基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，特别涉及一种基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统及监测方法。

背景技术

感应电磁勘探法，简称电磁法，是指以介质的电磁性差异为物质基础，通过观测和研究人工或天然的交变电磁场随空间分布规律或随时间的变化规律，达到某些勘查目的的一类电法勘探方法。

电磁勘探的找矿原理是基于不同岩石和矿石间的电学性质的改变，而引起电磁场(人工的和天然的)空间分布状态发生相应的变化。由此，人们便可利用不同性能的仪器，通过对场的空间和时间分布状态的观测与研究，来勘查矿产资源或查明地质目标在地壳中的存在状态，从而实现电法勘探的地质目标。

感应电磁勘探法通常分为两类：一类为直接寻找油气的电磁法，目前主要有激发极化法、磁电法、电场差分法等。另一类是寻找含油气构造的方法，目前主要有大地电磁法(MT)、电磁阵列剖面法(EMAP)，建场测深法等。

电磁法勘查数据采集与其他物探方法的数据采集的不同点在于电磁法勘查数据采集的多样性，这是与电磁法勘查方法的多样性分不开的。电磁法勘查方法多，工作方式各不相同，装置不同，场的特点不同，传感器不同，使得采集形式多样。它既有天然场源的方法，也有人工场源的方法。既可以采用接地电极测量电场，也可以采用不接地的线圈测量磁场；既可以测量相对量，也可以测量绝对量；既可以测量标量，也可以测量矢量；既可以测量振幅和相位，也可以测量实虚分量；既可以测量总场，也可以测量纯异常场。

时频电磁或瞬变电磁法(TFEM)是石油勘探领域中出现的一种新方法，采用类似大偏移距地震勘探的工作方式，给大地供强电流激发油气勘探目标，测量油气藏孔隙介质放电形成的次生电磁场和电磁场频谱；该技术同时获得时间域与频率域信号，通过时域和频域信号的联合处理，准确重构地下物性模型，获得油气勘探目标的电阻率和极化率异常。

时频电磁或瞬变电磁技术将频率域测深与时间域测深联合在一个系统中，可针对勘探目标的深度选择不同频率和不同类型的激发波形，不但能提供电阻率信息，还能提供激发极化信息，因而在研究电性构造的同时又能检测其含油气性。时间域测深处理采用拟二维电阻率反演获得电阻率信息，频率域测深处理引入Cole—Cole模型提取激发极化信息。时频电磁或瞬变电磁法(TFEM)利用大装置通过改变波形长度和频率大小进行不同深度目标的测深。

时频电磁或瞬变电磁法野外施工采用赤道偶极装置，分发射和接收两部分。发射场源由多根并联的铜导线构成有限长两端接地的导线源，采用大功率发射机按不同频率向地下发送一系列不同周期的方波电流，接收端通过接地偶极MN测量电分量E

目前广泛应用的可控源时频电磁或瞬变电磁勘探方法和长偏移距瞬变电磁勘探方法都只布设一个激发场源,只能在场源附近一定范围内接收电磁场信号，当一个场源的激发能量在远距离接收点不能满足接收信号的性噪比要求时，才选择合适位置重新布设场源。单一激发场源的信号存在一系列问题：首先，由于地下构造的复杂性，不同位置或方位的激发场由于电磁场传输过程不同会在接收点产生明显差异；第二，离场源远近不同，通过地面、空中和地下到达接收点的场源信号成分和能量差别很大，因此，接收点的场源特性存在差异。比如近区，主要为地下直达波场，而远区则主要为从地面或空中传播的平面波，因此，接收到的信号严重受非勘探目标的影响，在近区和远区之间还存在着过渡区，其电磁场特性更为复杂。因此，传统可控源电磁法勘探常常因为场源效应不能很好消除使其应用效果大打折扣，甚至产生错误结果。

