科研動(dòng)態(tài)
含支撐劑壓裂裂縫內(nèi)容物電學(xué)行為的數(shù)值模擬研究
中文題目：含支撐劑壓裂裂縫內(nèi)容物電學(xué)行為的數(shù)值模擬研究
論文題目：Numerical simulation study on electrical properties of proppant-containing fracture fillers
錄用期刊/會(huì)議：IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING (中科院大類(lèi)1區(qū) TOP)
原文DOI：10.1109/TGRS.2024.3510377
錄用時(shí)間：2024年11月30日
作者列表：
1） 李 洋 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博20
2） 劉得軍 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子系教授
3）Tan Eng Leong, Nanyang Technological University, School of Electrical & Electronic Engineering, Professor
4） 周昊 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 信息與通信工程 研21
5） 陳韻 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 控制科學(xué)與工程 博21
6） 丁昊 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 信息與通信工程 研22
摘要:
電磁法壓裂裂縫診斷技術(shù)實(shí)施的過(guò)程中，對(duì)裂縫內(nèi)容物電性認(rèn)知的缺失會(huì)導(dǎo)致后續(xù)信號(hào)解釋的結(jié)論并不準(zhǔn)確。本研究利用有限元法（FEM）對(duì)顆粒堆積型裂縫內(nèi)容物的電參數(shù)特征進(jìn)行模擬及分析，揭示了目前已有常用等效介質(zhì)公式無(wú)法正確描述裂縫內(nèi)容物的低頻等效電性。數(shù)值模擬結(jié)果為之前煤焦炭支撐劑實(shí)驗(yàn)測(cè)量的壓變電阻曲線(xiàn)變化規(guī)律提給出了解釋?zhuān)磳?dǎo)致裂縫內(nèi)容物電阻率對(duì)壓力具有敏感性的主要原因是，堆疊型混合物的傳導(dǎo)電流在低頻段占據(jù)主導(dǎo)因素。值得注意的是，研究中觀(guān)察到了堆積型混合物的弛豫頻段較低，在該頻段內(nèi)，混合物的電性會(huì)表現(xiàn)出頻率敏感性。
背景與動(dòng)機(jī):
近年來(lái)，基于非常規(guī)油氣藏的開(kāi)發(fā)需求以及由于裂縫侵入所造成改造區(qū)電性差異，地質(zhì)電磁探測(cè)方法引起了人們的關(guān)注，并被嘗試用以解決壓裂裂縫識(shí)別的問(wèn)題。然而因?yàn)?/span>對(duì)裂縫內(nèi)容物的電性缺乏了解，壓裂裂縫參數(shù)與電磁信號(hào)目前難以建立有效的定量化聯(lián)系，該問(wèn)題導(dǎo)致大多數(shù)用于壓裂裂縫識(shí)別的電磁探測(cè)方法仍停滯于理論和試驗(yàn)階段。在大多數(shù)針對(duì)電磁法壓裂裂縫識(shí)別的研究中，相關(guān)人員通常簡(jiǎn)單將支撐劑和的電性作為裂縫填充物的電參數(shù)，該方式的有效性并沒(méi)有有效的理論依據(jù)。本研究旨在利用數(shù)值模擬技術(shù)討論裂縫內(nèi)容物的電性變化，并嘗試解釋該類(lèi)混合物的電性壓力敏感性成因。
主要內(nèi)容:
我們將首先回顧介質(zhì)導(dǎo)電和極化基本理論背景，以及基于電磁場(chǎng)理論的宏觀(guān)電性計(jì)算方法。接下來(lái)，本文將全面回顧現(xiàn)有的常用混合電性計(jì)算的相關(guān)方法及其改進(jìn)，并將其與數(shù)值計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行比較。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Sihvola獲得的電導(dǎo)率譜在高頻帶幾乎與Bruggeman的結(jié)果一致，但弛豫頻率位于較高的頻率范圍內(nèi)，介電常數(shù)的估計(jì)并不理想。
(a)
(b)
圖1 使用用不同方法對(duì)混合物等效電性的計(jì)算結(jié)果
然后，本文將提到填充顆粒型混合物的特征結(jié)構(gòu)并進(jìn)行數(shù)值模擬?；诨镜膶?dǎo)電理論，我們將討論數(shù)值模擬結(jié)果的合理性以及傳統(tǒng)計(jì)算方法在這個(gè)問(wèn)題上失效的原因。
(a)
(b)
圖2 不同填充比例下低頻混合物的電性
(a)
(b)
(c)
(d)
圖3 不同頻率下的總電流分布圖
在實(shí)驗(yàn)部分，我們基于FEM對(duì)支撐裂縫內(nèi)容物進(jìn)行等效結(jié)構(gòu)建模。將討論基于數(shù)值模擬的裂縫填料的等效電導(dǎo)率和等效介電常數(shù)的特征。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在使用低電導(dǎo)支撐劑情況下，裂縫內(nèi)容物的介電常數(shù)與壓裂液的電導(dǎo)率呈正相關(guān)。在使用高導(dǎo)支撐劑條件下，可以觀(guān)察到內(nèi)容物等效相對(duì)介電常數(shù)不再與壓裂液的電導(dǎo)率密切相關(guān)，它只與內(nèi)容物組分的介電常數(shù)有關(guān)。內(nèi)容物等效電導(dǎo)率與組分電導(dǎo)率有很強(qiáng)的相關(guān)性，并且隨著內(nèi)容物組分電導(dǎo)率的增加而增加。
(a)
(b)
(c)
(d)
圖4 不同支撐劑和壓裂液電性比例下裂縫內(nèi)容物的等效電性比對(duì)
(a)
(b)
(c)
(d)
圖5 不同顆粒與壓裂液電性比對(duì)
結(jié)論:
裂縫填充物的模擬表明，當(dāng)使用高電導(dǎo)率支撐劑時(shí)，裂縫內(nèi)容物的電性表現(xiàn)出對(duì)壓力的敏感性，因?yàn)閴毫?huì)改變支撐劑顆粒之間的接觸面積，等效電導(dǎo)率隨著壓力的增加而增加并達(dá)到恒定值。這一現(xiàn)象與Torres Verdín，C.獲得的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)趨勢(shì)一致。值得注意的是，盡管可以觀(guān)察到裂縫內(nèi)容物的低頻介電增強(qiáng)現(xiàn)象，但它與使用常用混合計(jì)算理論在低頻下計(jì)算的結(jié)果不符。本研究的附帶數(shù)據(jù)已存儲(chǔ)在IEEE數(shù)據(jù)庫(kù)中。IEEE數(shù)據(jù)端口：https://dx.doi.org/10.21227/mz6a-ax33
作者簡(jiǎn)介:
劉得軍，教授，中國(guó)石油大學(xué)（北京），人工智能學(xué)院電子信息工程系，博士生導(dǎo)師。研究方向：電磁測(cè)量方法與數(shù)值模擬技術(shù)、電纜高速數(shù)據(jù)傳輸理論與技術(shù)、機(jī)電測(cè)量系統(tǒng)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)等?？傆?jì)發(fā)表科學(xué)論文150余篇。
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