中文題目：含支撐劑壓裂裂縫內容物電學行為的數值模擬研究

論文題目：Numerical simulation study on electrical properties of proppant-containing fracture fillers

錄用期刊/會議：IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING (中科院大類1區 TOP)

原文DOI：10.1109/TGRS.2024.3510377

錄用時間：2024年11月30日

作者列表：

1） 李  洋  中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博20

2） 劉得軍  中國石油大學（北京）人工智能學院 電子系教授

3）Tan Eng Leong, Nanyang Technological University, School of Electrical & Electronic Engineering, Professor

4） 周昊  中國石油大學（北京）人工智能學院 信息與通信工程 研21

5） 陳韻  中國石油大學（北京）人工智能學院 控制科學與工程 博21

6） 丁昊  中國石油大學（北京）人工智能學院 信息與通信工程 研22

摘要:

電磁法壓裂裂縫診斷技術實施的過程中，對裂縫內容物電性認知的缺失會導致后續信號解釋的結論并不準確。本研究利用有限元法（FEM）對顆粒堆積型裂縫內容物的電參數特征進行模擬及分析，揭示了目前已有常用等效介質公式無法正確描述裂縫內容物的低頻等效電性。數值模擬結果為之前煤焦炭支撐劑實驗測量的壓變電阻曲線變化規律提給出了解釋，即導致裂縫內容物電阻率對壓力具有敏感性的主要原因是，堆疊型混合物的傳導電流在低頻段占據主導因素。值得注意的是，研究中觀察到了堆積型混合物的弛豫頻段較低，在該頻段內，混合物的電性會表現出頻率敏感性。

背景與動機:

近年來，基于非常規油氣藏的開發需求以及由于裂縫侵入所造成改造區電性差異，地質電磁探測方法引起了人們的關注，并被嘗試用以解決壓裂裂縫識別的問題。然而因為對裂縫內容物的電性缺乏了解，壓裂裂縫參數與電磁信號目前難以建立有效的定量化聯系，該問題導致大多數用于壓裂裂縫識別的電磁探測方法仍停滯于理論和試驗階段。在大多數針對電磁法壓裂裂縫識別的研究中，相關人員通常簡單將支撐劑和的電性作為裂縫填充物的電參數，該方式的有效性并沒有有效的理論依據。本研究旨在利用數值模擬技術討論裂縫內容物的電性變化，并嘗試解釋該類混合物的電性壓力敏感性成因。

主要內容:

我們將首先回顧介質導電和極化基本理論背景，以及基于電磁場理論的宏觀電性計算方法。接下來，本文將全面回顧現有的常用混合電性計算的相關方法及其改進，并將其與數值計算方法的結果進行比較。通過對比發現，Sihvola獲得的電導率譜在高頻帶幾乎與Bruggeman的結果一致，但弛豫頻率位于較高的頻率范圍內，介電常數的估計并不理想。

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圖1 使用用不同方法對混合物等效電性的計算結果

然后，本文將提到填充顆粒型混合物的特征結構并進行數值模擬?；诨镜膶щ娎碚?，我們將討論數值模擬結果的合理性以及傳統計算方法在這個問題上失效的原因。

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圖2 不同填充比例下低頻混合物的電性

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圖3 不同頻率下的總電流分布圖

在實驗部分，我們基于FEM對支撐裂縫內容物進行等效結構建模。將討論基于數值模擬的裂縫填料的等效電導率和等效介電常數的特征。通過計算發現，在使用低電導支撐劑情況下，裂縫內容物的介電常數與壓裂液的電導率呈正相關。在使用高導支撐劑條件下，可以觀察到內容物等效相對介電常數不再與壓裂液的電導率密切相關，它只與內容物組分的介電常數有關。內容物等效電導率與組分電導率有很強的相關性，并且隨著內容物組分電導率的增加而增加。 

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圖4 不同支撐劑和壓裂液電性比例下裂縫內容物的等效電性比對

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圖5 不同顆粒與壓裂液電性比對

結論:

裂縫填充物的模擬表明，當使用高電導率支撐劑時，裂縫內容物的電性表現出對壓力的敏感性，因為壓力會改變支撐劑顆粒之間的接觸面積，等效電導率隨著壓力的增加而增加并達到恒定值。這一現象與Torres Verdín，C.獲得的實驗曲線趨勢一致。值得注意的是，盡管可以觀察到裂縫內容物的低頻介電增強現象，但它與使用常用混合計算理論在低頻下計算的結果不符。本研究的附帶數據已存儲在IEEE數據庫中。IEEE數據端口：https://dx.doi.org/10.21227/mz6a-ax33

作者簡介:

劉得軍，教授，中國石油大學（北京），人工智能學院電子信息工程系，博士生導師。研究方向：電磁測量方法與數值模擬技術、電纜高速數據傳輸理論與技術、機電測量系統虛擬樣機設計等?？傆嫲l表科學論文150余篇。

聯系方式：Email: liudj65@163.com