一种水力压裂过程监测方法及系统

摘要

本发明公开一种水力压裂过程监测方法及系统。方法包括：获取地震总波场数据，所述地震总波场数据包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据；对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据；对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度。采用本发明的方法不仅能够降低施工难度，节省成本，而且能够达到及时、准确监测压裂效果的目的。

权利要求

1.一种水力压裂过程监测方法，其特征在于，包括：获取地震总波场数据，所述地震总波场数据包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据；

对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据，具体包括：对所述地震总波场数据采用中值滤波方法进行处理，得到地震波场数据P(t)；

其中，pi(x)(x＝1,2,3...n)为第i个采样点pi邻域范围的n个采样点，pi为邻域中点，n为采样点的数量；

对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度，具体包括：将所述地震波场数据P(t)通过傅里叶变换，得到频率域地震波场数据模型P(ω)；

获取地震波场拟合数据模型

通过所述地震波场拟合数据模型 对所述频率域地震波场数据模型P(ω)进行修正，得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)；

根据所述最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)进行傅里叶反变换，得到时间域的最佳地震波场数据模型根据所述最佳地震波场数据模型 得到裂缝导流能力；

根据所述裂缝导流能力，确定所述裂缝宽度。

2.根据权利要求1所述的水力压裂过程监测方法，其特征在于，所述获取地震总波场数据，具体包括：通过MEMS传感器贴井壁测量获取地震总波场数据。

3.一种水力压裂过程监测系统，其特征在于，包括：获取模块，用于获取地震总波场数据，所述地震总波场数据包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据；

信号分离模块，用于对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据；

反演模块，用于对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度；

所述信号分离模块，具体包括：

信号分离单元，用于对所述地震总波场数据采用中值滤波方法进行处理，得到地震波场数据P(t)；

其中，pi(x)(x＝1,2,3...n)为第i个采样点pi邻域范围的n个采样点，pi为邻域中点，n为采样点的数量；

所述反演模块，具体包括：

第一变换单元，用于将所述地震波场数据P(t)通过傅里叶变换，得到频率域地震波场数据模型P(ω)；

第二获取单元，用于获取地震波场拟合数据模型修正单元，用于通过所述地震波场拟合数据模型 对所述频率域地震波场数据模型P(ω)进行修正，得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)；

第二变换单元，用于根据所述最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)进行傅里叶反变换，得到时间域的最佳地震波场数据模型裂缝导流能力确定单元，用于根据所述最佳地震波场数据模型 确定裂缝导流能力；

裂缝宽度确定单元，用于根据所述裂缝导流能力，确定所述裂缝宽度。

4.根据权利要求3所述的水力压裂过程监测系统，其特征在于，所述获取模块，具体包括：第一获取单元，用于通过MEMS传感器贴井壁测量获取地震总波场数据。

说明书

一种水力压裂过程监测方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及水力压裂领域，特别是涉及一种水力压裂过程监测方法及系统。

背景技术

[0002] 在水力压裂生产中，压裂效果的及时获取和压裂产生裂缝的分布，是业内尚未有效解决的难题。现阶段，对压裂裂缝的检测方法可以分为非震方法裂缝检测及地震学方法裂缝检测。

[0003] 在非震方法中常用的有示踪剂方法、电位法及倾斜仪阵列水准观测方法。示踪剂方法将特定化学物理物质随压裂过程注入，并在压裂井或邻井观测示踪剂的分布，该方法监测在时间上滞后较久，观测范围有限；电位法测量压裂前后的电位差，反推引起这种差别的压裂液分布，它受气候、深度限制；倾斜仪阵列水准观测测量压裂前后的地表或压裂段周围的形变，反演地下压裂裂缝体积的位置和形状，反演的多解性较强。

[0004] 地震学方法施工灵活、精度较高且及时性较好，得到广泛应用，其中常用的观测手段有井下邻近压裂段的观测、检波器阵排列检测及微地震法观测。井下邻近压裂段的观测方法信噪比及观测精度较高，但是邻近井需要较长时间停产观测，设备成本高昂，裂缝检测及时性差；检波器阵排列检测与勘探地震方法相似，所以裂缝监测精度较高，但该方法检波器布设规模很大，费用较高，施工费时，同时后期数据处理时间较长，裂缝校测及时性较差；微地震方法应用单分量检波器地表或邻近井中布设，施工和处理较为简单，成本较低，但是易出现观测数据信噪比低的情况，导致裂缝检测结果可靠性降低。