井-地或地-井电磁技术经过了近二十年的沿革和发展，已经形成了较为成熟的方法。电磁场激励的方法可以大致分为频率域激励和时间域激励。频率域(连续波)激励的局限是发射器和接收器间很强的耦合，使得从发射器发射到接收器接收的磁场信号可能比从地层接收到的信号更强，因而难以准确测量从地层接收到的信号。尽管采用多目标处理技术和应用多组测量数值相结合的方法，能提供我们所关注的选定地层的大量信息，但得到的净信号与总测量信号相比仍然较小，有用信息微乎其微。而使用时间域激励的方法，通过切断激励电流来产生瞬态信号并被接收器检测到，因为在检测瞬态信号时无发射器信号，所以可以对接收到的信号进行滤波即可去除任何直接耦合模式信号的残留影响。瞬态测量还排除了不包含地层电阻率/电导率信息的直接模式信号。因此，具有在检测信号中按时间对地层的不同空间区域的响应进行分离的能力是瞬变电磁方法的重要特征。

目前水力压裂的实时监测一般以井下、地面和浅井微地震监测技术为主。当水平井较深(超过2500米)时，地面或浅井微地震监测技术由于地面或浅井的检波器离压裂井段的距离太远，只能接收到震级或能量较大的微地震事件，其能监测到的微地震事件比压裂井邻井的井下微地震监测要少很多，不能很好的实时监测水力压裂造成的岩石破裂的实际延伸范围。另外水力压裂产生的微地震事件并不一定都是由于裂缝延伸过程中岩石进一步破裂造成的微地震事件，因此用微地震事件分布的包络范围定义的被改造体积(SRV)的大小往往与水平井压裂后的产能不一致，说明有很多微地震发生的位置处并没有裂缝网的实际连通，所以又根据有效连通的裂缝网的实际体积定义了有效被改造体积(ESRV)，而且发现ESRV与压裂水平井段的产能相关性比较好。

发明内容

为了解决在水力压裂微地震监测技术在实时评价压裂效果和计算有效被改造体积(ESRV)方面存在的问题，本发明提出了一种基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统和监测方法，利用在水平井中进行压裂井段上方地面上布设的三维三分量光纤时频电磁数据采集站，压裂井附近观测井中或压裂井套管外布设的井下时频电磁数据采集铠装光缆，在压裂水平井段在地面的投影线的两侧平行于压裂井段布设的大功率偶极电流源，在压裂开始前、压裂过程中和压裂结束后持续同步采集地面或地-井三维三分量时频电磁数据。实时计算压裂过程中和压裂后采集的三维三分量时频电磁数据与压裂开始前采集的三维三分量时频电磁数据之间的差异，同时根据实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演不同压裂阶段的地下电阻率的分布，用不同压裂阶段地下电阻率的分布变化特征来实时评价压裂效果，并用压裂结束后实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演出的地下电阻率的分布的包络来计算有效被改造体积(ESRV)。

具体的技术方案为：

基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统，包括：地面时频电磁数据采集站、采集铠装线缆、地面可控大功率电流源、地面铠装光缆、分布式光纤传感调制解调仪器；

所述的地面时频电磁数据采集站设在水平井压裂井段上方地面上，并且三维布设；

所述的采集铠装线缆设在压裂井附近观测井中或压裂井套管外，用于井下时频电磁数据采集；

所述地面可控大功率电流源布设在压裂水平井段在地面的投影线的两侧，并平行于压裂井段延伸方向；

所述地面时频电磁数据采集站通过铠装光缆与工区内或井口附近的分布式光纤传感调制解调仪器相连接；铠装光缆的尾端都安装有消光器；

所述的采集铠装线缆与分布式光纤传感调制解调仪器相连接；采集铠装线缆的尾端安装有消光器；

进一步的，所述地面可控大功率电流源为大功率偶极电流源。

所述地面时频电磁数据采集站，包括按照预先设计的测线和测点布设的有线或无线节点式电磁数据采集单元、三分量磁场传感器和电场传感器。

所述采集铠装线缆上包括多个有线时频电磁数据采集短接，多个有线时频电磁数据采集短接在井中呈阵列式分布；

有线时频电磁数据采集短接包括按照等间距排列的有线时频电磁数据采集单元、三分量磁场传感器和电场传感器；

有线时频电磁数据采集短接通过采集铠装线缆与分布式光纤传感调制解调仪器相连接。

进一步的，所述的三分量磁场传感器为感应线圈式磁场传感器、磁通门式磁场传感器、MEMS磁场传感器、超导磁场传感器、光纤磁场传感器中的一种；所述电场传感器为硫酸铜、氯化银、纳米材料、钽电容不极化电极对、光纤电场传感器中的一种。

