井地电法联合极化法监测在水力压裂裂缝监测中的应用

孙广君1 杜孝兰2 尤刚1

（1.吉林油田分公司长春采油厂吉林长春130618；2.华北油田分公司招标中心河北任丘062552）

摘要：在低渗透气田开发和老油田增产的过程中，水力压裂技术得到普遍使用。通过井地电法双参数联合检测仪器和XX油田的压裂野外联合监测的试验，证明井地电法双参数联合监测仪器在水力压裂缝监测中有优越的分辨率和监测效果，可对油田水力压裂裂缝进行有效监测。

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关键词 :水力压裂；电阻率；极化率；双参数；联合监测

目前，水力压裂技术在老油田增产和非常规油气开发、应用上发挥了重要作用，如疏通堵塞、增加油井产能等。在压裂进程中，还会形成地下人工裂缝，因此需在油田勘探开发中监测油气储层裂缝的分布规律。

井地电法双参数联合的研究是建立在数据融合的基础之上的，是极化率参数与电阻率的有效组合。通过计算仿真实例，可以得到双参数联合监测的结果。同时，还通过陕西富县油田的野外压裂监测，证明双参数电法联合监测的结果可靠、有效。

1双参数井地电法数值模拟

从图1中可以看出，压裂前有均匀的极化电位分布和地表电位梯度，当低阻压裂液在压裂后进入地层，地表电位梯度（图1a、c）和地表极化电位发生了变化（图1b、1d），但它们的方向均与裂缝方位相同。因此，如果压裂液电阻率与岩围电阻率存在较大差异，井地电阻率法可单独用于裂缝监测，极化法也是如此。

基于对低电阻率储存压裂的模拟训练，一个含低阻（10flm)夹层的三层大地模型被设计在均匀半空间中，地表电位梯度异常可通过层状模型压裂计算得出（图2a、2b），基于压裂液的电阻率和压裂层次的电阻都不高，地表电位梯度基本不变，但是极化电位出现异常的方向比较明显，和裂缝方向大致一样。数据融合技术的采用对一些异常情况的数据分布进行归一化的非线性加权融合，包括极化电位异常和电位梯度异常（图2c），裂缝方位通过数据融合表现出来，效果明显。所以，数据融合技术是对两种微弱异常信号的融合、提取和增强。

图2中，低电阻率储层压裂模型和深井压裂模型，z轴为纵坐标测区，y轴为横坐标测区，单位是m。深井注入的压裂液引起地表电位异常，如果压裂层在井下2000m处，单一监测方法显示出微弱的信号（图2d、2e），计算结果和均匀半空间计算结果基本一致（图1a、1b)。如果把图2d、2e的数据融合起来，能够得出图3f，所以，数据融合时归一化有明显异常。

1.3低电阻率储层野外现场压裂计算仿真基于低电阻率储层野外现场压裂计算仿真，低电阻率储层压裂的正演数据（图2a，2b)中加入了30dB的实测噪声（图3a、3b），加噪后极化电位和电位梯度没有出现明显异常。从数据融合结果（图3c）可以看出，数据融合表现异常的方位和真实模型的裂缝方位基本一样，所以在低电阻率储层压裂中双参数电法的监测有效。

2井地双参数电法联合监测系统研制

从双参数联合电法的理论探究来看，对井地双参数电法联合监测系统主要涉及几个子系统（图4），包括低噪声时分复用接受和编码式双电流形串联发射。这些系统和井地电法仪器大致一样，改进了接收数据的方式。

2.1编码式双电流波形串联发射子系统

基于监测双参数井地电法联合，设计了控制电路和大功率恒流电源等（图5）。

控制信号控制IGBT发射桥路，同时也产生发射信号，适用于激电法和电位梯度法。同时设计了电流采样模块，采用稳流采样模块。

2.2时分复用数据采集接收子系统

时分复用数据采集系统由时分数据采集模块、不极化电极和逻辑控制及时分信号传输模块、工控机PC104等部分组成。从正演结果可以看出，裂缝有2000m的深度（图4d)，有520m的缝长。如果缝长达到100m，电位梯度出现异常的情况较小。在提高信号采集方面做了如下研究：一是对不极化前端传感电极的研制；二是采用先进的技术，如多级信号放大和梳状滤波，目的是对微弱信号的前段进行调理；三是TI公司的高线性度和低功耗ADS1256是A/D采集部分。

51核的EZ-USBFX2系列单片机CY7C68013_100AC内嵌增强型被采用，和FPGA一起接收命令、解析和传输数据，借组USB实现和上位机的通讯，实现了上位机和下位机之间的数据传输。

2.3系统性能指标

双极性方波、双频波以及伪随机波，都是通过油田压裂井地电法双参数联合监测系统发射的，频率输出在0.1～1.0×104Hz之间，电流不超过50A，输出电压不超过600V。就采集通道数而言，接收系统实现了128路同步采集，电极智能切换达到256个，放大倍数为1～8192。

3野外试验

2011年7月，对陕西省富县华北局油田的洛河4井，采用联合监测仪器监测了压裂裂缝，并采取了高精度gps定位系统。同时，中国矿业采用三分量地面BGT-10型微破裂地震仪器对整个压裂过程进行监测。

通过一系列的校正，包括高程、极距、动态基线等，得到水力压裂裂缝方位：牛东4井压裂层有112m的主裂缝长，主裂缝向着NW40°延伸；次裂缝长为40m，走向为NE80°。三分量地震仪测量的结果是：主裂缝有两个走向：NW30°和NE80°。对该油田进行了多次压裂试验，主裂缝走向基本一致，和微地震监测结果偏差不大，说明水力压裂裂缝监测结果真实可靠。

4结论

基于三维有限差分，计算了极化电位和电位梯度。从仿真计算可知，如果高组层位压裂，地表传到电位和极化电位的裂缝方向基本一致，且有明显的异常；相反，地表传到电位基本不变。在野外进行的电阻率储层压裂实验也说明，双参数据融合技术起到提高分辨能力的作用，在有噪声时能精确地指明异常方向和裂缝方位。

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参考文献

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