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科研动态

基于电磁理论的水力裂缝方位三维有限元正演模拟

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

联系方式:

Email: 1137712887@qq.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,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。

联系方式:

Email: liudj65@163.com