[0005] 在最新的研究中，通过在压裂过程中对沿井壁传播的管波进行观测，施工简单，可以较为及时的获得压裂程度及压裂裂缝渗透率等重要参数，得到了较好的应用效果。但是，在压裂的高压环境进行管波的测量对检测设备的要求高，成本较高。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种水力压裂过程监测方法及系统，不仅能够降低施工难度，节省成本，而且能够达到及时、准确监测压裂效果的目的。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0008] 一种水力压裂过程监测方法，包括：

[0009] 获取地震总波场数据，所述地震总波场数据包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据；

[0010] 对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据；

[0011] 对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度。

[0012] 可选的，所述获取地震总波场数据，具体包括：

[0013] 通过MEMS传感器贴井壁测量获取地震总波场数据。

[0014] 可选的，所述对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到信号分离后的地震波场数据，具体包括：

[0015] 对所述地震总波场数据采用中值滤波方法进行处理，得到地震波场数据P(t)；

[0016]

[0017] 其中，pi(x)(x＝1,2,3...n)为第i个采样点pi邻域范围的n个采样点，pi为邻域中点，n为采样点的数量。

[0018] 可选的，所述对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂裂缝相关的管波信息，具体包括：

[0019] 将所述地震波场数据P(t)通过傅里叶变换，得到频率域地震波场数据模型P(ω)；

[0020] 获取地震波场拟合数据模型

[0021] 通过所述地震波场拟合数据模型 对所述频率域地震波场数据模型P(ω)进行修正，得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)；

[0022] 根据所述最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)进行傅里叶反变换，得到时间域的最佳地震波场数据模型

[0023] 根据所述最佳地震波场数据模型 得到裂缝导流能力；

[0024] 根据所述裂缝导流能力，确定所述裂缝宽度。

[0025] 一种水力压裂过程监测系统，包括：

[0026] 获取模块，用于获取地震总波场数据，所述地震总波场数据包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据；

[0027] 信号分离模块，用于对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据；

[0028] 反演模块，用于对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度。

[0029] 可选的，所述获取模块，具体包括：

[0030] 第一获取单元，用于通过MEM传感器贴井壁测量获取地震总波场数据。

[0031] 可选的，所述信号分离模块，具体包括：

[0032] 信号分离单元，用于对所述地震总波场数据采用中值滤波方法进行处理，得到地震波场数据P(t)；

[0033]

[0034] 其中，pi(x)(x＝1,2,3...n)为第i个采样点pi邻域范围的n个采样点，pi为邻域中点，n为采样点的数量。

[0035] 可选的，所述反演模块，具体包括：

[0036] 第一变换单元，用于将所述地震波场数据P(t)通过傅里叶变换，得到频率域地震波场数据模型P(ω)；

[0037] 第二获取单元，用于获取地震波场拟合数据模型

[0038] 修正单元，用于通过所述地震波场拟合数据模型 对所述频率域地震波场数据模型P(ω)进行修正，得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)；

[0039] 第二变换单元，用于根据所述最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)进行傅里叶反变换，得到时间域的最佳地震波场数据模型

[0040] 裂缝导流能力确定单元，用于根据所述最佳地震波场数据模型 确定裂缝导流能力；

[0041] 裂缝宽度确定单元，用于根据所述裂缝导流能力，确定所述裂缝宽度。

[0042] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种水力压裂过程监测方法，通过获取地震总波场数据；对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据；对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度。通过本发明的上述步骤能够对采集的地震总波场数据进行信号分离处理，对分离得到的地震波场数据进行反演计算，得到压裂裂缝参数，本发明不仅能够降低施工难度，节省成本，而且能够及时、准确的获取压裂效果。

附图说明

[0043] 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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0044] 图1为本发明水力压裂过程监测方法流程图；

