阅读说明：本技术 一种水力压裂震电信号联合处理方法 (Hydraulic fracturing seismoelectric signal combined processing method ) 是由 王俊秋 雍皓 罗世豪 马立伟 孙佳 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉一种水力压裂震电信号联合处理方法,包括利用采集系统中的微地震信号与成像技术获取到裂缝的长度及宽度信息；利用采集系统中的震电信号获取到裂缝的方向信息；结合两种方法的数据处理结果,进行震电联合数据解释,获得裂缝完整的长度、宽度及走向参数。能在水力压裂过程中无需其他激发源的条件下,监测岩层破裂所产生的微地震信号以及震电效应所产生的震电信号,完成对压裂裂缝位置、方向、长度、宽度等参数信息的精确评估。(The invention relates to a hydraulic fracturing seismoelectric signal joint processing method, which comprises the steps of acquiring the length and width information of a crack by utilizing microseismic signals in an acquisition system and an imaging technology; acquiring the direction information of the crack by using a seismoelectric signal in an acquisition system; and (4) combining the data processing results of the two methods, and performing seismoelectric combination data interpretation to obtain the complete length, width and strike parameters of the crack. The method can monitor the micro seismic signals generated by rock stratum fracture and the seismic electric signals generated by the seismoelectric effect without other excitation sources in the hydraulic fracturing process, and complete accurate evaluation of parameter information such as the position, direction, length, width and the like of the fracturing fracture.)

一种水力压裂震电信号联合处理方法

技术领域

本发明属于涉及水力压裂的地球物理勘探研究技术领域，具体地说涉及水力压裂震电信号联合处理方法。

背景技术

随着社会的发展，我国对石油的需求量逐年上升，然而国内石油开采量却没有明显的提高，为了满足巨大的石油需求量只能依赖于进口石油。目前世界上通过水力压裂的方法可以使油田有效地增产，通过在地下注入压裂液形成人工裂缝，从而改善油层的渗透条件，疏通堵塞，提高油井产量。压裂裂缝参数的准确描述将直接关系到压裂效果的评价和下一步压裂施工的选择。微地震法是水力压裂过程中常用的监测方法，微地震方法主要是通过监测压裂过程中岩层破裂所发生的微地震事件，来获得裂缝的方向、长度、位置、变化和发育程度等信息。

在水力压裂过程中，会向地层注入大量含支撑剂的、呈低阻性的、具有一定粘度的压裂液，这就会使储层和围岩的电阻率发生明显的变化。而地震波传播遇到具有电化学性质或者弹性差异的分界面时会诱发第二类震电效应，此时，电荷平衡受到扰动，导致电荷分布的不对称性，形成界面电磁场。产生的震电信号(一种电磁信号)能够反应含流体储层的孔隙度、渗透率等关键参数，也能直接反应储层流体性质，因此震电效应对地下油气藏勘探具有重大意义。

单一的探测方法具有对裂缝解释不准确和地层参数评估不完善的问题，而同时监测震动与电磁两种地球物理信号，能够对压裂裂缝进行更加准确的解释分析，有效地促进油气勘探开发。

CN205562840U公开了一种联合地震数据、电法数据的水力压裂震电联合探测系统。该系统虽然在水力压裂过程中联合了微地震法和电法对压裂裂缝进行多角度、更全面的解释，但由于在含流体介质中震动信号和电磁信号能够互相转化导致所采集到的信号的成因复杂，影响数据处理结果的准确性。

CN205620357U公开了一种震电信号的实验测量系统，提供了能进行实验室震电信号测量的测试平台，便于进行震电信号实验研究。但该系统需要超声波换能器作为主动激发源，不适用于水力压裂过程没有主动源的情况，此外，野外震电信号需要专业的采集系统进行采集、处理、存储。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种水力压裂震电信号联合处理方法，解决了背景技术中含流体介质震动信号、电磁信号易相互转化、信号采集不便、数据难于处理、需要超声波换能器作为主动激发源等缺点。

本发明是这样实现的，

一种水力压裂震电信号联合处理方法，该方法包括：

利用采集系统中的微地震信号与成像技术获取到裂缝的长度及宽度信息；

利用采集系统中的震电信号获取到裂缝的方向信息；

结合两种方法的数据处理结果，进行震电联合数据解释，获得裂缝完整的长度、宽度及走向参数；

利用采集系统中的微地震信号与成像技术获取到裂缝的长度及宽度信息包括：

S1，利用逆时偏移法将每个采集站的地震波数据向地震发生时刻偏移一段时间，从震源处到这个采集站地震波需要的走时偏移后所有采集站的地震波形具有相同的相位；

S2，将逆时偏移后的多道震幅进行相加处理，相位相同，则信号的赋值会发生明显的增大，相位不同的情况下，信号会衰减，从而获得微地震事件发生时能量聚焦的时间和位置；

S3、利用逐次剖分微地震事件定位方法从步骤S2获得的微地震事件发生时能量聚焦的时间和位置区域中相对大的区域体元开始剖分，对所有体元扫描完毕后选择局部极大值，若体元大小满足精度要求则保存为微地震事件，否则将新目标区域划分为更小的体元进行扫描。

