低滲油藏寬帶壓裂中儀表壓力梯度信號(hào)提純技術(shù)

摘 要 針對(duì)滲透率很低的油藏，在水平井注氣過程中，水平井與裂縫布井方位、水平井層位、減氧空氣氧氣含量、注氣速率等參數(shù)，會(huì)對(duì)油藏水驅(qū)的啟動(dòng)壓力梯度信號(hào)形成干擾，影響后期驅(qū)油效果，也會(huì)影響低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)的安全性的問題，提出一種儀表壓力梯度信號(hào)提純技術(shù)，設(shè)計(jì)存在干擾下的壓力梯度擬合方法，利用擬合因子提取信號(hào)特征；油藏的壓力梯度-外部干擾曲線在梯度下降階段是一條上凹型曲線，利用其非達(dá)西滲流特征，設(shè)計(jì)cost函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表信號(hào)數(shù)據(jù)集的代價(jià)函數(shù)求解，完成擬合；分解分量，根據(jù)流體在地層中形成側(cè)向線性驅(qū)替規(guī)律，獲取壓力梯度信號(hào)的自適應(yīng)譜；在外部干擾條件下獲取最佳旋轉(zhuǎn)角，推導(dǎo)獲得直達(dá)波信號(hào)完成信號(hào)提純。實(shí)驗(yàn)證明：該方法針對(duì)低滲油藏寬帶壓裂中儀表的壓力梯度信號(hào)提純效果好，而且波形沒有失真，確保了提純精度。

關(guān)鍵詞 儀表壓力梯度 信號(hào)提純 低滲油藏 信號(hào)波形 稀疏特性

中圖分類號(hào) TN958 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A " 文章編號(hào) 1000-3932（2024）04-0665-06

在低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，信號(hào)提純技術(shù)在儀表信號(hào)傳輸過程中起著重要作用。在進(jìn)行低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)時(shí)，常常會(huì)產(chǎn)生高頻沖擊波和壓力變化。利用壓力梯度儀表進(jìn)行測(cè)量并采集低滲油藏寬帶壓裂壓力信號(hào)，這些突發(fā)信號(hào)可能會(huì)干擾信號(hào)的傳輸和準(zhǔn)確接收。因此，信號(hào)通常需要經(jīng)過一系列的處理和提純，通過消除信號(hào)中的干擾、信號(hào)降噪、增強(qiáng)信號(hào)特征等手段，來提高儀表信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性。化工過程涉及多參量和復(fù)雜的物理、化學(xué)變化。因此，儀器傳感器所獲得的信號(hào)常受多種干擾的影響，如電磁噪聲、溫度變化等，這些干擾會(huì)掩蓋有用信號(hào)并增加信號(hào)提純的難度。目前，針對(duì)信號(hào)提純技術(shù)在化工儀表領(lǐng)域中應(yīng)用的研究很少，有學(xué)者提出了一些信號(hào)處理技術(shù)。文獻(xiàn)［1］提出信號(hào)稀疏特性提純方法，考慮參考通道中混合信號(hào)的變換狀態(tài)，以及變換狀態(tài)對(duì)信號(hào)時(shí)延的敏感性，從多徑干擾信號(hào)中分離出信號(hào)尖峰，實(shí)現(xiàn)信號(hào)提純；但由于干擾信號(hào)的復(fù)雜性，其與目標(biāo)信號(hào)的諧波或者其他相關(guān)性會(huì)導(dǎo)致信號(hào)提純過程中錯(cuò)誤的識(shí)別和分離。文獻(xiàn)［2］提出轉(zhuǎn)子振動(dòng)降噪提純方法，在研究中深度設(shè)計(jì)出信號(hào)速度采集標(biāo)準(zhǔn)，通過混疊信號(hào)的原始模態(tài)，增加針對(duì)原始信號(hào)的分解，在理想基礎(chǔ)環(huán)境下完成信號(hào)降噪，有效完成了信號(hào)提純處理，但該方法在實(shí)際應(yīng)用中缺少對(duì)信號(hào)成分的獨(dú)立分析，因此在低滲油藏寬帶壓裂這種存在多種干擾源和復(fù)雜的環(huán)境中，很可能漏掉直達(dá)波信號(hào)中的重要信息。筆者提出一種針對(duì)低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中的儀表壓力梯度信號(hào)進(jìn)行提純的技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的提純，確保提純精度和波形無失真。

