[发明专利]一种基于分布式光纤声音监测的水力压裂裂缝监测模拟实验装置及方法

权利要求书

1.一种基于分布式光纤声音监测的水力压裂裂缝监测模拟实验装置，其特征在于，包括水力压裂裂缝模拟系统(1)、基于分布式光纤声音监测系统(2)、工作液供给系统(3)和产出液收集系统(4)；

所述工作液供给系统(3)为水力压裂裂缝模拟系统(1)供给液体；

所述产出液收集系统(4)负责收集水力压裂裂缝模拟系统(1)排出的液体；

所述基于分布式光纤声音监测系统(2)负责实时监测所述水力压裂裂缝模拟系统(1)中各个模拟条件改变时所对应产生的声音信号；

所述基于分布式光纤声音监测系统(2)通过铠装光缆(205)与水力压裂裂缝模拟系统(1)相连，水力压裂裂缝模拟系统(1)经流体接入孔通过井筒入流流体管线(316)、(317)、(318)与工作液供给系统(3)相连；产出液收集系统(4)通过井筒流出流体管线(325)与水力压裂裂缝模拟系统(1)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤声音监测的水力压裂裂缝监测模拟实验装置，其特征在于，所述水力压裂裂缝模拟系统(1)包括模拟井筒(101)、模拟井筒上堵头(102)、模拟井筒下堵头(103)、裂缝模拟系统；所述裂缝模拟系统与模拟井筒(101)上设置的射孔孔眼相连；所述模拟井筒上堵头(102)上设置有光缆穿越孔(105)，供铠装光缆(205)穿越进入模拟井筒(101)的内部空间；所述模拟井筒下堵头(103)上设置有流体穿越孔(104)：

当其与井筒流出流体管线(325)相连时，供工作液流出模拟井筒(101)；

当其与井筒入流流体管线相连时，供工作液流入模拟井筒(101)；

所述基于分布式光纤声音监测系统(2)包括声音信号接收器(202)、激光光源(201)、计算机处理与显示系统(203)、数据通信缆(204)、铠装光缆(205)和光缆声音信号光纤线(206)；

所述铠装光缆(205)通过光缆穿越孔(105)并布设在模拟井筒(101)的内部空间中，以模拟分布式光纤管内暂时性安装监测井筒流体流动；

计算机处理与显示系统(203)通过数据通信缆(204)与声音信号接收器(202)相连，将从声音信号接收器(202)上得到的沿铠装光缆(205)的声音分布数据进行处理，并利用内置的水力压裂过程与压后生产过程监测解释模块进行监测数据解释，以图形和数据方式显示压裂层段位置、进入裂缝模拟系统的流体流量分布和支撑剂体积分布以及产液层段位置和各个压后产液层段的流体流量分布；

