的电位差数据；
22.根据所述压裂监测电学模型对所述电位差数据进行解析，以得到所述监测点检测所在位置对应的裂缝的形态数据。
23.根据本发明实施例的油气压裂监测电学模型的应用方法，至少具有如下技术效果：通过在地面上设置多个监测点，并将多个监测点皆接入接收系统，设置完成后就可以向井筒中注入压裂液以形成压裂液波及体，并启动发射系统向压裂液波及体施加测试交流电信号，同时通过接收系统接收井筒与地面之间的电位差数据，从而可以根据压裂监测电学模型对电位差数据进行解析，得到监测点检测所在位置对应的裂缝的形态数据，解决了传统的解析电压信号的过程复杂，人力资源消耗大，不能直观描述压裂过程中裂缝的波及过程和波及范围的问题。
24.根据本发明的一些实施例，所述井筒为水平井，多个所述监测点布设成台阵式结构。
25.根据本发明的一些实施例，所述井筒为垂直井，多个所述监测点布设成射线式结构。
26.根据本发明的一些实施例，所述监测点采用金属传感器。
27.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.本发明的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
29.图1是本发明实施例的压裂监测系统的布局示意图；
30.图2是本发明另一实施例的压裂监测系统的布局示意图；
31.图3是本发明实施例的压裂监测电学模型的示意图；
32.图4是本发明实施例的测试交流电信号的波形图；
33.图5是本发明实施例的监测点检测到的信号波形图；
34.图6是本发明实施例的油气压裂监测电学模型建立方法的流程图；
35.图7是本发明实施例的油气压裂监测电学模型应用方法的流程图。
36.附图标记：
37.井筒100；
38.发射系统200；
39.接收系统300。
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
42.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
43.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
44.为了更好的描述本发明实施例的油气压裂监测电学模型建立方法及应用方法，这里对本发明实施例的实际压裂监测系统进行一个简述。
45.如图1和图2所示，图1和图2分别为压裂监测系统的两种不同的布局示意图，发射系统200包括两个发射极a、b，发射极a与井筒100的井口连接，发射极b与无穷远连接(可以理解为接地)，发射极a向井口发射测试交流电信号之后，发射极a可以通过大地与发射极b构成回路，从而完成向井筒100中测试交流电信号的发送。接收系统300包括一个公共电极n和多个接收极，多个接收极皆用于接收多个监测点采集的电位差数据，多个监测点即图1和图2中所示的m1、m2、
……
、m2n等。接收系统300的公共电极n连接到井筒100的井口处，从而可以与多个监测点形成回路并保证各个监测点检测的电位差数据可以有同一个基准，在发射系统200向井筒100发射测试交流电后，每一个监测点都可以检测到电位差数据，之后便可以利用电位差数据完成对裂缝形态的分析。
46.下面参考图1至图7描述根据本发明第一方面实施例的油气压裂监测电学模型建立方法。
47.根据本发明实施例的油气压裂监测电学模型建立方法，包括以下步骤：
48.将压裂液波及体等效为第一等效电阻和第一等效电容串联构成的第一微型电阻
电容模型；
49.将压裂液波及体的上表面和地面之间的地层等效为第二微型电阻电容模型，第二微型电阻电容模型包括串联的第二等效电阻和第二等效电容，以及与第二等效电阻并联的第三等效电容；
50.将第一微型电阻电容模型和第二微型电阻电容模型串联构成压裂监测电学模型；
51.基于压裂监测电学模型对监测点采集的电位差数据进行解析，以得到监测点检测所在位置对应的裂缝的形态数据；监测点布置在裂缝上方的地面上，用于在发射系统200向井筒100发送测试交流电信号时，采集井筒100与监测点之间的电位差数据。
52.当进行压裂作业时，压裂液等带有电解质的溶液相对其周围岩石而言，电阻率很低，可以看成是理想导体，向这些电解质充电，并观测充电电场的分布，便可据此推断整个压裂液与其周围岩石的电性分布情况，从而解释压裂裂缝的波及过程和波及范围。如图3所示，第二微型电阻电容模型等效的是地层部分，理论上，在压裂过程中，第二等效电阻和第二等效电容的值本身不会发生变化，可视作静态背景(即作为一个较大的常数处理即可)；将压裂液波及体等效为第一等效电阻和第一等效电容串联构成的第一微型电阻电容模型，而压裂液波及体的上表面和下表面可以等效于第一等效电容的上极板和下极板，当向井筒100中注入压裂液后，随着压裂液波及体的体积的不断变化，等效于第一等效电容的上极板和下极板之间的距离及极板面积在不断变化，故第一等效电阻和第一等效电容的值也在发生变化，因此，基于压裂监测电学模型的基础，采集到的电位差数据也会发生相应的变化，而这种变化也是由于第一微型电阻电容模型的变化带来的。而不同监测点检测到的电位差数据不同，从而可以基于压裂监测电学模型对监测点采集的电位差数据进行解析，以得到监测点检测所在位置对应的裂缝的形态数据，形态数据可以具体为裂缝的高度和面积数据。
53.根据本发明实施例的油气压裂监测电学模型建立方法，发射系统200向井筒100发送测试交流电信号后，第一微型电阻电容模型中的第一等效电阻和第一等效电容的值会随着压裂液波及体的体积的变化而发生变化；第二微型电阻电容模型则用于描述压裂液波及体的上表面和地面之间的电位差数据，作为静态背景；通过第一微型电阻电容模型相对于第二微型电阻电容模型的变化，可以得到监测点检测所在位置对应的裂缝的高度和面积数据，解决了传统的解析电压信号的过程复杂，人力资源消耗大，不能直观描述压裂过程中裂缝的波及过程和波及范围的问题。