1 壓力梯度信號(hào)的擬合

在低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，注氣過程存在多種干擾因素，可能對(duì)壓力梯度信號(hào)產(chǎn)生不利影響，分析如下：

a. 水平井與裂縫布井方位是重要的干擾因素。裂縫布井方位和水平井的位置、傾角會(huì)影響注入流體的路徑和分布，進(jìn)而影響壓力梯度信號(hào)，不正確的方位或水平井位置可能導(dǎo)致無法充分覆蓋目標(biāo)區(qū)域，降低水驅(qū)效果。

b. 水平井層位也是關(guān)鍵干擾因素，選擇不當(dāng)?shù)木畬游粫?huì)使注入流體與目標(biāo)層錯(cuò)位，導(dǎo)致注入流體偏離有效油區(qū)，無法達(dá)到充分驅(qū)替效果，從而減弱驅(qū)油效果。

c. 減氧空氣氧氣含量和注氣速率也是干擾因素。氧氣含量變化會(huì)直接影響注入流體濃度和壓力，控制注氣速率可調(diào)控均勻性和覆蓋范圍。若未適當(dāng)控制氧氣含量和注氣速率，可能導(dǎo)致壓力梯度信號(hào)失真，進(jìn)而影響水驅(qū)效果。

考慮到以上干擾因素，設(shè)計(jì)存在干擾下的壓力梯度擬合方法勢(shì)在必行。在注氣過程中，壓力梯度信號(hào)受到多種干擾因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)失真、出現(xiàn)噪聲。在低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，油藏的壓力梯度-外部干擾曲線是一種反映注氣過程信號(hào)特征的重要曲線。在這個(gè)曲線的梯度下降階段，曲線呈現(xiàn)上凹型特點(diǎn)，形成一條明顯的峰值。通過分析低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中的壓力梯度-外部干擾曲線可以發(fā)現(xiàn)，特定階段下的梯度下降區(qū)域具有非達(dá)西滲流特征（非達(dá)西滲流是指在多孔介質(zhì)中的流體運(yùn)動(dòng)速度不均勻的現(xiàn)象，更多集中在裂縫等通道中，而不是在整個(gè)介質(zhì)中均勻分布）。基于這一特點(diǎn)，通過擬合因子和代價(jià)函數(shù)的設(shè)計(jì)，提取出壓力梯度信號(hào)中具有非達(dá)西滲流特征的部分，設(shè)計(jì)一個(gè)適應(yīng)性的cost函數(shù)，求解其代價(jià)函數(shù)，提取出具有非達(dá)西滲流特征的壓力梯度信號(hào)，去除干擾信號(hào)并初步分離目標(biāo)信號(hào)。

建立信號(hào)功率譜的擬合因子特征提取，對(duì)壓裂作業(yè)中的待識(shí)別信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)記，擬合過程［3］如下：

Data=（X，Y）=［（x（1），y（1）），（x（2），y（2）），…，（x（m），y（m））］ （1）

其中，m表示擬合過程中的向量參數(shù)；（X，Y）表示擬合過程中信號(hào)的橫、縱傳輸方向；x表示儀表壓力梯度信號(hào)功率譜的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集；y表示信號(hào)功率。

此時(shí)獲得了儀表壓力梯度信號(hào)的多項(xiàng)擬合最優(yōu)解，在梯度下降階段，去除干擾信號(hào)并初步分離目標(biāo)信號(hào)，更有利于對(duì)信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的有效提純。

2 儀表壓力梯度信號(hào)自適應(yīng)譜計(jì)算

3 儀表壓力梯度信號(hào)提純技術(shù)

上文通過對(duì)儀表信號(hào)的接收通道進(jìn)行分?jǐn)?shù)階小波變換，分離出儀表的直達(dá)波信號(hào)和多徑干擾信號(hào)，由于這兩種類型的信號(hào)通常混疊于信號(hào)時(shí)頻區(qū)域，在稀疏域上能更好地實(shí)現(xiàn)二者的分離，利用濾波器完成對(duì)其他多徑干擾信號(hào)的有效抑制，但受到濾波器的設(shè)計(jì)局限，在抑制多徑干擾信號(hào)的同時(shí)，很難實(shí)時(shí)保留直達(dá)波信號(hào)。考慮到這一局限問題，參考小波變換關(guān)系及對(duì)應(yīng)條件，從變換域的角度出發(fā)，根據(jù)尖峰參數(shù)深度推導(dǎo)出直達(dá)波參數(shù)，在外部干擾條件下完成對(duì)儀表壓力梯度信號(hào)的直達(dá)波信號(hào)重構(gòu)提純。