所述的水力压裂过程与压后生产过程监测解释模块包括数据预处理模块、压裂过程解释模块和压后生产解释模块：

所述数据预处理模块用于得到与水力压裂过程中压裂液携带支撑剂进入模拟裂缝流动相关的去噪以后的声音数据，包括步骤1-1)-1-3)：

1-1)采用频率-空间反褶积滤波器对模拟水力压裂过程监测过程中采集的声音数据进行处理，得到去除随机尖峰噪声的声音数据；

1-2)采用带通滤波器将声音数据的频率范围限制在压裂液携带支撑剂进入模拟裂缝流动的冲击能量范围内，从而消除数据中无关的噪声信号；

1-3)得到与水力压裂过程中压裂液携带支撑剂进入模拟裂缝流动相关的去噪以后的声音数据；

所述数据预处理模块用于得到与压后生产过程中地层流体流经裂缝中的支撑剂进入模拟井筒流动相关的去噪以后的声音数据，还包括步骤1-4)-1-6)：

1-4)采用频率-空间反褶积滤波器对模拟压后生产过程监测过程中采集的声音数据进行处理，得到去除随机尖峰噪声的声音数据；

1-5)采用带通滤波器将声音数据的频率范围限制在地层流体流经裂缝中的支撑剂进入模拟井筒流动的冲击能量范围内，从而消除数据中无关的噪声信号；

1-6)得到与压后生产过程中地层流体流经裂缝中的支撑剂进入模拟井筒流动相关的去噪以后的声音数据；

所述压裂过程解释模块包括：建立声强坐标系和生成声强“瀑布图”，包括：

2-1)建立声强坐标系，模拟井筒长度为横坐标、对压裂液携带支撑剂进入模拟裂缝流动的声音监测的时间为纵坐标；

2-2)利用与水力压裂过程中压裂液携带支撑剂进入模拟裂缝流动相关的声音数据在上述声强坐标系中绘制声强“瀑布图”：

2-3)定义压开的压裂层段：

从声强“瀑布图”上在模拟压裂层段所覆盖的位置范围内提取任意时刻的声强随模拟井筒长度变化的曲线；以在模拟压裂层段所覆盖的位置范围内所提取的任意时刻的声强随模拟井筒长度变化曲线的最小声强值为基础作一条水平线；

根据各个模拟压裂层段所覆盖的位置范围，采用面积法计算各个模拟压裂层段所覆盖的位置范围内由最小声强值为基础作的水平线与声强随模拟井筒长度变化的曲线所包围形成的图形的面积；

然后，计算面积方差：将模拟压裂层段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于1倍面积方差的模拟压裂层段判断为压开的压裂层段；

2-4)计算进入裂缝模拟系统中各个压开的裂缝层段的流体流量和支撑剂体积：

利用“瀑布图”中各个压开的压裂层段所对应的曲线所包围形成的图形的面积计算得到总的图形面积；利用各个压开的压裂所对应的曲线所包围形成的图形的面积和总的图形面积，计算得到各个压开的压裂的面积百分比；将总的注入流体流量乘以各个压开的压裂层段的面积百分比，计算得到进入各个压开的压裂层段的流体流量分布；

根据总的注入流体中支撑剂与压裂液的比例和计算得到各个压开的压裂层段的流体流量，计算出进入各个压开的压裂层段中的支撑剂体积；最后，以图形和数据方式显示压开的压裂层段位置、进入各个压开的压裂层段的流体流量分布和支撑剂体积分布；

所述压后生产解释模块包括：建立声强坐标系和生成声强“瀑布图”，包括：

3-1)建立声强坐标系，模拟井筒长度为横坐标、对地层流体流经裂缝中的支撑剂进入模拟井筒流动的声音监测的时间为纵坐标；

3-2)利用与压后生产过程中地层流体流经裂缝中的支撑剂进入模拟井筒流动相关的声音数据在上述声强坐标系中绘制声强“瀑布图”：

3-3)定义压后产液层段：

从声强“瀑布图”上在模拟压裂层段所覆盖的位置范围内提取任意时刻的声强随模拟井筒长度变化的曲线；以在模拟压裂层段所覆盖的位置范围内所提取的任意时刻的声强随模拟井筒长度变化曲线的最小声强值为基础作一条水平线；

根据各个模拟压裂层段所覆盖的位置范围，采用面积法计算各个模拟压裂层段所覆盖的位置范围内由最小声强值为基础作的水平线与声强随模拟井筒长度变化的曲线所包围形成的图形的面积；

然后，计算面积方差：将模拟压裂层段所对应的曲线所包围形成的图形的面积大于1倍面积方差的模拟压裂层段判断为压后产液层段；

3-4)计算裂缝模拟系统中各个压后产液层段的流体流量：

利用各个压后产液层段所对应的曲线所包围形成的图形的面积和总的图形面积，计算得到各个压后产液层段的面积百分比；将总的产出流体流量乘以各个压后产液层段的面积百分比，计算得到各个压后产液层段的流体流量；最后，以图形和数据方式显示压后产液层段位置、各个压后产液层段的流体流量分布；

优选的，所述铠装光缆(205)在水力压裂裂缝模拟系统(1)的模拟井筒(101)内部空间中采用直线形状或螺旋形状布设；所述铠装光缆(205)在水力压裂裂缝模拟系统(1)的模拟井筒(101)内部空间中布设在模拟井筒(101)的底部、中部、上部或者模拟井筒(101)中的任意位置。