本发明还提供一种基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测方法，采用上述基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统，包括以下步骤：

(a)在地面按照预先设计布设地面时频电磁数据采集站，地面时频电磁数据采集站通过铠装光缆与工区内或井口附近的分布式光纤传感调制解调仪器相连接；

(b)在压裂井附近的观测或监测井中或者压裂井套管外侧布设采集铠装线缆，采集铠装线缆首端的光纤连接分布式光纤传感调制解调仪器；

(c)在压裂水平井段在地面的投影线的两侧平行于压裂井段延伸方向布设地面可控大功率电流源的发射天线，每条发射天线的两端埋入地下深处，并做好供电电极的接地端降低接地电阻的处理；在每条发射天线的中部安放地面可控大功率电流源；

(d)在压裂作业开始前、压裂过程中和压裂结束后，重复激发地面可控大功率电流源，实时同步采集地面三维或地面与井中的三维时频电磁数据；

(e)对实时采集的地面三维或地面与井中的三维的原始时频电磁数据进行预处理，包括分布式光纤传感调制解调仪器对接收到的铠装光缆、采集铠装线缆反射回来的光信号相位和振幅进行解调处理，获得每个地面测点和井中测点的三维三分量时频或瞬变电场和磁场数据，消除随机噪声，滤波，用实时记录的地面可控发射源的激发电流值对地面和井中采集的三维三分量时频或瞬变电场和磁场数据进行归一化或一致性处理；

(f)对经过预处理的三维三分量时频或瞬变电场和磁场数据进行实时计算压裂过程中和压裂后采集的三维三分量时频电磁数据与压裂开始前采集的三维三分量时频电磁数据之间的差异，同时根据实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演不同压裂阶段的地下电阻率值及其在压裂井段周围的分布；

(g)用动态视频方式显示从水力压裂开始前、整个压裂过程中和压裂结束后根据实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演出来的不同压裂阶段的地下电阻率值及其在压裂井段周围的分布随时间的变化特征；

(h)在沿着水力压裂水平井段的三维地质模型上展示的低电阻率区域的范围和随时间的变化趋势就是水平井段周围的岩石被高压水力压裂开缝后低电阻率压裂液沿裂缝渗透到岩石深处的结构；压裂结束井下卸压后实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演获得的地下低电阻率体的体积或包络即可认为是有效的被改造体积ESRV。

本发明提供的基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统及监测方法可以用来对水力压裂作业进行实时监测、实时优化压裂参数并评价最终的压裂效果。

本发明的有益效果：本发明提出的基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统及监测方法，利用在水平井中进行压裂井段上方地面上布设的三维三分量光纤时频电磁数据采集站，压裂井附近观测井中或压裂井套管外布设的井下时频电磁数据采集铠装线光缆，在压裂水平井段在地面的投影线的两侧平行于压裂井段布设的大功率偶极电流源，在压裂开始前、压裂过程中和压裂结束后持续同步采集地面或地-井三维三分量时频电磁数据。实时计算压裂过程中和压裂后采集的三维三分量时频电磁数据与压裂开始前采集的三维三分量时频电磁数据之间的差异，同时根据实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演不同压裂阶段的地下电阻率的分布，用不同压裂阶段地下电阻率的分布变化特征来实时评价压裂效果，并用压裂结束后实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演出的地下电阻率的分布的包络来计算有效被改造体积(ESRV)。

附图说明

图1是本发明的监测系统的示意图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统，包括：地面时频电磁数据采集站1、采集铠装线缆2、地面可控大功率电磁源3、分布式光纤传感调制解调仪器5；

