一种用于监测裂缝的实验及方法

技术领域

本发明涉及裂缝监测技术领域，尤其是涉及一种用于监测裂缝的实验及方法。

背景技术

裂缝监测技术是指通过一定的仪器和技术手段对压裂产生的裂缝进行监测和评价，通过数据处理得到裂缝复杂程度，从而评价压裂效果。裂缝监测的主要目的是了解裂缝的形态，并利用监测结果评价改造效果、储层产能、指导压裂设计。

目前，国内外采用的裂缝监测技术可以分为地震学方法和非地震学方法，主要采用地面微地震、井下微地震、阵列式地面微地震和测斜仪阵列水准观测等技术来实现。这些技术都有优缺点，但总体来说，使用的仪器设备比较昂贵，监测过程需要钻多口浅井辅助放置监测仪器，单井监测费用较高，很难每口井都普及使用，一般在新区块探井上使用较多。

发明内容

本发明的目的在于，需要提供一种低成本的裂缝监测技术，以监测并采集不同形态、不同尺寸的裂缝对声波脉冲反射的回声信号。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种用于监测裂缝的实验系统，包括：用于容纳实验用岩心的岩心仓；井筒模拟装置，其第一端与所述岩心仓连通；与所述井筒模拟装置的第二端连通的加压装置，其用于在向所述井筒模拟装置通入液体时为所述实验系统加压；加温装置，其用于为所述实验系统加热；信号发生及接收装置，其与靠近所述井筒模拟装置的第二端的管柱侧壁连通，用于向管柱内发出声波发射信号，以及接收并采集相应的回声信号；处理装置，其用于对所述回声信号进行处理。

优选地，所述井筒模拟装置包括：第一井筒管线，其第一端构造为所述井筒模拟装置的第一端；弯头；第二井筒管线，其第一端通过所述弯头与所述第一井筒管线的第二端连接，所述第二井筒管线的第二端构造为所述井筒模拟装置的第二端；用于连接所述加压装置的第一接口；用于连接所述信号发生及接收装置的第二接口，所述第二接口设置于所述第二井筒管线的侧壁上。

优选地，所述加温装置包裹在所述井筒模拟装置和所述岩心仓的外部，其中，所述加温装置用于通过对所述井筒模拟装置进行分段加温控制来模拟井下温度的变化梯度。

优选地，所述实验用岩心构造为选自如下多种类岩心中的一种或几种：内部含有预制井眼和预制主裂缝的第一类岩心；内部含有预制井眼、预制主裂缝和预制一级分支缝的第二类岩心；内部含有预制井眼、预制主裂缝、预制一级分支缝和预制二级分支缝的第三类岩心；内部含有预制井眼、预制主裂缝和预制交叉缝网的第四类岩心。

优选地，处理装置，其还用于提取所述回声信号中的时域与频域特征，将所述时域与频域特征、所述声波发射信号的频率、液体温度和对应的岩心类型进行记录。

优选地，所述信号发生及接收装置，其还用于向管柱内发出不同频率的所述声波发射信号，并采集对应频率的所述回声信号。

优选地，所述处理装置，其还用于根据每种类型的岩心对应的不同声波发射频率下的回声信号，构建回波数据特征数据库。

优选地，所述第一井筒管线包括模拟用井筒和模拟用短节；所述第二井筒管线包括多段模拟用井筒和模拟用短节。

另一方面，提供了一种用于监测裂缝的实验方法，所述实验方法通过如上述所述的实验系统来实现，所述实验方法包括：将实验用岩心放置于岩心仓；向所述井筒模拟装置通入液体；为所述实验系统加压；为所述实验系统加热；向管柱内发出声波发射信号，以及接收并采集相应的回声信号；对所述回声信号进行处理。

