一、裂缝实时监测
㈠监测原理
油水井进行水力压裂时，在射孔位置，当迅速升高的井筒压力超过岩石抗压强度，岩石遭到破坏，形成裂缝，裂缝扩展时，必将产生一系列向四周传播的微震波，微震波被布置在压裂井周围的多个监测分站接收到，根据各分站微震波的到时差，会形成一系列的方程组，求解这一系列方程组，就可确定微震震源位置， 进而计算出裂缝分布的方位、长度、高度及地应力方向等地层参数；同时结合井口压力监测可获得闭合压力、液体滤失系数、液体效率、裂缝宽度等参数。 压裂井裂缝监测技术原理图如下：
㈡技术理论
（1）摩尔-库伦理论
根据摩尔-库伦准则，孔隙压力升高，必会产生微地震，记录这些微地震，并进行微震源定位就可以描述地下渗流场。摩尔-库伦准则是；
τ> =τ0+µ（S1+S2-2P0）/2+µ(S1-S2)COS(2φ)/2
其中：τ=(S1-S2)SIN(2φ)/2
上式表示若左侧不小于右侧时则发生微地震。
式中：τ是作用在裂缝面上的剪切应力；
τ0是岩石的固有法向应力抗剪断强度，数值由几兆帕到几十兆帕，若沿已有裂缝面错断，τ0数值为0；
S1、S2分别是最大、最小主应力；P0是地层压力；
φ是最大主应力与裂缝面法向的夹角。
由上式可以看出，微震易沿已有裂缝面发生，这时τ0为0，左侧易不小于右侧。P0增大，右侧减小，也会使右侧小于左侧，从而诱发沿裂缝面的破裂发生，产生微地震，为我们描述地下渗流场提供了理论依据。
（2）断裂力学准则
断裂力学理论认为，当应力强度因子大于断裂韧性时，裂缝发生扩展，即：
[（P0-Sn）Y/sqr(πl)]∫01 sqr[(1+x)/(1-x)]dx>=kic
当上式成立时，裂缝发生张性扩展。
上式左侧是应力强度因子， kic是断裂韧性， P0是井底注水压力， Sn是裂缝面上的法向应力，Y是裂缝形状因子，l是裂缝长度，x是自裂缝端点沿裂缝面走向的坐标。
由以上破裂形成理论可知，注水会诱发微地震，这就为微地震方法监测水驱前缘提供了理论依据。
（3）微震波的传播与检测
拾震器能否记录到微震信号的关键在于，只有微震信号大于仪器前端分辨率，微地震拾震器才可以把微震信号检测出来。注水诱发的微地震多为张性震源，但也存在剪切震源，由于同等条件下张性震源的张开位移远小于剪切震源的剪切错位，且信号弱得多，故本文仅以张性震源产生的信号强度加以分析。
仪器设置及分析识别理论以记录分析P波为依据，不记录分析S波震相。对张性震源P波位移震幅可以写为：
Aɑ=[ AD (Φ,θ)/(4πρrɑ3 )]·u´3 (t–r/ɑ)·S
A2D(Φ,θ)=λCOS4θ+λ2 SIN4θCOS4Φ+(λ+2μ)2SIN4θSIN4Φ+2λ2 COS2θSIN2θCOS2Φ+2λ(λ+2μ)SIN2θCOS2θSIN2Φ+2λ (λ+2μ)2 SIN4θCOS2ΦSIN2Φ
式中：θ,Φ分别是观测站相对于震源面的仰角和方位角，ɑ是P波波速，λ，μ是拉梅常数，r是传播途径，ρ是传播介质密度。
在地面监测时，则可以假定θ=0，P波位移为：
Aɑ=[λ/(4πρrɑ3 )]·u´3 (t–r/ɑ)·S
在实际监测过程中，信号到达仪器前端的电压强度则需考虑非弹性衰减，则上式改写为：
A1=λ0ω0/(4πρ1r1ɑ13 )]·u´3 (t–r/ɑ)·S0K1F1H1
式中：下标为“0”的参数是与震源有关的参数，与传播途径无关；下标为“1”的参数是地面接收的途径参数，与震源无关。A是地面接收的信号幅值，λ，μ是入射衰减，F是途径衰减，u´(t–r/ɑ)是张开位移u3 (t–r/ɑ)的导数，是震源面张开或闭合的速度，ω是震源的角频率。
在实际应用中，根据野外实际条件及上覆疏松层非弹性强度等对参数进行一系列设置：u´(t–r/ɑ)代表裂缝张开的速度，其平均值可以用u3 /T求取u3裂缝张开宽度，T是微地震周期，F微地震频率，由于所使用拾震器是速度型检波器，故分子上要乘以ω0；K1是拾震器的换能系数，S0是震源面积，H1是地面接收的入射衰减（从高速层进入低速层入射衰减很小），F1是路径衰减也称非弹性衰减。
经过多年在国内多个油田的实际实践，地面接收所获得的电压值一般在5.8微伏以上，目前只要到达仪器输入端的电信号大于1微伏，信号就可以被检测到。
（4）微地震震源定位理论
有的油田油层松软，S波不稳定，本系统拾震器垂直置放，横向衰减大，只记录分析P波。
震源定位过程采用矩阵分析理论，来判别微地震震源坐标。
SQR（（T1- T0）2 V2P -（X1- X0）2 -（Y1- Y0）2 ））-H
SQR（（T2- T0）2 V2P -（X2- X0）2 -（Y2- Y0）2 ））-H
SQR（（T3- T0）2 V2P -（X3- X0）2 -（Y3- Y0）2 ））-H
SQR（（T4- T0）2 V2P -（X4- X0）2 -（Y4- Y0）2 ））-H
SQR（（T5- T0）2 V2P -（X5- X0）2 -（Y5- Y0）2 ））-H
SQR（（T6- T0）2 V2P -（X6- X0）2 -（Y6- Y0）2 ））-H
式中：T1—T6是个分站的P波到时差，T0是发震时刻，（X0，Y0，Z0）是微震震源的空间坐标,（X1 ，Y1，0）...（X6，Y6，0）是分站坐标, VP是P波波速。 T0,X0，Y0，Z0是待求的未知数。
㈢工艺流程
㈣数据处理及解释报告
㈤应用实例
