点击数: 更新日期: 2021-09-06
论文题目：Characterization of Hydraulic Fractures with Tri-axial Electromagnetic Induction and Sector Coil Rotation Measurement
录用期刊：IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing（SCI检索，JCR：Q1 TOP）
原文链接：https://doi.org/10.1109/ TGRS.2021.3108140
作者列表：
（1）翟 颖 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 电子信息工程系 博17
（2）刘得军 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 电子信息工程系
（3）David K. Potter 阿尔伯塔大学 地球物理系
（4）李 洋 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 电子信息工程系 博20
水力压裂是页岩气开采的主要驱动力，深入了解水力压裂裂缝几何形态及方位信息，对于制定页岩气开发策略及提高采收率至关重要。低频电磁感应技术是一项深具潜力的裂缝监测技术，但存在可监测距离短、信号弱、准确性有限等问题，难以准确监测裂缝的形状、方向和多级裂缝网络分布。本文将低频电磁三轴感应测量理论与扇形线圈轴向旋转测量方法相结合用以表征水力裂缝形态，通过探索压裂裂缝形态与多分量信号之间的关联性，揭示水力压裂裂缝的电磁表征机制，实现对水平井水力压裂裂缝的尺寸、方位和倾角等形态信息的定量分析。文中提出使用具有过渡边界条件的有限元方法解决多尺度电磁场求解困难的瓶颈问题，该方法利用过渡边界条件等效高导电薄裂缝以提高计算效率。数值结果表明，同轴分量信号可以区分截面形状和方向，交叉极化分量信号提供倾斜裂缝的重要特征，仪器旋转获得的 3D 信号可以确定裂缝网络的空间分布。因此，集成三轴电磁感应和扇形线圈旋转的测量方法可以精确表征裂缝几何形态。
压裂技术是目前针对非常规油气开发最为广泛且最为有效的技术措施，其目的是通过储层改造，形成具有良好流动性的人造裂缝区域，实现增产增注的效果。压裂过程中缝网的发育情况和压裂模式直接影响非常规油气井的开采效率，深入了解水力压裂裂缝的几何形态及方位信息，对于制定非常规油气田开发策略及提高采收率至关重要。现有的水力压裂监测技术无法确定具有实际导流作用的支撑裂缝的形态信息，且存在可监测距离短、信号弱、准确性有限等问题，严重制约了压裂效果的评估。因此迫切需要探索一种低成本高效率的新型水力压裂动态监测技术，实现地下空间高精准探测。
本文以监测导电支撑裂缝的形态为目标导向（图1显示了在均匀各向同性的水平井环境中进行水力压裂裂缝监测的模型概念图），基于低频电磁散射理论，提出了将三轴感应线圈阵列与一组扇形线圈组合起来表征支撑水力裂缝的新方法，它不仅能提供多分量信号，而且能收集圆周方向的信息。仪器采用多分量多源距的线圈布局方式，仪器结构如图2和3所示，设计了耦合接收线圈B来减小发射线圈与主接收线圈间的直接耦合信号。利用仪器在不同位置和旋转角度处获得的电磁感应电动势来评估电参数和裂缝特性的影响，以此探究各种常见压裂裂缝形态与电磁响应信号之间的关联特征。具体来说，1)定量分析了源距、工作频率和支撑剂导电性对信号的影响。2)研究了不同分量信号与裂缝横截面形状和方向的关系，其中图4显示了不同分量信号对裂缝倾角的敏感度。3)评价了裂缝长度的可检测性和多级裂缝网络的分布，图5显示了由8种典型的主、次级裂缝构成的裂缝网络形态，图6显示了利用扇形线圈轴向旋转测量方法得到的3D信号响应图。
图 1. 水平井水力压裂裂缝监测模型示意图
图2. 三轴感应线圈系结构示意图
图3. 扇形线圈轴向旋转测量结构示意图 (a) 扇形线圈旋转以监测裂缝张开度示意图 (b) 扇形线圈轴向旋转测量结构侧面图
图4. 不同分量信号对裂缝倾角的响应结果
图5. 多级裂缝网络模型图
图 6. 扇形线圈轴向旋转测量方式对多级裂缝网络响应的3D信号
翟 颖，博士在读，中国石油大学（北京）, 控制理论与控制工程专业。研究方向：计算电磁学、电磁散射与电磁波传播、地下遥感与成像。联系方式：Email: zyzhaiying@126.com
刘得军，教授，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院电子信息工程系，博士生导师。研究方向：电磁测量方法与数值模拟技术、电缆高速数据传输理论与技术、机电测量系统虚拟样机设计等。总计发表科学论文140余篇。联系方式：Email: liudj65@163.com