进一步地，

所述步骤S3具体包括：

步骤S31、按照较大的体元尺寸划分目标范围；

步骤S32、根据分辨率设定好体元的具体尺寸，对整体区域内完成划分，得到若干同样大小的体元；

步骤S33、完成每个体元到采集站连接的检波器距离的计算过程，由地震波的传播速度可知每一个检波器的走时，将所有的走时保存起来，制作成到时表；

步骤S34、对每一个检波器拾取到的信号按照其对应走时的负数在时间轴上移动，其他检波器拾取到的信号对于同一个体元将利用同样的办法解决；

步骤S35、将平移过的数据线进行叠加得到一条相对于当前体元叠加后的数据线，来消除当前体元到每个检波器的走时偏差，根据叠加后的波形判断是否有微震事件发生；

步骤S36、所有的体元完成上述操作后，获得一个目标区域内的四维数组，从数组中最大的一个局部极大值开始，对每一个局部极大值通过洪水填充算法进行处理，以判断其是否为真实震源；

步骤S37、对当前体元的尺寸进行判断，若能够满足目前的精度则把当前的震源点当做最终的震源点位置，若不能够满足设定的精度要求，将把当前的震源点作为中心，参照前面步骤S31下的区域划分尺寸对目标区域进行重新规划，之后重复步骤S32到S36。

进一步地，

利用采集系统中的震电信号获取到裂缝的方向信息包括：

S4利用地形校正技术对震电信号消除因地形高层差导致的两电极间距离的误差；

S5采用低通滤波方法滤除步骤S4消除误差后信号的50Hz工频干扰；

S6利用视差分电位梯度成像技术对步骤S5滤波后的数据处理得到显示目标区域电位异常的电位梯度变化曲线，该曲线直接显示裂缝在水平方向上的走向，压裂或注水前后的电位梯度值由如下公式求解：

设压裂或注水前的电位梯度值为

压裂或注水后的电位梯度值为

根据可得电位梯度差值

最终得出在区域内的各个方向视差分电位梯度值。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明是在传统的水力压裂微地震方法的基础上充分利用了含流体地层的物理特性，增加了监测由震电效应产生的震电信号的方法，且两种信号不会相互干扰，通过两种探测方法相互验证使得压裂裂缝的参数信息更为准确；本发明所述采集系统更加集成化，不需要附带信号激发源，一定程度上节省了人力、物力，增强了在野外勘探的实用性；本发明所述数据处理方法能够在保证定位精度的前提下，极大的提高计算效率。

附图说明

图1为本发明水力压裂震电信号采集系统结构框示意图；

图2为本发明采集站单元结构框示意图；

图3为本发明震幅叠加示意图；

图4为本发明方法中定位的流程图；

图5为本发明方法体元逐级剖分示意图，其中(a)为上一级的剖分，(b)进行更小体元的剖分。

图6是本发明采集站单元的分布图；

图7是本发明方法步骤S4中的坐标系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1结合图2所示，一种水力压裂震电信号采集系统，主要由多台功能相同的水力压裂震电信号采集站单元21为中心按星形阵列向外发射排列排列组成(参见图6)，每个采集站单元21包括STM32中央控制单元13、实时时钟14、SD卡15、网络通信模块16等，STM32中央控制单元13的两个输入端分别连接微地震信号处理通道17和震电信号处理通道20；微地震信号处理通道17输入端设单分量检波器1，后设微地震信号调理电路18，末端设微地震信号处理通道的第一模数转换电路5；微地震信号调理电路18前端设滤波网络2，中间设微地震信号处理通道的第一模拟开关3，末端设微地震信号处理通道全差分放大器4；震电信号处理通道20输入端设一对Pb/PbCl2接收电极6，后设震电信号调理电路19，末端设震电信号处理通道的第二次模数转换电路12；震电信号调理电路19前端设预处理电路7，后依次设震电信号处理通道的第二模拟开关8、震电信号处理通道前置放大器9、带通滤波电路10，末端设缓冲隔离电路11。

单分量微地震检波器1用于采集垂直方向的微地震信号；Pb/PbCl2接收电极6用于采集电位差形式的震电信号。

微地震信号调理电路18中，滤波网络2对微地震信号进行滤波处理，模拟开关3控制该通道的工作状态，全差分放大器4将较微弱的信号进行放大，驱动后端微地震信号模数转换电路5；微地震信号调理电路18与模数转换电路5连接，模数转换电路5将有效的微地震信号转换为可存储的数字信号。

震电信号调理电路19中，预处理电路7可以消除电极接收的直流电平信号、空间辐射的高频信号等干扰，模拟开关8控制震电信号通道的工作状态，前置放大器9将极微弱的震电信号进行放大，带通滤波电路10的通频带范围为5kHz～25kHz，允许中心频率为15kHz的震电信号通过，缓冲隔离电路11可以消除震电信号调理电路19与模数转换电路12之间的相互干扰，减少震电信号调理电路19受到的干扰；震电信号调理电路19与模数转换电路12连接，模数转换电路12将处理过的震电信号转换为可存储的数字信号。