此時(shí)獲取到完整的儀表壓力梯度信號(hào)的提純結(jié)果。具體的提取流程如下：

a. 在固定時(shí)段內(nèi)完成旋轉(zhuǎn)角a的連續(xù)變化，在階次p固定的情況下，變換儀表壓力梯度信號(hào)的小波形態(tài)，轉(zhuǎn)換成參考信號(hào)通道的接收能量，實(shí)現(xiàn)信號(hào)三維分布圖分解；

b. 在信號(hào)分布平面上查找峰值點(diǎn)，根據(jù)峰值點(diǎn)的具體分布位置估算信號(hào)的最佳旋轉(zhuǎn)角和階次；

c. 計(jì)算信號(hào)中純凈直達(dá)波信號(hào)的參數(shù)分量；

d. 根據(jù)估算出的直達(dá)波信號(hào)參數(shù)分量，完成對(duì)應(yīng)的儀表信號(hào)提純。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了深度驗(yàn)證筆者提出的針對(duì)低滲油藏寬帶壓裂中儀表壓力梯度信號(hào)提純技術(shù)的有效性，接下來進(jìn)行相應(yīng)的性能分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

首先，制備與實(shí)際儲(chǔ)層相似的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停x取平均孔隙度為12.3%、平均滲透率為0.22 mD的砂巖露頭上鉆取的小巖心為對(duì)象，測(cè)得其黏度礦物——綠泥石92%、伊利石7%、黏土總量13%，與儲(chǔ)層巖樣對(duì)比，極為接近，可以反映流體儲(chǔ)層中的流動(dòng)特征，儀表壓力梯度信號(hào)提純裝置如圖1所示。設(shè)置寬帶壓裂為復(fù)雜裂縫，裂縫模型尺寸0.41 m×0.12 m，基質(zhì)滲透率300 μm2，裂縫半長(zhǎng)0.13 m，裂縫寬度0.01 mm。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢山且约傲芽p中鉆取深孔，以模擬注水井和采出井，鉆取表層潛孔布設(shè)壓力梯度儀表。

設(shè)置的儀表壓力梯度信號(hào)的直達(dá)波信號(hào)參數(shù)為：儀表信號(hào)帶寬5 MHz，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)8 μs，小波信號(hào)在該方法中使用的調(diào)頻斜率為6.25×1011 Hz/s，將儀表壓力梯度信號(hào)的實(shí)驗(yàn)采樣頻率設(shè)定為100 MHz，信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)為500。為保證實(shí)驗(yàn)中能有效地明確信號(hào)幅值變化，將信號(hào)的歸一化幅度設(shè)置為0.1；在實(shí)驗(yàn)中為確定提純性能及效果，將信噪比設(shè)置為8 dB。在上述實(shí)驗(yàn)初始條件下獲取到的直達(dá)波信號(hào)如圖2所示。

從圖2可以看出，在儀表信號(hào)提純之前，實(shí)驗(yàn)信號(hào)屬混合信號(hào)，其中既包括直達(dá)波信號(hào)又包括不同的多徑干擾信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)中分別通過1、2 μs的延時(shí)模擬兩條多徑干擾信號(hào)，這兩條多徑干擾信號(hào)的幅值分別設(shè)置為10、20 dB。在設(shè)置條件下獲取的混合信號(hào)如圖3所示。

再通過連續(xù)變化階次及旋轉(zhuǎn)角完成對(duì)實(shí)驗(yàn)參考通道接收到儀表信號(hào)的小波變換，在矩陣區(qū)域光纖傳感器的輔助下獲取對(duì)應(yīng)的信號(hào)圖，根據(jù)信號(hào)正交稀疏字典矩陣，獲取實(shí)驗(yàn)通道接收信號(hào)在旋轉(zhuǎn)角最優(yōu)狀態(tài)下的儀表壓力梯度信號(hào)初步提純結(jié)果，如圖4所示。

從圖4可以觀察到所提技術(shù)在低滲油藏寬帶壓裂相關(guān)信號(hào)提純方面取得了顯著效果，圖中顯示了3個(gè)獨(dú)立的尖峰，分別對(duì)應(yīng)著儀表壓力梯度信號(hào)中的直達(dá)波信號(hào)和另外兩個(gè)多徑干擾信號(hào)。這是因?yàn)楣P者方法利用擬合因子和代價(jià)函數(shù)提取具有非達(dá)西滲流特征的壓力梯度信號(hào)，可以全面獲取有效信息，并去除了大部分干擾信號(hào)，有助于提升信號(hào)提取的準(zhǔn)確性。

