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

發(fā)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 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 信息與通信工程專(zhuān)業(yè) 研17

2）劉得軍 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子信息工程系

3）翟 穎 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè) 博17

4）史文哲 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子與通信工程專(zhuān)業(yè) 研17

5）咸沂軒 中國(guó)石油大學(xué)（北京） 信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子與通信工程專(zhuān)業(yè) 研18

背景與動(dòng)機(jī)

水力壓裂裂縫形態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)對(duì)后續(xù)勘探開(kāi)發(fā)工作有重要意義。電磁監(jiān)測(cè)裂縫可有效識(shí)別壓裂裂縫EPV，可以彌補(bǔ)其它監(jiān)測(cè)手段的不足。本文介紹了一種基于VLF電磁散射理論監(jiān)測(cè)非對(duì)稱(chēng)壓裂裂縫發(fā)育情況的建模方法和物理模型，，采用TBC面等效壓裂裂縫3D-FEM可以實(shí)現(xiàn)三維大地層空間接收響應(yīng)的快速正演，設(shè)計(jì)了扇面接收器結(jié)構(gòu)裝置，討論了電磁接收信號(hào)與非對(duì)稱(chēng)裂縫的發(fā)育方向、傾斜角度等方位參數(shù)的關(guān)系。通過(guò)分析旋轉(zhuǎn)接收機(jī)扇面獲得的三維電磁信號(hào)，可確定多個(gè)非對(duì)稱(chēng)壓裂裂縫空間狀態(tài)。解決了電磁監(jiān)測(cè)法識(shí)別裂縫三維發(fā)育方向的問(wèn)題，為探測(cè)儀器開(kāi)發(fā)及反演提供了理論參考。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在儲(chǔ)層壓裂開(kāi)采過(guò)程中，獲得人工裂縫的發(fā)育長(zhǎng)度、發(fā)育朝向、次生裂縫分布等參數(shù)，對(duì)儲(chǔ)層產(chǎn)量預(yù)測(cè)和改進(jìn)生產(chǎn)方案具有重要意義。目前，水力壓裂裂縫識(shí)別最常用的方法是監(jiān)測(cè)壓裂引起的區(qū)域微地震波。然而，在水力壓裂過(guò)程中，由于地震波發(fā)生機(jī)制與地層傳播特征的相關(guān)性，微地震波中存在大量的偽信號(hào)。此外，水力壓裂作業(yè)后無(wú)法進(jìn)行區(qū)域微地震監(jiān)測(cè)，為了提高水力壓裂裂縫識(shí)別的精度，必須增加監(jiān)測(cè)方法?；赩LF電磁散射法的可實(shí)現(xiàn)地下壓裂裂縫三維可視化水力壓裂監(jiān)測(cè)技術(shù)，作為微地震監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充或替代方法，已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。根據(jù)復(fù)雜的巖石力學(xué)參數(shù)、射孔分布和最大切向應(yīng)力準(zhǔn)則，實(shí)際壓裂作業(yè)中壓裂裂縫發(fā)育結(jié)果往往是非對(duì)稱(chēng)裂縫，而現(xiàn)在所采取的主流裂縫電磁散射等效模型為盤(pán)狀對(duì)稱(chēng)模型，研究者認(rèn)為討論非對(duì)稱(chēng)裂縫電磁散射情況及探測(cè)方法十分重要。

圖1 非對(duì)稱(chēng)壓裂裂縫應(yīng)力發(fā)展模擬(visual simulation by StimPlan)

由于含支撐劑裂縫的縫高與縫長(zhǎng)數(shù)量級(jí)相差巨大，針對(duì)此類(lèi)多尺度問(wèn)題，本文基于TL理論，提出了一種基于TBC面等效的裂縫電磁建模方案，來(lái)解決此類(lèi)多尺度模型在FEM離散時(shí)所導(dǎo)致DOFs過(guò)多的問(wèn)題，通過(guò)與MOM計(jì)算結(jié)果比較，TBC-FEM在保證計(jì)算精度的情況下有效提高計(jì)算效率。

圖2 不同計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果比較

針對(duì)含支撐劑非對(duì)稱(chēng)壓裂裂縫模型，基于TBC-FEM計(jì)算方法，本文討論了裂縫縫寬、傾角、側(cè)傾角及多級(jí)裂縫等電磁散射響應(yīng)情況，并提出了一種初步的非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)線(xiàn)圈探測(cè)方案，研究發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)裂縫的電磁響應(yīng)結(jié)果與對(duì)稱(chēng)裂縫有較大區(qū)別，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)裂縫響應(yīng)信號(hào)與裂縫參數(shù)具有一定規(guī)律。

圖3 不同縫寬條件下儀器接收響應(yīng)（綠色為對(duì)稱(chēng)裂縫）

圖4 多級(jí)多參數(shù)裂縫接收響應(yīng)（4號(hào)為對(duì)稱(chēng)裂縫）

關(guān)于作者

李洋，碩士，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院信息與通信工程專(zhuān)業(yè)。研究方向：應(yīng)用物理，地球物理方法，計(jì)算電磁學(xué)，基于電磁散射理論在地球物理探測(cè)上的應(yīng)用。ORCID:https://orcid.org/0000-0002-7171-9798

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劉得軍，教授，中國(guó)石油大學(xué)（北京），信息科學(xué)與工程學(xué)院電子信息工程系，博士生導(dǎo)師，中共黨員。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。總計(jì)發(fā)表科學(xué)論文140余篇。

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