STM32中央控制单元13输入端分别连接微地震信号处理通道模数转换电路5和震电信号处理通道模数转换电路12的输出端，是本系统主要的控制和处理单元，能够控制两种信号的模数转换处理、存储数据。实时时钟14可以精确地设置实时时间，确保采集站的同步性；SD卡15用以存储STM32中央控制单元13中缓存的数据；网络通信模块16可以与交换机22连接，再连接PC回收所采集的数据。

下面以具体野外试验详细说明本发明的水力压裂震电信号采集系统的采集方法：

1)在压裂井周围按按照探测计划布置采集系统，记录下每个采集站21的位置和相应的站号；将每个站连接上埋好的单分量检波器1和电极对6，其中埋有电极对6的坑位中提前灌注适量的浓盐水，以增强电极与大地的导电性和耦合性。

2)在进行油田压裂之前，各采集站21开机开始数据采集，记录背景噪声场。

3)油田开始水力压裂，实时时钟14记录压裂开始的时间，采集系统开始采集压裂过程所产生的微地震和震电信号。

4)压裂结束，关闭采集站21，回收仪器。

5)将采集站21、交换机22以及PC正确连接，回收数据。

6)进行数据处理，根据压裂后的微地震和震电数据差异，对比压裂前背景噪声场，反演解释得到压裂裂缝的参数信息。

下面以具体数据处理详细说明本发明的水力压裂震电信号联合处理方法，该方法包括：

利用微地震数据处理与成像技术获取到裂缝的长度、宽度等信息。

利用震电监测方法获取到裂缝的方向信息；

结合两种方法的数据处理结果，进行震电联合数据解释，来弥补单一方法带来的不足，实现对水力压裂过程中产生裂缝的精准监测。

所述利用微地震数据处理与成像技术获取到裂缝的长度、宽度等信息包括：

S1利用逆时偏移法将每个采集站的地震波数据向地震发生时刻偏移一段时间，其为从震源处到这个采集站地震波需要的走时，偏移后所有采集站的地震波形都有相同的相位。

S2利用震幅叠加方法将逆时偏移后的多道震幅进行相加处理，相位相同则信号的赋值会发生明显的增大，相位不同的情况下，信号会衰减。从而获得微地震事件发生时能量聚焦的时间和位置；震幅叠加示意图如图3所示。

S3用逐次剖分微地震事件定位方法从步骤S2获得的微地震事件发生时能量聚焦的时间和位置区域中相对较大的区域体元开始剖分，对所有体元扫描完毕后选择局部极大值，若体元大小满足精度要求则保存为微地震事件，否则将新目标区域划分为更小的体元进行扫描。定位流程如图4所示。

进一步地，所述步骤S3具体包括：

1)按照较大的体元尺寸划分目标范围；

2)为达到理想的分辨率应设定好体元的具体尺寸，对整体区域内完成划分，得到若干同样大小的体元；

3)完成每个体元到检波器距离的计算过程，由地震波的传播速度可知每一个检波器的走时。将所有的走时保存起来，制作成到时表；

4)对每一个检波器拾取到的信号按照其对应走时的负数在时间轴上移动，其他检波器拾取到的信号对于同一个体元将利用同样的办法解决。

5)将平移过的数据线进行叠加得到一条相对于这个体元的叠加后的数据线，来消除当前体元到每个检波器的走时偏差。根据叠加后的波形判断是否有微震事件发生。

6)所有的体元完成上述操作后，可获得一个目标区域内的四维数组，从数组中最大的一个局部极大值开始，对每一个局部极大值通过洪水填充算法进行处理，以判断其是否为真实震源。

7)对当前体元的尺寸进行判断，若能够满足目前的精度则可以把当前的震源点当做最终的震源点位置，若不能够满足设定的精度要求，将把当前的震源点作为中心，参照前面步骤下的区域划分尺寸对目标区域进行重新规划，之后重复步骤(2-6)。体元逐级剖分示意图如图5(a)和图(b)所示。

所述利用采集系统中的震电信号获取到裂缝的方向信息包括：

S4利用地形校正技术消除因地形高层差导致的两电极间距离的误差；在进行电位梯度计算时，要分别计算xyz三个方向上的分量为了简化计算，建立三维直角坐标系，使在xoz平面上，此时

在y方向上的分量为零，如图7所示。M、N为两测量电极，为了确定M、N电极在水平方向上的梯度值需要通过地形校正求出M、N之间的距离L在水平方向(ox)上的等效距离。

实际测量过程中测得的数据为M、N之间的电位差，由于高程差的存在，首先求出M、N之间的距离L在ox方向上的投影L·cosα，从而得到沿ox方向的电位梯度大小。

式中，为总电位梯度，为经过地形校正后的电位梯度。

S5采用低通滤波方法滤除50Hz工频干扰。

S6利用视差分电位梯度成像技术得到显示目标区域电位异常的电位梯度变化曲线。压裂或注水前后的电位梯度值可由如下公式求解：

设压裂或注水前的电位梯度值为

压裂或注水后的电位梯度值为根据可得电位梯度差值

最终得出在区域内的各个方向视差分电位梯度值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。