孫廣君 杜孝蘭 尤 剛

（1.吉林油田分公司長春采油廠 吉林長春 130618；2.華北油田分公司招標(biāo)中心 河北任丘 062552）

井地電法聯(lián)合極化法監(jiān)測在水力壓裂裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用

孫廣君1杜孝蘭2尤 剛1

（1.吉林油田分公司長春采油廠 吉林長春 130618；2.華北油田分公司招標(biāo)中心 河北任丘 062552）

在低滲透氣田開發(fā)和老油田增產(chǎn)的過程中，水力壓裂技術(shù)得到普遍使用。通過井地電法雙參數(shù)聯(lián)合檢測儀器和XX油田的壓裂野外聯(lián)合監(jiān)測的試驗(yàn)，證明井地電法雙參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測儀器在水力壓裂縫監(jiān)測中有優(yōu)越的分辨率和監(jiān)測效果，可對油田水力壓裂裂縫進(jìn)行有效監(jiān)測。

水力壓裂；電阻率；極化率；雙參數(shù)；聯(lián)合監(jiān)測

目前，水力壓裂技術(shù)在老油田增產(chǎn)和非常規(guī)油氣開發(fā)、應(yīng)用上發(fā)揮了重要作用，如疏通堵塞、增加油井產(chǎn)能等。在壓裂進(jìn)程中，還會(huì)形成地下人工裂縫，因此需在油田勘探開發(fā)中監(jiān)測油氣儲(chǔ)層裂縫的分布規(guī)律。

井地電法雙參數(shù)聯(lián)合的研究是建立在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)之上的，是極化率參數(shù)與電阻率的有效組合。通過計(jì)算仿真實(shí)例，可以得到雙參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測的結(jié)果。同時(shí)，還通過陜西富縣油田的野外壓裂監(jiān)測，證明雙參數(shù)電法聯(lián)合監(jiān)測的結(jié)果可靠、有效。

1 雙參數(shù)井地電法數(shù)值模擬

從圖1中可以看出，壓裂前有均勻的極化電位分布和地表電位梯度，當(dāng)?shù)妥鑹毫岩涸趬毫押筮M(jìn)入地層，地表電位梯度（圖1a、c）和地表極化電位發(fā)生了變化（圖1b、1d），但它們的方向均與裂縫方位相同。因此，如果壓裂液電阻率與巖圍電阻率存在較大差異，井地電阻率法可單獨(dú)用于裂縫監(jiān)測，極化法也是如此。

基于對低電阻率儲(chǔ)存壓裂的模擬訓(xùn)練，一個(gè)含低阻（10flm)夾層的三層大地模型被設(shè)計(jì)在均勻半空間中，地表電位梯度異?？赏ㄟ^層狀模型壓裂計(jì)算得出（圖2a、2b），基于壓裂液的電阻率和壓裂層次的電阻都不高，地表電位梯度基本不變，但是極化電位出現(xiàn)異常的方向比較明顯，和裂縫方向大致一樣。數(shù)據(jù)融合技術(shù)的采用對一些異常情況的數(shù)據(jù)分布進(jìn)行歸一化的非線性加權(quán)融合，包括極化電位異常和電位梯度異常（圖2c），裂縫方位通過數(shù)據(jù)融合表現(xiàn)出來，效果明顯。所以，數(shù)據(jù)融合技術(shù)是對兩種微弱異常信號(hào)的融合、提取和增強(qiáng)。

圖2中，低電阻率儲(chǔ)層壓裂模型和深井壓裂模型，z軸為縱坐標(biāo)測區(qū)，y軸為橫坐標(biāo)測區(qū)，單位是m。

深井注入的壓裂液引起地表電位異常，如果壓裂層在井下2000m處，單一監(jiān)測方法顯示出微弱的信號(hào)（圖2d、2e），計(jì)算結(jié)果和均勻半空間計(jì)算結(jié)果基本一致（圖1a、1b)。如果把圖2d、2e的數(shù)據(jù)融合起來，能夠得出圖3f，所以，數(shù)據(jù)融合時(shí)歸一化有明顯異常。

1.3 低電阻率儲(chǔ)層野外現(xiàn)場壓裂計(jì)算仿真

基于低電阻率儲(chǔ)層野外現(xiàn)場壓裂計(jì)算仿真，低電阻率儲(chǔ)層壓裂的正演數(shù)據(jù)（圖2a，2b)中加入了30dB的實(shí)測噪聲（圖3a、3b），加噪后極化電位和電位梯度沒有出現(xiàn)明顯異常。從數(shù)據(jù)融合結(jié)果（圖3c）可以看出，數(shù)據(jù)融合表現(xiàn)異常的方位和真實(shí)模型的裂縫方位基本一樣，所以在低電阻率儲(chǔ)層壓裂中雙參數(shù)電法的監(jiān)測有效。

