[发明专利]基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测系统及方法

权利要求书

1.基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，

采用的监测系统，包括以压裂井为圆心且半径为500m范围内对称设置至少四口监测井，设置在监测井内的成对设置的超声波发射器和超声波接收器，以及对应监测井设置的指挥车；

监测井井深不小于压裂井井深，压裂井与任意两监测井不位于水平面的同一条直线上，指挥车分别与对应监测井中依次均匀串联的多对的超声波发射器和超声波接收器连接交互；

指挥车包括依次交互的多功能控制面板、控制器和波形信息存储系统；多功能控制面板连接超声波发射器，波形信息存储系统连接超声波接收器；

包括以下步骤：

步骤1，对监测系统进行初始化设置，参数设置完毕后监测系统进入采集状态，等待现场注水压裂；

步骤2，控制n个超声波发射器间隔采集周期，以设定的入射角逐一发射超声波信号；每个超声波发射器发射超声波信号后，所有的n个超声波接收器共同接受反射信号，并记录该超声波信号经过多次反射之后的接收时间差；采集周期内所有超声波接收器均能够完成反射信号的接收；

步骤3，指挥车收集到的信息通过无线网络上传至主控制系统；通过接收器接受到的波形信息，指挥车上的子控制系统测定包括时间、波形频率和波形强弱的一系列数据，将这些数据传输到主控制系统中进行统一数据存储和总体分析，经过解一系列方程，得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。

2.根据权利要求1所述的基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，步骤3中，通过如下计算，得到接收反射波的角度和裂缝边缘的位置；

步骤3.1，超声波发射器发射超声波脉冲的角度通过主控制系统根据下式统一确定；

θ_i＝arctan(250/i/h)/3.14×180

其中：θ_i为第i个超声波发射器发射超声波脉冲的入射角度，i＝0,1,2,3,4,5…，n；h为监测井井深；

步骤3.2，根据三角形正弦定理和余弦定理，根据下式计算得到发射波和反射波构成的三角形边长，由此得出两次反射波和发射波构成的两个三角形；

其中：l_i3、l_i4分别为对应裂缝内三角形的发射波和反射波边长长度，t_i1为第i个超声波从发射到到达裂隙的传播时间，t_i3为第i个超声波从第一次折射到第二次反射在裂隙内的传播时间，t_i4为第i个超声波从第二次反射到第二次折射在裂隙内的的传播时间，t_i5为第i个超声波从第二次折射到被接收的传播时间；l_i1和l_i5分别为第i个超声波对应各传播时间的传播距离，θ_i1和θ_i4分别为第i个超声波第一次反射和第二次折射的入射角，和分别为第i个超声波第一次折射和第二次折射的折射角；

步骤3.3，根据反射角和入射角相同原理，判定裂缝的倾角，进一步确定超声波传播距离；

步骤3.4，对超声波每个入射角的所有接收到的反射信号重复步骤3.1-3.3，从而能够根据每一对超声波的发射波和反射波形成的两个三角形中，得到对应发射波的边长之差和倾角，从而测出裂缝的缝长、缝宽、缝高和方位；从而得出接收反射波的角度和裂缝边缘的位置。

3.根据权利要求1所述的基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，采集周期设置为3s。

4.根据权利要求1所述的基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，步骤1中，根据现场监测要求进行监测系统参数设置，包括信号采集时间为1min、采样率50kHz和超声波入射角参数。

5.根据权利要求1所述的基于超声波发射法的水力压裂裂缝监测方法，其特征在于，多功能控制面板通过三芯电缆与n个超声波发射器依次串联，超声波发射器相互间隔距离设置为压裂井井深的n分之一，n为正整数。