所述的地面时频电磁数据采集站1布设在水平井压裂井段上方地面上，并且三维布设；

所述的采集铠装线缆2设在压裂井附近观测井中或压裂井的套管外，用于井下时频电磁数据采集；

所述地面可控大功率电流源3布设在压裂水平井段在地面的投影线的两侧，并平行于压裂井段延伸方向；所述地面可控大功率电流源3为大功率偶极电流源。

所述地面时频电磁数据采集站1通过地面铠装光缆4与工区内或井口附近的分布式光纤传感调制解调仪器5相连接；铠装光缆4的尾端都安装有消光器7；

所述的采集铠装线缆2与分布式光纤传感调制解调仪器5相连接；采集铠装线缆2的尾端安装有消光器7；

所述地面时频电磁数据采集站1，包括按照预先设计的测线和测点布设的有线或无线节点式电磁数据采集单元、三分量磁场传感器和电场传感器。所述的三分量磁场传感器为感应线圈式磁场传感器、磁通门式磁场传感器、MEMS磁场传感器、超导磁场传感器、光纤磁场传感器中的一种；所述电场传感器为硫酸铜、氯化银、纳米材料、钽电容不极化电极对、光纤电场传感器中的一种。

所述采集铠装线缆2上包括多个有线时频电磁数据采集短接6，多个有线时频电磁数据采集短接6在井中呈阵列式分布；有线时频电磁数据采集短接6包括按照等间距排列的有线时频电磁数据采集单元、三分量磁场传感器和电场传感器；所述的三分量磁场传感器为感应线圈式磁场传感器、磁通门式磁场传感器、MEMS磁场传感器、超导磁场传感器、光纤磁场传感器中的一种；所述电场传感器为硫酸铜、氯化银、纳米材料、钽电容不极化电极对、光纤电场传感器中的一种。有线时频电磁数据采集短接6通过采集铠装线缆2与分布式光纤传感调制解调仪器5相连接。

基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测方法，采用所述基于分布式光纤传感的时频电磁压裂监测系统，包括以下步骤：

(a)在地面按照预先设计布设地面时频电磁数据采集站1，地面时频电磁数据采集站1通过铠装光缆4与工区内或井口附近的分布式光纤传感调制解调仪器5相连接；

(b)在压裂井附近的观测或监测井中或者压裂井套管外侧布设采集铠装线缆2，采集铠装线缆2首端的光纤连接分布式光纤传感调制解调仪器5；

(c)在压裂水平井段在地面的投影线的两侧平行于压裂井段延伸方向布设地面可控大功率电流源3的发射天线，每条发射天线的两端埋入地下深处，并做好供电电极的接地端降低接地电阻的处理；在每条发射天线的中部安放地面可控大功率电流源3；

(d)在压裂作业开始前、压裂过程中和压裂结束后，重复激发地面可控大功率电流源3，实时同步采集地面三维或地面与井中的三维时频电磁数据；

(e)对实时采集的地面三维或地面与井中的三维的原始时频电磁数据进行预处理，包括分布式光纤传感调制解调仪器5对接收到的铠装光缆4、采集铠装线缆2反射回来的光信号相位和振幅进行解调处理，获得每个地面测点和井中测点的三维三分量时频或瞬变电场和磁场数据，消除随机噪声，滤波，用实时记录的地面可控发射源的激发电流值对地面和井中采集的三维三分量时频或瞬变电场和磁场数据进行归一化或一致性处理；

(f)对经过预处理的三维三分量时频或瞬变电场和磁场数据进行实时计算压裂过程中和压裂后采集的三维三分量时频电磁数据与压裂开始前采集的三维三分量时频电磁数据之间的差异，同时根据实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演不同压裂阶段的地下电阻率值及其在压裂井段周围的分布；

(g)用动态视频方式显示从水力压裂开始前、整个压裂过程中和压裂结束后根据实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演出来的不同压裂阶段的地下电阻率值及其在压裂井段周围的分布随时间的变化特征；

(h)在沿着水力压裂水平井段的三维地质模型上展示的低电阻率区域的范围和随时间的变化趋势就是水平井段周围的岩石被高压水力压裂开缝后低电阻率压裂液沿裂缝8渗透到岩石深处的结构；压裂结束井下卸压后实测的地面或地-井三维三分量时频电磁数据反演获得的地下低电阻率体的体积或包络(9)即可认为是有效的被改造体积ESRV。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。