3-D FEM Azimuth Forward Modeling of Hydraulic Fractures Based on Electromagnetic Theory

發表期刊：IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters（JCR Q1）

原文DOI: https://doi.org/10.1109/LGRS.2020.2970441

作者列表

1）李 洋 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 信息與通信工程專業 研17

2）劉得軍 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 電子信息工程系

3）翟 穎 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 控制理論與控制工程專業 博17

4）史文哲 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 電子與通信工程專業 研17

5）咸沂軒 中國石油大學（北京） 信息科學與工程學院 電子與通信工程專業 研18

背景與動機

水力壓裂裂縫形態的準確監測對后續勘探開發工作有重要意義。電磁監測裂縫可有效識別壓裂裂縫EPV，可以彌補其它監測手段的不足。本文介紹了一種基于VLF電磁散射理論監測非對稱壓裂裂縫發育情況的建模方法和物理模型，，采用TBC面等效壓裂裂縫3D-FEM可以實現三維大地層空間接收響應的快速正演，設計了扇面接收器結構裝置，討論了電磁接收信號與非對稱裂縫的發育方向、傾斜角度等方位參數的關系。通過分析旋轉接收機扇面獲得的三維電磁信號，可確定多個非對稱壓裂裂縫空間狀態。解決了電磁監測法識別裂縫三維發育方向的問題，為探測儀器開發及反演提供了理論參考。

設計與實現

在儲層壓裂開采過程中，獲得人工裂縫的發育長度、發育朝向、次生裂縫分布等參數，對儲層產量預測和改進生產方案具有重要意義。目前，水力壓裂裂縫識別最常用的方法是監測壓裂引起的區域微地震波。然而，在水力壓裂過程中，由于地震波發生機制與地層傳播特征的相關性，微地震波中存在大量的偽信號。此外，水力壓裂作業后無法進行區域微地震監測，為了提高水力壓裂裂縫識別的精度，必須增加監測方法?；赩LF電磁散射法的可實現地下壓裂裂縫三維可視化水力壓裂監測技術，作為微地震監測的補充或替代方法，已成為近年來的研究熱點。根據復雜的巖石力學參數、射孔分布和最大切向應力準則，實際壓裂作業中壓裂裂縫發育結果往往是非對稱裂縫，而現在所采取的主流裂縫電磁散射等效模型為盤狀對稱模型，研究者認為討論非對稱裂縫電磁散射情況及探測方法十分重要。

圖1 非對稱壓裂裂縫應力發展模擬(visual simulation by StimPlan)

由于含支撐劑裂縫的縫高與縫長數量級相差巨大，針對此類多尺度問題，本文基于TL理論，提出了一種基于TBC面等效的裂縫電磁建模方案，來解決此類多尺度模型在FEM離散時所導致DOFs過多的問題，通過與MOM計算結果比較，TBC-FEM在保證計算精度的情況下有效提高計算效率。

圖2 不同計算方法計算結果比較

針對含支撐劑非對稱壓裂裂縫模型，基于TBC-FEM計算方法，本文討論了裂縫縫寬、傾角、側傾角及多級裂縫等電磁散射響應情況，并提出了一種初步的非對稱結構線圈探測方案，研究發現非對稱裂縫的電磁響應結果與對稱裂縫有較大區別，同時也發現非對稱裂縫響應信號與裂縫參數具有一定規律。

圖3 不同縫寬條件下儀器接收響應（綠色為對稱裂縫）

圖4 多級多參數裂縫接收響應（4號為對稱裂縫）

關于作者

李洋，碩士，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院信息與通信工程專業。研究方向：應用物理，地球物理方法，計算電磁學，基于電磁散射理論在地球物理探測上的應用。ORCID:https://orcid.org/0000-0002-7171-9798

聯系方式：

Email: 1137712887@qq.com

劉得軍，教授，中國石油大學（北京），信息科學與工程學院電子信息工程系，博士生導師，中共黨員。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140余篇。

聯系方式：

Email: liudj65@163.com

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