中文题目：含支撑剂压裂裂缝内容物电学行为的数值模拟研究

论文题目：Numerical simulation study on electrical properties of proppant-containing fracture fillers

录用期刊/会议：IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING (中科院大类1区 TOP)

原文DOI：10.1109/TGRS.2024.3510377

录用时间：2024年11月30日

作者列表：

1） 李  洋  中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博20

2） 刘得军  中国石油大学（北京）人工智能学院 电子系教授

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

4） 周昊  中国石油大学（北京）人工智能学院 信息与通信工程 研21

5） 陈韵  中国石油大学（北京）人工智能学院 控制科学与工程 博21

6） 丁昊  中国石油大学（北京）人工智能学院 信息与通信工程 研22

摘要:

电磁法压裂裂缝诊断技术实施的过程中，对裂缝内容物电性认知的缺失会导致后续信号解释的结论并不准确。本研究利用有限元法（FEM）对颗粒堆积型裂缝内容物的电参数特征进行模拟及分析，揭示了目前已有常用等效介质公式无法正确描述裂缝内容物的低频等效电性。数值模拟结果为之前煤焦炭支撑剂实验测量的压变电阻曲线变化规律提给出了解释，即导致裂缝内容物电阻率对压力具有敏感性的主要原因是，堆叠型混合物的传导电流在低频段占据主导因素。值得注意的是，研究中观察到了堆积型混合物的弛豫频段较低，在该频段内，混合物的电性会表现出频率敏感性。

背景与动机:

近年来，基于非常规油气藏的开发需求以及由于裂缝侵入所造成改造区电性差异，地质电磁探测方法引起了人们的关注，并被尝试用以解决压裂裂缝识别的问题。然而因为对裂缝内容物的电性缺乏了解，压裂裂缝参数与电磁信号目前难以建立有效的定量化联系，该问题导致大多数用于压裂裂缝识别的电磁探测方法仍停滞于理论和试验阶段。在大多数针对电磁法压裂裂缝识别的研究中，相关人员通常简单将支撑剂和的电性作为裂缝填充物的电参数，该方式的有效性并没有有效的理论依据。本研究旨在利用数值模拟技术讨论裂缝内容物的电性变化，并尝试解释该类混合物的电性压力敏感性成因。

主要内容:

我们将首先回顾介质导电和极化基本理论背景，以及基于电磁场理论的宏观电性计算方法。接下来，本文将全面回顾现有的常用混合电性计算的相关方法及其改进，并将其与数值计算方法的结果进行比较。通过对比发现，Sihvola获得的电导率谱在高频带几乎与Bruggeman的结果一致，但弛豫频率位于较高的频率范围内，介电常数的估计并不理想。

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图1 使用用不同方法对混合物等效电性的计算结果

然后，本文将提到填充颗粒型混合物的特征结构并进行数值模拟。基于基本的导电理论，我们将讨论数值模拟结果的合理性以及传统计算方法在这个问题上失效的原因。

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图2 不同填充比例下低频混合物的电性

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图3 不同频率下的总电流分布图

在实验部分，我们基于FEM对支撑裂缝内容物进行等效结构建模。将讨论基于数值模拟的裂缝填料的等效电导率和等效介电常数的特征。通过计算发现，在使用低电导支撑剂情况下，裂缝内容物的介电常数与压裂液的电导率呈正相关。在使用高导支撑剂条件下，可以观察到内容物等效相对介电常数不再与压裂液的电导率密切相关，它只与内容物组分的介电常数有关。内容物等效电导率与组分电导率有很强的相关性，并且随着内容物组分电导率的增加而增加。 

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图4 不同支撑剂和压裂液电性比例下裂缝内容物的等效电性比对

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图5 不同颗粒与压裂液电性比对

结论:

裂缝填充物的模拟表明，当使用高电导率支撑剂时，裂缝内容物的电性表现出对压力的敏感性，因为压力会改变支撑剂颗粒之间的接触面积，等效电导率随着压力的增加而增加并达到恒定值。这一现象与Torres Verdín，C.获得的实验曲线趋势一致。值得注意的是，尽管可以观察到裂缝内容物的低频介电增强现象，但它与使用常用混合计算理论在低频下计算的结果不符。本研究的附带数据已存储在IEEE数据库中。IEEE数据端口：https://dx.doi.org/10.21227/mz6a-ax33

作者简介:

刘得军，教授，中国石油大学（北京），人工智能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150余篇。

联系方式：Email: liudj65@163.com