[0045] 图2为本发明中值滤波处理前的地震总波场数据图；

[0046] 图3为本发明中值滤波处理后的地震波场数据图；

[0047] 图4为本发明水力压裂反演结果图一；

[0048] 图5为本发明水力压裂反演结果图二；

[0049] 图6为本发明水力压裂过程监测系统结构图。

具体实施方式

[0050] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0051] 本发明的目的是提供一种水力压裂过程监测方法及系统，不仅能够降低施工难度，节省成本，而且能够达到及时、准确监测压裂效果的目的。

[0052] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0053] 图1为本发明水力压裂过程监测方法流程图。如图1所示，一种水力压裂过程监测方法包括：

[0054] 步骤101：获取地震总波场数据，所述地震总波场数据包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据；通过在井壁布设MEMS检波器，对压裂过程中产生的震动进行实时采集与监测，水力压裂过程中，压裂裂缝产生后会产生与其相关的地震波场，以管波的形式向井口传播。通过在井筒壁布设检波器，可以获取包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据的地震总波场数据。

[0055] 步骤102：对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据；具体包括：

[0056] 对所述地震总波场数据采用中值滤波方法进行处理，得到地震波场数据P(t)；

[0057]

[0058] 其中，pi(x)(x＝1,2,3...n)为第i个采样点pi邻域范围的n个采样点，pi为邻域中点，n为采样点的数量。

[0059] 通过针对地震总波场中的噪声进行压制，得到水力压裂裂缝相关的管波地震波场，便于压裂裂缝参数反演的精确计算。

[0060] 以地震总波场中随机噪音压制情况为例进行说明。对原始采集的地震总波场数据通过中值滤波的方法对信号进行随机噪音压制(如公式1和公式2所示)。

[0061] 中值滤波的过程是把序列或数字图像中一点的值，用该点邻域中各点值的中值来替代。在本次数据采集中，所采集的数据p1p2p3…pn为地震采集序列中n个采样点，pi(x)(x＝1,2,3...n)为第i个采样点pi邻域范围的n个采样点，其中pi为邻域中点，将邻域内各个采集点按大小顺序排列起来，如式(1)所示：

[0062] pi(1)≤pi(2)≤pi(3)…≤pi(n)  (1)

[0063] 则该序列中值P为

[0064]

[0065] P(t)代表采集数据经过中值滤波处理以后得到的新数据，t＝1，2，3...n。

[0066] 将每个点数据取其领域各点值的中值作为该点的值，即可完成中值滤波处理，得到处理后的管波地震波场数据，图2为本发明中值滤波处理前的地震总波场数据图。图3为本发明中值滤波处理后的地震波场数据图。采用中值滤波的方法能够达到管波地震波场数据获取增强的目的，同时保留有效地震数据的震动能量相对强弱关系，以便后续进行定量裂缝参数反演。

[0067] 步骤103：对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度，具体包括：

[0068] 将所述地震波场数据P(t)通过傅里叶变换，得到频率域地震波场数据模型P(ω)；

[0069] 获取地震波场拟合数据模型

[0070] 通过所述地震波场拟合数据模型 对所述频率域地震波场数据模型P(ω)进行修正，得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)；

[0071] 根据所述最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)进行傅里叶反变换，得到时间域的最佳地震波场数据模型

[0072] 根据所述最佳地震波场数据模型 得到裂缝导流能力；

[0073] 根据所述裂缝导流能力，确定所述裂缝宽度。

[0074] 本发明中，以基于管波波动方程反演技术的裂缝参数反演为例进行说明。

[0075] 在反演中，定义裂缝导流能力为kw，其中k是压裂段地层渗透率，w为裂缝宽度。通过建立反演模型，充分考虑填充支撑剂的裂缝内流体流动规律，裂缝的弹性柔度以及裂缝和钻孔之间的耦合关系。最后通过不断的参数迭代，将步骤102中的处理数据与计算模型在频率域进行拟合，得到估计的裂缝参数值，通过佳地震波场数据 完成反演裂缝导流能力。

