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

发表期刊：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 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 信息与通信工程专业 研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）翟 颖 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 控制理论与控制工程专业 博17

4）史文哲 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 电子与通信工程专业 研17

5）咸沂轩 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 电子与通信工程专业 研18

背景与动机

水力压裂裂缝形态的准确监测对后续勘探开发工作有重要意义。电磁监测裂缝可有效识别压裂裂缝EPV，可以弥补其它监测手段的不足。本文介绍了一种基于VLF电磁散射理论监测非对称压裂裂缝发育情况的建模方法和物理模型，，采用TBC面等效压裂裂缝3D-FEM可以实现三维大地层空间接收响应的快速正演，设计了扇面接收器结构装置，讨论了电磁接收信号与非对称裂缝的发育方向、倾斜角度等方位参数的关系。通过分析旋转接收机扇面获得的三维电磁信号，可确定多个非对称压裂裂缝空间状态。解决了电磁监测法识别裂缝三维发育方向的问题，为探测仪器开发及反演提供了理论参考。

设计与实现

在储层压裂开采过程中，获得人工裂缝的发育长度、发育朝向、次生裂缝分布等参数，对储层产量预测和改进生产方案具有重要意义。目前，水力压裂裂缝识别最常用的方法是监测压裂引起的区域微地震波。然而，在水力压裂过程中，由于地震波发生机制与地层传播特征的相关性，微地震波中存在大量的伪信号。此外，水力压裂作业后无法进行区域微地震监测，为了提高水力压裂裂缝识别的精度，必须增加监测方法。基于VLF电磁散射法的可实现地下压裂裂缝三维可视化水力压裂监测技术，作为微地震监测的补充或替代方法，已成为近年来的研究热点。根据复杂的岩石力学参数、射孔分布和最大切向应力准则，实际压裂作业中压裂裂缝发育结果往往是非对称裂缝，而现在所采取的主流裂缝电磁散射等效模型为盘状对称模型，研究者认为讨论非对称裂缝电磁散射情况及探测方法十分重要。

图1 非对称压裂裂缝应力发展模拟(visual simulation by StimPlan)

由于含支撑剂裂缝的缝高与缝长数量级相差巨大，针对此类多尺度问题，本文基于TL理论，提出了一种基于TBC面等效的裂缝电磁建模方案，来解决此类多尺度模型在FEM离散时所导致DOFs过多的问题，通过与MOM计算结果比较，TBC-FEM在保证计算精度的情况下有效提高计算效率。

图2 不同计算方法计算结果比较

针对含支撑剂非对称压裂裂缝模型，基于TBC-FEM计算方法，本文讨论了裂缝缝宽、倾角、侧倾角及多级裂缝等电磁散射响应情况，并提出了一种初步的非对称结构线圈探测方案，研究发现非对称裂缝的电磁响应结果与对称裂缝有较大区别，同时也发现非对称裂缝响应信号与裂缝参数具有一定规律。

图3 不同缝宽条件下仪器接收响应（绿色为对称裂缝）

图4 多级多参数裂缝接收响应（4号为对称裂缝）

关于作者

李洋，硕士，中国石油大学（北京），信息科学与工程学院信息与通信工程专业。研究方向：应用物理，地球物理方法，计算电磁学，基于电磁散射理论在地球物理探测上的应用。ORCID:https://orcid.org/0000-0002-7171-9798

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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，中共党员。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。

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