本发明涉及勘查地球物理领域的油气开发技术领域，更具体地，涉及一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测方法和系统。
背景技术：
在石油领域，压裂是指采油或采气过程中，利用水力作用，使油气层形成裂缝的一种方法，又称水力压裂。压裂是人为地使地层产生裂缝，改善油在地下的流动环境，使油井产量增加，对改善油井井底流动条件、减缓层间和改善油层动用状况可起到重要的作用。压裂的方法分水力压裂和高能气体压裂两大类，水力压裂是靠地面高压泵车车组将流体高速注入井中，借助井底憋起的高压，使油层岩石破裂产生裂缝。为防止泵车停止工作后，压力下降，裂缝又自行合拢，在地层破裂后的注入液体中，混入比地层密度大数倍的砂子，同流体一并进入裂缝，并永久停留在裂缝中，支撑裂缝处于开启状态，使油流环境长期得以改善。当前水力压裂技术已经非常成熟，油井增产效果明显，早已成为人们首选的常用技术。
油气井实施压裂改造措施后，需要有效的监测方法来确定压裂作业效果，获取压裂诱导裂缝导流能力、几何形态、复杂性及其方位等诸多信息，以改善页岩气藏压裂增产作业效果以及气井产能，并提高页岩气采收率。现有技术中的监测方法要有：井下微地震、直接近井筒裂隙监测、分布式声感器。井下微地震监测法是根据流体注入可诱发微地震事件的原理，利用返回的波场对储气层裂缝的响应特征，进行波场响应分析，得出相应压裂的监测反应结果；微地震监测是页岩气储层水力压裂改造过程中的配套技术，但目前由于微地震监测技术限制，因地震波在地层中传播时信号会不断衰减、井筒环境噪音大、泵压及泵速等原因，不能十分有效直观地描绘水力压裂改造储层的裂缝的生长过程、几何形状和空间展布；直接近井筒裂隙监测法原理：监测技术是通过测井压裂后页岩气井的流体物理特性，反演近井筒范围裂缝参数信息，主要包括同位素示踪剂法、温度测井等等；但直接近井筒裂隙监测法不具备实时监测功能，监测范围小，通常只能作为补充手段；分布式声传感监测方法是利用光纤作为声音传感传输介质实时监测光纤沿线的声音分布情况，进而获取裂缝信息；分布式声感器监测法对裂缝的倾角、方位有很好的反应，但不能有效反应复杂裂缝的缝宽、缝高等数据。
因此，由于油气井实施压裂改造措施后，需要有效的监测方法来确定压裂作业效果，获取压裂诱导裂缝导流能力、几何形态、复杂性及其方位等诸多信息，改善页岩气藏压裂增产作业效果以及气井产能，并提高页岩气采收率。压裂层位深度一般大于1000m，厚度几十米甚至十几米，数值模拟异常有8％，实测异常只有5％，信号极其微弱，稍有干扰就无法分辨；其次要实现压裂实时监测，野外数据采集与传输应具有时效性，传统的反演技术，可靠度不超过60％，横向和纵向的分布无能为力，常规反演手段无法提取深部压裂层位的电阻率变化，不能有效反应复杂裂缝的缝长、缝宽、缝高等。
技术实现要素：
本发明提供一种克服上述问题或至少部分地解决上述问题的一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测方法和系统，解决了现有技术中反演手段可靠度低，无法提取深部压裂层位的电阻率变化，不能有效反应复杂裂缝的缝长、缝宽、缝高的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测方法，包括：
每个压裂段施工过程中，在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层同时发射包含不同频率的电磁波激励信号，获取压裂导眼井监测范围内若干监测点处在压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号；
基于压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号得到各个监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率，并根据所述残差电场或残差磁场或残差电阻率得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度，及其对应的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分；
构建页岩气压裂的地球物理模型，建立压裂响应的量板，将每个监测点的电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分随时间的变化特征与所述量板进行匹配，得到压裂裂缝的四维几何特征。
作为优选的，每个压裂段施工前还包括：
在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层布置的包括若干主频及谐波的信号发射源，所述信号发射源包括电磁波激励信号激发源和电偶极子。
作为优选的，在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层发射不同频率的电磁波激励信号后还包括：
记录不同频率电磁波激励信号对应的电流强度。
作为优选的，基于压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号得到各个监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率，具体包括：
获取监测点在压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中不同频率电磁波激励信号对应电场信号或磁场信号，根据不同频率电磁波激励信号对应的电流强度对压裂过程中电场信号或磁场信号归一化，并根据监测点在压裂前的电场信号或磁场信号得到监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率。
作为优选的，根据所述残差电场或残差磁场得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度具体包括：
