水力压裂裂缝的电磁探测技术研究进展

中文题目：水力压裂裂缝的电磁探测技术研究进展

论文题目：水力压裂裂缝的电磁探测技术研究进展

录用期刊/会议：【石油地球物理勘探】 (EI中文期刊)

录用/见刊时间：录用

作者列表：

1） 孟   晋 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 博 19

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 教授

3） 翟   颖 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 博 17

4） 李   洋 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 博 20

5） 刘思彤 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 硕 21

6） 彭   娜 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 控制科学与工程专业 硕 21

文章简介:

本文介绍了应用于水力裂缝电磁探测技术的基本原理和方法，对当前水力裂缝主要几何形态进行分类和总结，简要分析了水力裂缝电磁数值分析方法和监测仪器存在的优势和不足，对国内外以电磁探测技术和方法为主的水力裂缝的研究进行了综述，并对研究中可能出现的问题进行了探讨。

摘要:

水力裂缝是油气藏的主要渗流通道和有效储集空间，在电磁探测水力裂缝技术的发展过程中，国内外学者提出了许多切实可行的技术方案。本文通过系统调研电磁探测水力裂缝的相关文献，从空间发展角度对水力裂缝的主要几何形态进行了分类归纳，指出各种裂缝模型特点并给出相关研究参考；分析了水力裂缝电磁监测方法存在的优势和不足，认为具有多尺度特性的水力裂缝，进行多种电磁模拟方法相结合将更为合理。总结了电磁法监测识别导电性裂缝的新方法和技术，基于感应测井理论，使用导电支撑剂随压裂液进入水力裂缝区域进行填充，进而形成具有导电性的裂缝，使其与围岩之间产生明显的电磁差异，有效增加裂缝区域磁场的幅度，这将有利于对支撑裂缝几何形状进行监测和电磁表征。对水力裂缝的研究现状与发展趋势分别从垂直井、水平井和多井三方面做了详细综述，最后，对水力裂缝电磁探测研究过程中的主要问题和困难进行了探讨。

背景与动机:

随着油气勘探和开发的深入，了解地下油气储层详细结构的需求也越来越迫切，水力压裂使油气勘探和生产扩展到页岩和致密地层，用于建立油气从页岩和致密地层流向井筒的通道，以生产更多的油气资源。目前，微地震是用于水力压裂监测的另一项重要技术，其原理为通过在地面或者邻井中布置检波器，监测在压裂施工过程中岩石剪切破裂诱发的地震波，描述压裂过程中裂缝的几何形状和空间分布，但该技术成本高且后续处理复杂。因此，迫切需要一种新方法为水力裂缝监测提供更准确和可靠的技术支持。压裂监测为电磁勘探中较新的研究领域，电磁监测法凭借成本低，应用条件广泛等优势，成为压裂监测领域的研究热点。

设计与实现:

频域中，根据麦克斯韦方程组，求解可填充导电裂缝对外加电磁场的响应：

导电支撑剂裂缝探测工具示意图（图1），水力裂缝电磁探测工具的发射器可以被建模为一个外加源，它会产生一个时谐电磁场，仪器沿井筒移动时传输和接收电磁场，检测到的信号由其接收器上感应的场决定，这些场主要是发射线圈为入射场

和井筒及裂缝体为散射场的总和：

图1 均匀页岩地层中水力裂缝电磁探测示意图

散射场由井筒和任意裂缝形体而构成的导电裂缝体积V中传导电流的电通量密度表示：

根据获得的水力裂缝的散射场，再结合探测工具设计多种接收方式，可以分析获得裂缝方位、长度、宽度、有效支撑面积、倾斜角度或旋转角度等空间信息。

主要内容:

简要介绍了电磁感应原理（图2），利用交流电的互感原理，使得在发射线圈中的交流电流在接收线圈中感应出电动势的方法称为感应测井。双线圈仪器监测裂缝时，接收器的感应电动势在实际计算中，可通过对穿透线圈的磁场进行面积分：

图2 均匀介质中的感应探头

水力裂缝电磁探测是基于含有导电支撑剂裂缝与周围介质在电性、磁性等方面存在差异，而利用电导率、磁化率、介电常数等物理参数进行电磁表征裂缝的几何特征，因此我们对二维、三维情况下单一、多条、复杂及缝网型水力裂缝（图3）的主要几何形态研究进行了调研。

图3 水力裂缝网络模型

电磁法作为一种重要的表征技术，用于地下裂缝检测，特别是非常规石油勘探开发中的水力裂缝评价具有重要意义。本文对有限差分法、有限元法和边界元法等主要的几种电磁数值方法进行了区别总结。水力裂缝电磁数值模拟的难题在于，长且很薄的三维裂缝具有多尺度的特性，在数值模拟中很难用传统的某一种电磁建模方法来模拟，采用多种数值分析方法模拟水力裂缝也将成为必然的趋势。近几十年国内外开发了许多裂缝探测技术，提高了我们对水力裂缝行为的理解，我们对水力裂缝几种监测仪器进行了调研与讨论。

最后，本文从电磁测井角度出发，分别在垂直井、水平井和井间方面对水力裂缝电磁探测技术研究现状进行了详细调研。

结论:

从电磁测井角度出发，对水力压裂裂缝电磁研究现状进行了详细调研，其发展趋势主要体现在：以电磁学为基础，将孔隙、流体、固体力学等进一步耦合，从裸眼井到套管井，从单井到多分支井，从人工裂缝到天然裂缝，从单一裂缝到多复杂裂缝形态，从不考虑支撑剂状态到通过感应测井理论利用制备具有导电性支撑剂进行水力裂缝的电磁表征和评估，从处于均匀介质到分层介质地层条件的水力裂缝进行电磁监测等等，研究更为贴近真实地层的水力裂缝形态及分布。可以看到，水力压裂裂缝的电磁研究尚待解决的问题还有很多，非均质性在非常规储集层中的普遍存在，多级水力压裂的相互作用复杂，地下复杂裂缝形态的形成分布还很难掌握，多种因素共同影响的作用还不够了解，等等，这些都制约了研究方法的设计和创新。随着人工智能的迅速发展，使其应用于水力裂缝的电磁研究，改善裂缝油藏描述的能力，为裂缝油藏的高效开发提供有益参考，也将为新时代地球物理测井应用研究带来了更多的关注和挑战。

作者简介:

孟晋，博士在读，中国石油大学（北京）, 控制科学与工程专业。

导师：刘得军，教授。

研究方向：地球物理感应测井原理与技术，电磁探测理论与模拟方法。

联系方式：Email: mengjin0220@163.com

通讯作者简介:

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。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