人工压裂时通过嵌入式人工裂缝实时监测，现场就能直观的了解到压裂时是否有裂缝的形成及扩展，现场就能判别出裂缝发育方位；而且经过短时间内的解释处理能够给出人工裂缝发育状况：方位、长度及高度（范围）、以及是否有多条裂缝的形成。
通过对监测资料的细致分析，可为油水井措施的制定、注采方案的调整提供可靠资料。
例一：在新疆某油区进行的14口井的裂缝实时监测，现场均能够直观判断了解到裂缝发育程度及方位，为现场制定下步措施快速直观地提供了可靠的第一手资料（各井监测成果如下表）。
例二：用于直观了解相同地层条件不同压裂方式下，储层破裂状况、裂缝形状与扩展情况。
1．例如沈257-14-024井位于辽宁省新民市大民屯镇小北岳村北，构造上属于辽河盆地大民屯凹陷静安堡油田沈257块，该井完井日期：2007年5月10日；完钻井深：3025m；联入5.0m；水泥返高:1550.2m；人工井底：3009.0m；固井质量：合格；最大井斜:17.8°，方位角225.88°，所在井深:2375.0m。
沈257-14-024井于2007年6月6日进行人工压裂同时进行人工裂缝监测，监测结果表明：
沈257-14-024井压裂实时监测解释结果表
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东翼缝长 |
97.9m |
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西翼缝长 |
107.1m |
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裂缝方位 |
229.8° |
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裂缝高度 |
96.9m |
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产 状 |
垂直 | 
1. 监测结果表明，此次水力压裂产生的主裂缝为垂直裂缝，方位为西南向229.8°，西翼缝长107.1m，东翼缝长97.9m，两翼总缝长205.1m，裂缝带出现高度范围96.9m。
2．从裂缝纵向高度图可以看出。裂缝信号在垂向上压裂井段范围内2875.5m-2972.4m分布均匀,分析认为,压裂产生裂缝两翼对称，上下层段造缝程度差别不大。
3．对监测结果分析认为，此次水力压裂所产生的人工裂缝，主要是受现地应力场控制，压裂开辟了新的人工裂缝。
4．从现场收集到的压裂曲线分析，当破裂压力出现峰值时，排量也有明显上升，表明水力压裂产生的人工裂缝是开辟了新裂缝，而不是延伸了旧缝。
沈257-14-024井压裂施工曲线
2．例如*T844井二次压裂监测结果表明，小型压裂与大型压裂产生的人工裂缝均为北西向垂直缝，东西两翼裂缝发展都比较均衡，小型压裂产生的裂缝总缝长为47.9m，裂缝高度为38.7m。大型压裂产生的总缝长为330.7m，裂缝高度为56.7m。
*T844井监测结果表明，小型压裂与大型压裂产生的人工裂缝均为北西向垂直缝，东西两翼裂缝发展都比较均衡，小型压裂产生的裂缝总缝长为47.9m，裂缝高度为38.7m。大型压裂产生的总缝长为330.7m，裂缝高度为56.7m。
3．例三：如新疆某开发井大型压裂产生了两条垂直裂缝，分别为北东东向裂缝和东西向裂缝，北东东向裂缝两翼相比，西翼较长，总缝长为305.2m，裂缝高度为69.8m。从微震点俯视图上看，裂缝向西南方向延伸至100m时，可能该方向岩石致密，也可能遇到向南的天然裂缝，裂缝开始向南延伸，约20m后，裂缝转回西南方向继续延伸。
东西向裂缝两翼长度较为均衡，总缝长为203.1m，裂缝高度为66.0m。从微震点俯视图上看，裂缝集中在井筒南侧，可能南侧微裂缝带较发育所致。
4．例四：利用压裂人工裂缝的破裂发育状况，结合地质资料分析储层的非均质性。
如某油田的开发井进行压裂时，产生裂缝的两翼在纵向上发育有明显不同。
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*709井裂缝实时监测解释成果 |
**1102井裂缝实时监测解释成果 |
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项 目 |
裂缝数据 |
项 目 |
裂缝数据 |
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东翼缝长 |
43.6m |
东翼缝长 |
96.8m |
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西翼缝长 |
49.8m |
西翼缝长 |
107.3m |
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裂缝方位 |
54.8° |
裂缝方位 |
37.4° |
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裂缝高度 |
26.4m |
裂缝高度 |
120.6m |
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产 状 |
垂 直 |
产 状 |
垂 直 |
注水井水驱前缘监测技术自投产以来已在中原、南阳、华北、长庆、大庆、延长、克拉玛依、吐哈、塔里木、辽河、吉林、胜利等全国各大油田应用数百口井，符合率达85%以上，受到专业技术人员的广泛好评。 |