基于所述残差电场或残差磁场得到频率-残差电场或频率-残差磁场或频率-残差电阻率的关系，对所述频率-残差电场或频率-残差磁场或频率-残差电阻率关系中的负异常进行积分处理，得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度，及对应的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分。
作为优选的，将每个监测点的电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分随时间的变化特征与所述量板进行匹配，具体包括：
计算得到随压裂推进不同时间的各监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率的一阶空域矢量差分，将所述一阶空域矢量差分与建立的量板进行对比，得到压裂裂缝的第一四维几何特征；
计算得到随压裂推进不同时间的各监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率的二阶空域矢量差分，将所述二阶空域矢量差分与建立的量板进行对比，得到压裂裂缝的第二四维几何特征；
根据所述第一四维几何特征、第二四维几何特征得到压裂裂缝几何特征随时间的变化。
作为优选的，所述四维几何特征包括压裂裂缝的缝长、缝高、缝宽、改造体积。
一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测系统，包括：
电磁波激励源，用于在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层发射不同频率的电磁波激励信号；
电场或磁场信号监测装置，用于获取压裂导眼井监测范围内若干监测点处在压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号；
信号处理器，用于基于压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号得到各个监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率，并根据所述残差电场或残差磁场或残差电阻率得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度，及其对应的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分；构建页岩气压裂的地球物理模型，建立压裂响应的量板，将每个监测点的电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分随时间的变化特征与所述量板进行匹配，得到压裂裂缝的四维几何特征。
作为优选的，所述电场或磁场信号监测装置包括若干电场监测传感器或磁场监测传感器、监测接收主机，所述电场监测传感器或磁场监测传感器布置于所述压裂导眼井监测范围内，且所述电场监测传感器或磁场监测传感器连接所述监测接收主机，所述监测接收主机用于连续监测每个压裂段不同压裂时间压裂目标层对电磁波激励信号响应的电场信号或磁场信号。
作为优选的，所述电磁波激励源包括电磁波激励信号激发源和电偶极子。
本发明提出一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测方法和系统，利用伪随机电磁波对压裂目标区进行激发，通过压裂前后不同频率电磁波的电场空域矢量差分反馈，分析压裂层相关宏观物理参数与微观结构的相互联系，建立压裂层电磁岩石物理模型，阐明裂缝的缝长、缝高、缝宽、改造体积等裂缝几何特征，建立解释量板；能够高效的、经济的、有效的对油气资源的压裂进行实时监测，获得压裂目标区四维(x、y、z、t)的电场参数，对压裂井各压裂段进行压裂效果评价，有效的指导压裂作业施工，大大的降低压裂监测成本、提高压裂监测效果，从而提高单井的产量，对我国油气资源开发过程当中单井产量的提高具有重要的作用。
附图说明
图1为根据本发明实施例的油气压裂裂缝四维几何特征实时监测方法流程示意图；
图2为根据本发明实施例的电磁波激励信号激发源和电偶极子坐标系统示意图；
图3为根据本发明实施例的裂缝残差电阻率曲线与建立的量板的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，图中示出了一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测方法，包括：
每个压裂段施工过程中，在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层同时发射包含不同频率的电磁波激励信号，获取压裂导眼井监测范围内若干监测点处在压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号；
基于压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号得到各个监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率，并根据所述残差电场或残差磁场或残差电阻率得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度，及其对应的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分；
构建页岩气压裂的地球物理模型，建立压裂响应的量板，将每个监测点的电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分随时间的变化特征与所述量板进行匹配，得到压裂裂缝的四维几何特征。基于上述所获得的监测信息分析，可以优化和调整压裂施工参数(包括段间距、簇间距、压力等)、水平井井网密度调整。
具体的，在本实施例中，每个压裂段施工前还包括：
在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层布置的包括若干主频及谐波的信号发射源，所述信号发射源包括电磁波激励信号激发源和电偶极子(电极a和b)，如图2所示。
具体的，在本实施例中，在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层发射不同频率的电磁波激励信号后还包括：