2 井地雙參數(shù)電法聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)研制

從雙參數(shù)聯(lián)合電法的理論探究來看，對井地雙參數(shù)電法聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及幾個(gè)子系統(tǒng)（圖4），包括低噪聲時(shí)分復(fù)用接受和編碼式雙電流形串聯(lián)發(fā)射。這些系統(tǒng)和井地電法儀器大致一樣，改進(jìn)了接收數(shù)據(jù)的方式。

2.1 編碼式雙電流波形串聯(lián)發(fā)射子系統(tǒng)

基于監(jiān)測雙參數(shù)井地電法聯(lián)合，設(shè)計(jì)了控制電路和大功率恒流電源等（圖5）。

控制信號(hào)控制IGBT發(fā)射橋路，同時(shí)也產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，適用于激電法和電位梯度法。同時(shí)設(shè)計(jì)了電流采樣模塊，采用穩(wěn)流采樣模塊。

2.2 時(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)采集接收子系統(tǒng)

時(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由時(shí)分?jǐn)?shù)據(jù)采集模塊、不極化電極和邏輯控制及時(shí)分信號(hào)傳輸模塊、工控機(jī)PC104等部分組成。

從正演結(jié)果可以看出，裂縫有2000m的深度（圖4d)，有520m的縫長。如果縫長達(dá)到100m，電位梯度出現(xiàn)異常的情況較小。在提高信號(hào)采集方面做了如下研究：一是對不極化前端傳感電極的研制；二是采用先進(jìn)的技術(shù)，如多級(jí)信號(hào)放大和梳狀濾波，目的是對微弱信號(hào)的前段進(jìn)行調(diào)理；三是TI公司的高線性度和低功耗ADS1256是A/D采集部分。

51核的EZ-USBFX2系列單片機(jī)CY7C68013_100AC內(nèi)嵌增強(qiáng)型被采用，和FPGA一起接收命令、解析和傳輸數(shù)據(jù)，借組USB實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 系統(tǒng)性能指標(biāo)

雙極性方波、雙頻波以及偽隨機(jī)波，都是通過油田壓裂井地電法雙參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)射的，頻率輸出在0.1～1.0×104Hz之間，電流不超過50A，輸出電壓不超過600V。就采集通道數(shù)而言，接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了128路同步采集，電極智能切換達(dá)到256個(gè)，放大倍數(shù)為1～8192。

3 野外試驗(yàn)

2011年7月，對陜西省富縣華北局油田的洛河4井，采用聯(lián)合監(jiān)測儀器監(jiān)測了壓裂裂縫，并采取了高精度GPS定位系統(tǒng)。同時(shí)，中國礦業(yè)采用三分量地面BGT-10型微破裂地震儀器對整個(gè)壓裂過程進(jìn)行監(jiān)測。

通過一系列的校正，包括高程、極距、動(dòng)態(tài)基線等，得到水力壓裂裂縫方位：牛東4井壓裂層有112m的主裂縫長，主裂縫向著NW40°延伸；次裂縫長為40m，走向?yàn)镹E80°。三分量地震儀測量的結(jié)果是：主裂縫有兩個(gè)走向：NW30°和NE80°。對該油田進(jìn)行了多次壓裂試驗(yàn)，主裂縫走向基本一致，和微地震監(jiān)測結(jié)果偏差不大，說明水力壓裂裂縫監(jiān)測結(jié)果真實(shí)可靠。

4 結(jié)論

基于三維有限差分，計(jì)算了極化電位和電位梯度。從仿真計(jì)算可知，如果高組層位壓裂，地表傳到電位和極化電位的裂縫方向基本一致，且有明顯的異常；相反，地表傳到電位基本不變。在野外進(jìn)行的電阻率儲(chǔ)層壓裂實(shí)驗(yàn)也說明，雙參數(shù)據(jù)融合技術(shù)起到提高分辨能力的作用，在有噪聲時(shí)能精確地指明異常方向和裂縫方位。

[1]朱凱光，賈正森，王言章等.油田壓裂井地電法雙參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測技術(shù)與儀器研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2013，56(11):3663-3672.

[2]杜立志，蔣小明，曲俊偉等.井地電法點(diǎn)電源供電地表異常電場分布特征實(shí)驗(yàn)研究[J].世界地質(zhì)，2013，32(3):584-589.

[3]侯智超，戴前偉，尹俊濤等.井地—高密度電法聯(lián)合數(shù)值模擬研究[J].物探化探計(jì)算技術(shù)，2014，36(2):177-184.