优选地，在向管柱内发出声波发射信号的步骤中，包括：向管柱内发出不同频率的所述声波发射信号，并采集对应频率的所述回声信号。

优选地，所述实验方法还包括：关闭加热装置并排出所述液体；更换不同类型的实验用岩心。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提出了一种用于监测裂缝的实验系统及方法。该系统及方法针对现有的裂缝监测技术作业成本高的缺点，设计了一套监测不同裂缝声波脉冲回波的实验方案，由信号发生及接收装置、加压装置、井筒模拟装置、加温装置、岩心仓和岩心组成。本发明能够采集不同形态、不同尺寸的裂缝对不同频率声波脉冲反射的回声信号，分析提取信号的时频域特征，建立对应的回声信号特征数据库，为声波脉冲用于压裂裂缝监测领域奠定基础。另外，本发明应用声波脉冲技术而形成的实验系统具有结构简单、成本低的特点，只需要把声波脉冲信号发生及接收装置连接于压裂井口上即可进行大规模推广，可对每口井的压裂裂缝复杂程度进行动态过程评价，能更好的评估增产效果。

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

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统的整体结构示意图。

图2为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统的具体结构示意图。

图3为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第一类岩心的截面结构示意图。

图4为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第二类岩心的截面结构示意图。

图5为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第三类岩心的截面结构示意图。

图6为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第四类岩心的截面结构示意图。

图7为本申请实施例的用于监测裂缝的实验方法的步骤示意图。

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。

另外，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。

裂缝监测技术是指通过一定的仪器和技术手段对压裂产生的裂缝进行监测和评价，通过数据处理得到裂缝复杂程度，从而评价压裂效果。裂缝监测的主要目的是了解裂缝的形态，并利用监测结果评价改造效果、储层产能、指导压裂设计。

目前，国内外采用的裂缝监测技术可以分为地震学方法和非地震学方法，主要采用地面微地震、井下微地震、阵列式地面微地震和测斜仪阵列水准观测等技术来实现。这些技术都有优缺点，但总体来说，使用的仪器设备比较昂贵，监测过程需要钻多口浅井辅助放置监测仪器，单井监测费用较高，很难每口井都普及使用，一般在新区块探井上使用较多。因此，需要开发一种新的低成本的裂缝监测技术。

为了解决上述一个或多个技术问题，本申请实施例提出了一种用于监测压裂裂缝的实验系统及方法。该系统及方法，针对现有的裂缝监测技术作业成本高的缺点，设计了一套监测不同裂缝声波脉冲回波试验装置，用于监测并采集不同形态、不同尺寸的裂缝对声波脉冲反射的回声信号，建立对应的回声信号特征数据库，为声波脉冲用于压裂裂缝监测领域奠定基础。本发明所公开的声波脉冲技术涉及的装置结构简单、监测成本低、只需要把声波脉冲发生与接收装置连接于压裂井口上即可，可进行大规模推广，可对每口井进行压裂裂缝复杂程度进行评价，更好的评估增产效果。

图1为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统的整体结构示意图。如图1所示，本发明实施例所述的实验系统包括：实验用岩心1、岩心仓2、井筒模拟装置3、加压装置4、加温装置5、信号发生及接收装置6和信号处理装置7。

实验用岩心1用来模拟位于井下的岩心。岩心仓2采用密闭式结构。岩心仓2用于容纳实验用岩心1。井筒模拟装置3的第一端与岩心仓2相连通，井筒模拟装置3的第二端与加压装置4相连通。井筒模拟装置3用于对井下井筒进行模拟。加压装置4用于向井筒模拟装置3的内部通入液体，液体经过井筒模拟装置3流入岩心仓2，在注满实验系统后，(在向井筒模拟装置3的内部通入液体时)为实验系统加压，使得井筒模拟装置3的第二端的液体压力达到目标压力值，从而实现对井口压力的模拟。进一步，在本发明实施了中，在井筒模拟装置3的第一端处对井底场景进行模拟，以及在井筒模拟装置3的第二端处对井口场景进行模拟。

进一步，加温装置5用于为实验系统加热，使得所通入的液体温度与井下液体温度相匹配，从而实现对井筒温度环境的模拟。与靠近井筒模拟装置3的第二端的管柱侧壁相连通。信号发生及接收装置6用于在完成加压和加温后，向(模拟)管柱内发出声波发射信号，以及接收并采集相应的回声信号。(信号)处理装置7用于对所采集到的回声信号进行后期处理，并进行相应记录。

图2为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统的具体结构示意图。下面参考图2，对本发明实施例中各部件的具体结构及功能进行说明。