记录不同频率电磁波激励信号对应的电流强度。
作为优选的，基于压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号得到各个监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率，具体包括：
获取监测点在压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中不同频率电磁波激励信号对应电场信号或磁场信号，根据不同频率电磁波激励信号对应的电流强度对压裂过程中电场信号或磁场信号归一化，并根据监测点在压裂前的电场信号或磁场信号得到监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率。
监测接收机首先获得不同压裂阶段各监测点的电位差数据计算出电场，eif＝δvif/(iif·mn)，利用磁棒采集hif，其中i表示监测点位置，f表示频率，mn表示监测点的距离。
利用压裂前和压裂过程中各监测点的电位差数据，计算出残差电场或残差磁场或残差电阻率，公式如下：
其中t0表示压裂前，t表示压裂过程中某一时刻。
在本实施例中，根据所述残差电场或残差磁场得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度具体包括：
基于所述残差电场或残差磁场得到频率-残差电场或频率-残差磁场或频率-残差电阻率的关系，对所述频率-残差电场或频率-残差磁场或频率-残差电阻率关系中的负异常进行积分处理，得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度，及对应的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分。
具体的，具体的，在本实施例中，计算残差电场或残差磁场或残差电阻率的一阶空域矢量差分过程简介如下；
残差电场的一阶差分：
残差磁场的一阶差分：
残差电阻率的一阶差分：
具体的，在本实施例中，计算残差电场或残差磁场或残差电阻率的二阶空域矢量差分过程简介如下：
残差电场的二阶差分：
残差磁场的二阶差分：
残差电阻率的一阶差分：
具体的，在本实施例中，以压裂区的地球物理资料构建页岩气压裂的地球物理模型，建立压裂响应的量板。
在本实施例中，将每个监测点的电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分随时间的变化特征与所述量板进行匹配，具体包括：
计算得到随压裂推进不同时间的各监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率的一阶空域矢量差分，将所述一阶空域矢量差分与建立的量板进行对比，得到压裂裂缝的第一四维几何特征，包括压裂裂缝的缝长、缝高、缝宽、改造体积等；
计算得到随压裂推进不同时间的各监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率的二阶空域矢量差分，将所述二阶空域矢量差分与建立的量板进行对比，得到压裂裂缝的第二四维几何特征，包括压裂裂缝的缝长、缝高、缝宽、改造体积等；
根据所述第一四维几何特征、第二四维几何特征得到压裂裂缝几何特征随时间的变化。
如图3所示，将残差电场、残差磁场，残差电阻率的一阶、二阶空域矢量差分及其特征曲线与量板进行匹配，从而获得压裂裂缝的缝长、缝高、缝宽、改造体积等几何特征。利用实时获取的几何特征随时间的变化，描述压裂裂缝随压裂进程的生长过程。
本实施例中还提供了一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测系统，包括：
电磁波激励源，用于在平行或垂直于水平井方向设定距离外向压裂目标层发射不同频率的电磁波激励信号；
电场或磁场信号监测装置，用于获取压裂导眼井监测范围内若干监测点处在压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号；
信号处理器，用于基于压裂前的电场信号或磁场信号和压裂过程中的电场信号或磁场信号得到各个监测点的残差电场或残差磁场或残差电阻率，并根据所述残差电场或残差磁场或残差电阻率得到电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度，及其对应的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分；构建页岩气压裂的地球物理模型，建立压裂响应的量板，将每个监测点的电场残差度或磁场残差度或电阻率残差度的一阶空域矢量差分、二阶空域矢量差分随时间的变化特征与所述量板进行匹配，得到压裂裂缝的四维几何特征。
在本实施例中，所述电场或磁场信号监测装置包括若干电场监测传感器或磁场监测传感器、监测接收主机，所述电场监测传感器或磁场监测传感器布置于所述压裂导眼井监测范围内，且所述电场监测传感器或磁场监测传感器连接所述监测接收主机，所述监测接收主机用于连续监测每个压裂段不同压裂时间压裂目标层对电磁波激励信号响应的电场信号或磁场信号。
在本实施例中，所述电磁波激励源包括电磁波激励信号激发源和电偶极子。
综上所述，本发明实施例提供的一种油气压裂裂缝四维几何特征实时监测方法和系统，利用伪随机电磁波对压裂目标区进行激发，通过压裂前后不同频率电磁波的电场空域矢量差分反馈，分析压裂层相关宏观物理参数与微观结构的相互联系，建立压裂层电磁岩石物理模型，阐明裂缝的缝长、缝高、缝宽、改造体积等裂缝几何特征，建立解释量板；能够高效的、经济的、有效的对油气资源的压裂进行实时监测，获得压裂目标区四维(x、y、z、t)的电场参数，对压裂井各压裂段进行压裂效果评价，有效的指导压裂作业施工，大大的降低压裂监测成本、提高压裂监测效果，从而提高单井的产量，对我国油气资源开发过程当中单井产量的提高具有重要的作用。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或网络设备等)执行各个实施例或实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。