再?gòu)姆謹(jǐn)?shù)階小波變換的對(duì)應(yīng)關(guān)系出發(fā)，在信號(hào)提純過程中再次消除其中包含的多徑干擾信號(hào)，消除多徑干擾信號(hào)后的旋轉(zhuǎn)角最優(yōu)解下的信號(hào)結(jié)果如圖5所示，消除多徑干擾信號(hào)后的直達(dá)波信號(hào)情況如圖6所示。可以看出，信號(hào)提純后所提方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑干擾信號(hào)的抑制作用，完整保留了直達(dá)波信號(hào)，在信號(hào)波形中直達(dá)波信號(hào)十分接近提純后的純凈信號(hào)，表明所提方法對(duì)信號(hào)的提純效果較好。這是因?yàn)楣P者方法通過基于小波變換的方法進(jìn)行信號(hào)提純，可以有效去除冗余混合部分，并從中獲得低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中的直達(dá)波信號(hào)。由此，在優(yōu)化壓裂操作參數(shù)的過程中，可以更好地了解注氣過程中不同區(qū)域的滲透性分布、相對(duì)滲透率及油水相對(duì)滲透率等重要物理特性。這將有助于優(yōu)化注氣速率、控制注入流體濃度、氧氣含量等操作參數(shù)，從而提高驅(qū)替效果和最大化產(chǎn)能。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證筆者方法的性能區(qū)間，與稀疏特性提純法［1］和轉(zhuǎn)子振動(dòng)降噪提純法［2］進(jìn)行對(duì)比，圖7給出了3種方法在不同信噪比條件下的直達(dá)波信號(hào)提純后的波形失真率。

通過圖7的對(duì)比結(jié)果可以看出，所提方法提純信號(hào)的波形失真率相較于稀疏特性提純方法和轉(zhuǎn)子振動(dòng)降噪提純法要小，這也證明所提方法的信號(hào)提純性能更好。在信噪比逐漸增大的過程中，所提方法經(jīng)過信號(hào)提純后獲取到的信號(hào)波形失真率在不斷減小，說明提純后得到的直達(dá)波信號(hào)精度更高。這是因?yàn)楣P者方法考慮低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中，油藏的壓力梯度信號(hào)受多種干擾因素的影響，導(dǎo)致信號(hào)的失真和噪聲，通過壓力梯度擬合去除了大部分干擾噪聲，進(jìn)一步借助流體在地層中的側(cè)向線性驅(qū)替規(guī)律，通過信號(hào)峰值和小波變換快速得出目標(biāo)直達(dá)波信號(hào)，并提供了準(zhǔn)確的信號(hào)特性信息。這種方法在優(yōu)化壓裂操作參數(shù)、改進(jìn)產(chǎn)能預(yù)測(cè)以及提高生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)和控制能力方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種針對(duì)低滲油藏寬帶壓裂作業(yè)中儀表的壓力梯度信號(hào)提純的技術(shù)。通過設(shè)計(jì)壓力梯度擬合方法，借助非達(dá)西滲流特征提取信號(hào)峰值，有效去除信號(hào)中的干擾成分，實(shí)現(xiàn)直達(dá)波信號(hào)的提純。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在提純效果和信號(hào)準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)良好。該方法的目標(biāo)主要集中在壓力梯度信號(hào)的提純，未來的研究可以進(jìn)一步擴(kuò)展到其他類型的儀表信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)處理，以提高整體低滲油藏的監(jiān)測(cè)和控制準(zhǔn)確性。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-11-27，修回日期：2024-01-24）

Purification Technology for Instrument Pressure Gradient Signals in the Broadband Fracturing of Low Permeability Reservoir

WU Zhen， WU Shuai

（No. 1 Oil Production Plant， CNPC Changqing Oilfield Co.）

Abstract " For reservoirs with very low permeability and the gas injection occurs in the horizontal well， the parameters like the horizontal well and fracture distribution， horizontal well position， oxygen content in the oxygen-reduced air， and the gas injection rate will interfere with the startup pressure’s gradient signals of reservoir water flooding， and affect the effect of later oil flooding， and also influence the safety of broadband fracturing operation in low permeability reservoirs. In this paper， a purification technology for the instrument pressure gradient signal was proposed and a pressure gradient fitting method under interference was designed， including making use of the fitting factor to extract signal features. Considering "upper concave of the reservoir’s pressure gradient-external interference curve in the gradient descent stage， having the non-Darcy flow characteristics based to design cost function was implemented to solve the cost function of the instrument signal’s data set and complete the fitting operation. Through decomposing pressure gradient signal’s component of the instrument， the adaptive spectrum of the pressure gradient signal was obtained according to the lateral linear displacement law of the fluid in the formation， including the optimal rotation angle obtained under the condition of external interference， and the direct wave signal was derived to complete signal purification. The experimental results prove that， the method has a good purification effect on the pressure gradient signals of the instrument in the broadband fracturing of low permeability reservoir， and the waveform is not distorted to ensure purification accuracy.

Key words " instrument pressure gradient， signal purification， low permeability oil reservoir， signal waveform， sparse characteristics