54.在本发明的一些实施例中，参考图3至图5，第一等效电容，由以下步骤得到：
55.将压裂液波及体的上表面等效为第一等效电容的上极板；
56.将压裂液波及体的下表面等效为第一等效电容的下极板。
57.压裂液波及体的上表面和下表面可以分别等效为第一等效电容的上极板和下极板，而压裂液波及体则等效为第一等效电容的导电介质，那么实际裂缝的高度h可以等效为第一等效电容的两极板之间的间距d，第一等效电容的物理公式为：
[0058][0059]
图5中弯曲波形与方波之间的面积可以视作特征参数uc，uc的计算公式为：
[0060][0061]
其中，r为第一等效电阻的阻值。令定义β为工程校正系数，则：
[0062][0063]
对于β可以通过模型测定得到，即对于不同的特征参数可以对应一组β值，进而可以在某一状态下将β作为常数来处理，而s则可以直接采用剖分法，可以将s作为单位面积来处理，从而可以建立特征参数和裂缝高度的相关关系，而特征参数是由监测点采集到的电位差数据(即图5中波形)得到，故可以通过等效为电阻电容模型的方式来模拟不同裂缝高度，即只需要调整c的值便可以模拟不同的裂缝高度。
[0064]
在本发明的一些实施例中，参考图3，第一等效电容，由以下步骤得到：
[0065]
将压裂液波及体的上表面等效为第二等效电容的下极板；
[0066]
将地面等效为第二等效电容的上极板。
[0067]
压裂液波及体的上表面和地面为两个等势面，可以分别等效为第二等效电容的下极板和上极板，而压裂液波及体的上表面和地面之间的地层则等效为第二等效电容的导电介质，第二微型电阻电容模型中的第二等效电阻的阻值远大于第一等效电阻，故实际是将第二微型电阻电容模型当做静态背景，通过第一微型电阻电容模型相对第二微型电阻电容模型的变化来解析裂缝的高度和面积数据。
[0068]
下面参考图1至图7描述根据本发明第二方面实施例的油气压裂监测电学模型的应用方法。
[0069]
根据本发明实施例的油气压裂监测电学模型的应用方法，包括以下步骤：
[0070]
在地面上设置多个监测点，并将多个监测点皆接入接收系统300；
[0071]
向井筒100中注入压裂液以形成压裂液波及体，并启动发射系统200，发射系统200用于向压裂液波及体施加测试交流电信号；
[0072]
通过接收系统300接收井筒100与地面之间的电位差数据；
[0073]
根据压裂监测电学模型对电位差数据进行解析，以得到监测点检测所在位置对应的裂缝的形态数据。
[0074]
随着压裂液的不断注入，不同的监测点对应的压裂液波及体的波及范围不同，因此，在地面上对应多个监测点设置多个监测点可以采集变化的不同的电位差数据，然后根据压裂监测电学模型对电位差数据进行解析，以得到监测点检测所在位置对应的裂缝的高度和面积数据，可以直观描述裂缝的波及过程和波及范围。
[0075]
根据本发明实施例的油气压裂监测电学模型的应用方法，至少具有如下技术效果：通过在地面上设置多个监测点，并将多个监测点皆接入接收系统300，设置完成后就可以向井筒100中注入压裂液以形成压裂液波及体，并启动发射系统200向压裂液波及体施加测试交流电信号，同时通过接收系统300接收井筒100与地面之间的电位差数据，从而可以根据压裂监测电学模型对电位差数据进行解析，得到监测点检测所在位置对应的裂缝的高度和面积数据，解决了传统的解析电压信号的过程复杂，人力资源消耗大，不能直观描述压裂过程中裂缝的波及过程和波及范围的问题。
[0076]
在本发明的一些实施例中，参考图2和图3，井筒100为水平井，多个监测点布设成台阵式结构。把井筒100的井口作为测量电极的基值，并且定义这个基值为零，那么在地面任一监测点处(即图2和图3所示的m1、m2、
……
、m2n)，都可以和井口形成电位差，因此，当井筒100为水平井时，可以在地面将多个监测点布设成台阵式结构，台阵式结构也就是井字形结构，包括多条平行测线和垂直测线，相邻两条测线之间保持足够的距离，每条平行测线和垂直测线中皆有多个等间距分布的监测点，皆用于采集井筒100与地面之间的电位差数据。当向井筒100中注入压裂液时，压裂液顺着井筒100向水平方向流动，当发射系统200向压裂液波及体施加测试交流电信号后，对于水平井形成线电源，压裂液波及体在水平方向上不同的点对应的地面上的监测点采集到的电位差数据不同，通过采集的电位差数据的变化规律可以对压裂过程中的裂缝的变化情况进行解析，从而得出压裂过程中裂缝的高度和面积数据。
[0077]
在本发明的一些实施例中，参考图1，井筒100为垂直井，多个监测点布设成射线式结构。如图1所示，射线式结构也叫环形结构，包括多个环形测线，多个环形测线皆以井筒100的井口为中心，相邻两条测线之间保持足够的距离，每个环形测线中皆有多个等间距分布的监测点，当向井筒100中注入压裂液时，压裂液顺着井筒100向垂直方向向下流动，当发射系统200向压裂液波及体施加测试交流电信号后，对于垂直井形成点电源，压裂液波及体向远离井筒100的方向发散，故多个环形测线中的多个监测点采集到的电位差数据可以反映压裂过程中的裂缝变化情况，以得到压裂过程中裂缝的高度和面积数据。
[0078]
在本发明的一些实施例中，监测点采用金属传感器。金属片传感器可以检测地层中的压裂液波及体的电场信号，且金属片传感器的体积小，易于设置，成本低，能够满足本发明设置多个监测点的需求。
[0079]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0080]
尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。