如图2所示，本发明实施例所述的井筒模拟装置3优选设置为直角型。井筒模拟装置3包括：第一井筒管线、弯头、第二井筒管线、第一接口和第二接口。其中，第一接口和第二接口靠近井筒模拟装置3的第二端而设置。

第一井筒管线的第一端构造为井筒模拟装置3的第一端。第二井筒管线的第一端通过弯头与第一井筒管线的第二端相连接。第二井筒管线的第二端构造为井筒模拟装置3的第二端。第一接口用于将加压装置4与第二井筒管线的第二端连接，将加压装置4与井筒模拟装置3连接。第二接口设置于第二井筒管线的侧壁上，并靠近井筒模拟装置3的第二端。第二接口用于将信号发生及接收装置6与井筒模拟装置3连接。

进一步，第一井筒管线的本体和第二井筒管线的本体，均由若干节模拟井筒和若干个短节而组成。在一个实施例中，第一井筒管线包括多段模拟用井筒和模拟用短节，第二井筒管线包括多段模拟用井筒和模拟用短节。

进一步，加压装置4采用加压泵注、以及压力保持系统来实现，一方面，能够从第一接口将液体(例如：水)注入井筒模拟装置3内，参考图1的虚线箭头方向，液体经过井筒模拟装置3流入岩心仓2并流入实验用岩心内的预制井眼及裂缝系统，并且，待注满井筒模拟装置3后，为实验系统加压，使得第一接口处的液体的压力达到目标压力值。其中，目标压力值根据井场的实际井口压力来确定。

进一步，加温装置5包裹在井筒模拟装置3和岩心仓2的外部。其中，加温装置5用于通过对井筒模拟装置3进行分段加温控制，来模拟井下温度的变化梯度。也就是说，在本发明实施例中，将井筒模拟装置3划分为多节，每节井筒对应有不同的目标温度(其中，从井筒模拟装置3的第二端到第一端，所涉及的不同节数的目标温度逐渐增加，以对井口到井底的温度阶梯式变化状态进行模拟)，加温装置5能对不同节数的井筒分别进行加热处理，使得每节井筒的温度达到对应的目标温度并持续保持在相应的目标温度，由此，便实现了对井筒模拟装置3的分段渐变温度控制。

另外，为了测量不同形态和不同尺度的裂缝的回声特征，本发明实施例所使用的实验用岩心能够构造为不同种类的岩心样品。本发明实施例所使用的实验用岩心选自如下多种类岩心中的一种或几种：内部含有预制井眼和若干个预制主裂缝的第一类岩心(参考图3)；内部含有预制井眼、若干个预制主裂缝和若干个预制一级分支缝的第二类岩心(参考图4)；内部含有预制井眼、若干个预制主裂缝、若干个预制一级分支缝和若干个预制二级分支缝的第三类岩心(参考图5)；内部含有预制井眼、若干个预制主裂缝和预制交叉缝网的第四类岩心(参考图6)。

图3为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第一类岩心的截面结构示意图。图4为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第二类岩心的截面结构示意图。图5为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第三类岩心的截面结构示意图。图6为本申请实施例的用于监测裂缝的实验系统中的第四类岩心的截面结构示意图。如图3～6所示，预制主裂缝的垂向方向与预制井眼的轴向方向垂直，预制一级分支缝为预制主裂缝的分支裂缝，预制二级分支缝为预制一级分支缝的分支裂缝，预制交叉缝网为预制主裂缝的分支裂缝复杂交错网络。需要说明的是，本发明实施例对实验用岩心所配置的预制主裂缝、预制一级分支缝、预制二级分支缝以及预制交叉缝网的数量不做具体限定，本领域技术人员可以根据被模拟水平井的实际压裂环境进行设置。

接下来，在完成对实验系统对加压和加热处理后，开展对当前实验用岩心的裂缝状态的测量。具体地，信号发生及接收装置6还用于向管柱内(井筒模拟装置3的内部)发出不同频率的声波发射信号，而后，接受并采集对应发射频率的回声信号。