[0076] 在管波经过水力压裂裂缝系统并反射的过程中，其地震波场的传播规律遵循波动方程。由于管波的波长足够大，压裂裂缝在与钻孔的交界处都有相同的压力响应。因此，管波的反射波是压裂裂缝系统的整体反射，而不是单个裂缝的反射特征。在计算过程中，首先将采集得到的并经过中值滤波的实测数据P(t)转换到频率域，即

[0077] P(ω)＝FFT(P(t))  (3)

[0078] 其中P(ω)为所采集数据的频域表达式。

[0079] 模型的拟合数据 在频率域的计算公式如下

[0080]

[0081] 其中，ρT为井孔中流体密度，cT为管波速度，AT为钻孔横截面积，N为裂缝个数，G*＝G/(1-v)，G为固体剪切模量，v为泊松比，μ为流体动态粘度， 为孔隙度，k为渗透性，w为裂缝宽度，H为裂缝高度。Q(t)是井口流量随时间变化的函数，其频率域表达形式为[0082] g(ω)为考虑衰减和因果关系保持色散的双向旅行时间因子，其表达式为[0083]

[0084] 其中，h是钻孔长度，ω0是管波相速度等于cT时的参考角频率。

[0085] 由(4)式可看出，本发明给定管波速度cT、井孔长度h、裂缝个数N、裂缝高度H、孔隙度 及流体动态粘度μ以后，通过不断改变kw的值，来使得实测数据频谱P(ω)与模型计算的 误差最小，从而使得步骤102得到的经过处理的地震数据与模型计算得到的数据匹配最佳，即得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)。将得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)进行反傅里叶变化得到时间域的最佳地震波场数据模型

[0086]

[0087] 图4为本发明水力压裂反演结果图一；图5为本发明水力压裂反演结果图二。通过图4和图5可知，将得到的最佳地震波场数据模型 与经过中值滤波后的地震波场数据P(t)进行对比，模型与实测数据匹配良好。通过反演确定裂缝导流能力kw，在水力压裂渗透率k已知的情况下，可以进一步反演出裂缝宽度w。

[0088] 本发明能够实现在井口或地表观测，并采集在压裂过程中地震波数据，从而达到降低成本的目的；本发明能够对采集的地震总波场数据进行信号分离处理，通过对分离得到的地震波场数据进行反演计算，得到压裂裂缝参数，及时、准确的获取压裂效果。

[0089] 图6为本发明水力压裂过程监测系统结构图。如图6所示，一种水力压裂过程监测系统包括：

[0090] 获取模块601，用于获取地震总波场数据，所述地震总波场数据包括含有水力压裂裂缝的管波波场数据和噪声干扰数据；

[0091] 信号分离模块602，用于对所述地震总波场数据采用信号分离的方法，得到地震波场数据；

[0092] 反演模块603，用于对所述地震波场数据进行管波波场反演，得到水力压裂的裂缝宽度。

[0093] 所述获取模块601，具体包括：

[0094] 第一获取单元，用于通过MEM传感器贴井壁测量获取地震总波场数据。

[0095] 所述信号分离模块602，具体包括：

[0096] 信号分离单元，用于对所述地震总波场数据采用中值滤波方法进行处理，得到地震波场数据P(t)；

[0097]

[0098] 其中，pi(x)(x＝1,2,3...n)为第i个采样点pi邻域范围的n个采样点，pi为邻域中点，n为采样点的数量。

[0099] 所述反演模块603，具体包括：

[0100] 第一变换单元，用于将所述地震波场数据P(t)通过傅里叶变换，得到频率域地震波场数据模型P(ω)；

[0101] 第二获取单元，用于获取地震波场拟合数据模型

[0102] 修正单元，用于通过所述地震波场拟合数据模型 对所述频率域地震波场数据模型P(ω)进行修正，得到最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)；

[0103] 第二变换单元，用于根据所述最佳匹配地震波场数据模型Pm(ω)进行傅里叶反变换，得到时间域的最佳地震波场数据模型

[0104] 裂缝导流能力确定单元，用于根据所述最佳地震波场数据模型 确定裂缝导流能力；

[0105] 裂缝宽度确定单元，用于根据所述裂缝导流能力，确定所述裂缝宽度。

[0106] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0107] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。