进一步，(信号)处理装置7与信号发生及接收装置6相连接。信号处理装置7还用于提取所采集到的回声信号中的时域与频域特征，将所提取的时域与频域特征、声波发射信号的频率、液体温度和对应的岩心类型进行记录。也就是说，信号处理装置7对每种发射频率所对应的回声信号进行去躁处理，再从每路经过去躁处理的回声信号中提取相应的时域与频域特征，最后，将时域与频域特征、声波发射信号的频率、液体的分段目标温度和对应的岩心类型进行关联记录。

进一步，处理装置7还用于根据每种类型的岩心对应的不同声波发射频率下的回声信号，构建回波数据特征数据库。本发明实施例可以采用单一变量控制法，通过将声波发射信号的频率、液体的分段目标温度、以及岩心类型分别作为单一控制变量(单一实验条件)，来采集每种岩心对应的不同液体分段目标温度和不同声波发射信号频率组合条件下的回声信号，并提取出每种组合实验条件下的回声信号的时域特征及频域特征，从而构建回波数据特征数据库。

基于上述实验系统，本发明实施例还提供了一种用于监测裂缝的实验方法。改实验方法通过如上述所述的实验系统来实现。图7为本申请实施例的用于监测裂缝的实验方法的步骤示意图。如图7所示，本发明所述的实验方法包括如下步骤：

步骤S701：将实验用岩心放置于岩心仓；

步骤S702：向井筒模拟装置通入液体；

步骤S703：为实验系统加压；

步骤S704：为实验系统加热；

步骤S705：向管柱内发出声波发射信号，以及接收并采集相应的回声信号；

步骤S706：对回声信号进行处理(对回声信号进行去噪处理，并对回声信号的时域及频域进行分析，提取时域频域参数特征，从而存入回波数据特征数据库中)。

进一步，在步骤S705中，包括：向管柱内部发出不同频率的声波发射信号，并采集对应发射频率的回声信号。

另外，本发明实施例所述的实验方法，还包括：

改变实验系统的目标加热温度，并重复步骤S704～步骤S706。

此外，本发明实施例所述的实验方法，还包括：

关闭加热装置并排出液体，而后，更换不同类型的实验用岩心，从而重复步骤S701～步骤S706。

下面对本发明实施例所述的实验方法所涉及的实验流程进行举例说明。其中，实验流程如下所示：

第一步：连接组装实验系统，把带有预制裂缝的岩心放置于体积为1m

第二步：在系统中注入充满水，加压到目标压力5Mpa；

第三步：根据梯度设计的温度，给系统加热并控制每一段的目标温度(将井筒模拟装置划分为5段，从装置接口位置开始到岩心仓连接处，目标温度渐变为20℃、40℃、60℃、80℃和100℃)。

第四步：启动信号发生及接收装置，进行回声信号采集，改变声波发生的频率，多次启动和采集对应发射频率下的回声信号。

第五步：对所采集的回声信号进行去噪处理，对信号时域及频域进行分析；

第六步：关闭加热系统，放压，更换岩心仓内的岩心种类。

第七步：重新进行第二到第六步。

如此循环完成所有预制岩心测裂缝回声信号采集，并把所采集的数据进行关联标记，其中，所关联的信息包括：时域与频域特征、声波发射频率、液体渐变目标温度及对应岩心。

第八步：将所有关联信息存入回波数据特征数据库。

本发明公开了一种用于监测裂缝的实验系统及方法。该系统及方法针对现有的裂缝监测技术作业成本高的缺点，设计了一套监测不同裂缝声波脉冲回波的实验方案，由信号发生及接收装置、加压装置、井筒模拟装置、加温装置、岩心仓和岩心组成。本发明能够采集不同形态、不同尺寸的裂缝对不同频率声波脉冲反射的回声信号，分析提取信号的时频域特征，建立对应的回声信号特征数据库，为声波脉冲用于压裂裂缝监测领域奠定基础。另外，本发明应用声波脉冲技术而形成的实验系统具有结构简单、成本低的特点，只需要把声波脉冲信号发生及接收装置连接于压裂井口上即可进行大规模推广，可对每口井的压裂裂缝复杂程度进行动态过程评价，能更好的评估增产效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

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、处理步骤或材料，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。

虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。