李靜和 何展翔 穆 桐

(①桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004； ②南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)，廣東廣州 511458； ③深圳市深遠(yuǎn)海油氣勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方科技大學(xué))，廣東深圳 518055； ④南方科技大學(xué)地球與空間科學(xué)系，廣東深圳 518055)

0 引言

隨著非常規(guī)油氣資源逐步成為中國能源領(lǐng)域勘探開發(fā)的主戰(zhàn)場之一，儲層壓裂改造在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件下顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[1-2]。但目前中國非常規(guī)油氣儲層高效開發(fā)面臨埋藏深、有效動(dòng)用難度大、地質(zhì)與開發(fā)條件復(fù)雜、成本高等挑戰(zhàn)，對儲層壓裂改造效果評價(jià)技術(shù)提出了更高的要求[3]。作為提高采收率的主要技術(shù)手段之一，地球物理儲層壓裂監(jiān)測廣泛應(yīng)用于非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)領(lǐng)域。其中，通過監(jiān)測壓裂改造過程產(chǎn)生的微地震活動(dòng)，獲取儲層時(shí)空展布特征，可提供評價(jià)壓裂效果的關(guān)鍵信息[4-5]。然而，儲層壓裂過程中壓裂區(qū)圍巖或儲層破碎嚴(yán)重，若儲層介質(zhì)較軟，微地震信號會(huì)很微弱； 若儲層介質(zhì)較硬，則導(dǎo)致大量微震噪聲產(chǎn)生，資料解釋困難[6]?；趯?dǎo)電流體和裂縫中的壓裂劑在導(dǎo)電性方面的敏感性，電磁法正逐步應(yīng)用于儲層壓裂改造評價(jià)領(lǐng)域[7]，其中高效、高精度的壓裂監(jiān)測技術(shù)是關(guān)鍵。

地面觀測系統(tǒng)是當(dāng)前地球物理電磁儲層壓裂監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的數(shù)據(jù)采集方式之一，其通過在地面設(shè)置電性源或磁性源激發(fā)一次場、在地面采用接地電極或感應(yīng)器觀測電磁信號，進(jìn)行儲層壓裂監(jiān)測[8-9]。這種間接式的供電及觀測系統(tǒng)不可避免地受到圍巖介質(zhì)的信號衰減作用及地表環(huán)境干擾的影響，并非最佳觀測方式。井筒電磁法將供電或接收端置于地下井孔內(nèi)，由于觀測系統(tǒng)靠近壓裂監(jiān)測目標(biāo)體，會(huì)抑制信號的衰減作用，在一定程度上彌補(bǔ)了上述地面觀測系統(tǒng)應(yīng)用于儲層壓裂監(jiān)測領(lǐng)域的缺陷[10-11]?；趯⒐╇娀蛴^測系統(tǒng)靠近壓裂監(jiān)測目標(biāo)體，進(jìn)而提高觀測信號幅值、提高壓裂監(jiān)測精度的理念[12]，本文開展了接觸式電法儲層壓裂監(jiān)測的研究。

對地球物理勘探目標(biāo)體而言，存在天然的或者人工揭露的良導(dǎo)體露頭、地下水出露點(diǎn)等可接入電流的一類目標(biāo)體。傳統(tǒng)充電法正是利用直接供電的優(yōu)勢，通過兩個(gè)測量電極觀測充電電場的分布及變化規(guī)律，推測、監(jiān)測良導(dǎo)體的物性及空間分布[13-14]。由于充電介質(zhì)的范圍、形狀與觀測電位異常分布特征較相似，通?？梢愿鶕?jù)觀測電位或電位梯度異常推斷實(shí)際充電介質(zhì)范圍，可廣泛應(yīng)用于金屬勘探、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、注液驅(qū)油及壓裂驅(qū)油、環(huán)境監(jiān)測及農(nóng)業(yè)地球物理等勘探領(lǐng)域。但地面觀測的電位或電位梯度異常通常較微弱，抗干擾能力也弱，儲層壓裂監(jiān)測精度不能滿足復(fù)雜油氣儲層地質(zhì)目標(biāo)監(jiān)測的需求[15]。因而，聯(lián)合電阻率和極化率參數(shù)，開展接觸式直流激發(fā)極化法復(fù)雜地質(zhì)目標(biāo)體地球物理壓裂監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)充電法以穩(wěn)定電流場中理想導(dǎo)體(電阻率為零)的等位體為前提，如金屬礦體或高礦化度地下水，相對于圍巖電阻率很低，可近似看成理想導(dǎo)體。通常也將非理想導(dǎo)體(不等位體或有損耗介質(zhì))近似為理想導(dǎo)體。但實(shí)際應(yīng)用中，充電介質(zhì)的電阻率通常不為零，即有損耗介質(zhì)目標(biāo)體，而目前尚缺乏一種有效針對有損耗介質(zhì)接觸式激發(fā)極化法的高效數(shù)值模擬方法。目前，積分方程類[16-17]和微分方程類[18]數(shù)值模擬方法廣泛應(yīng)用于三維直流電數(shù)值模擬。但積分方程法僅局限于規(guī)則目標(biāo)體模擬； 微分方程有限差分法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的模擬精度低； 微分方程有限元法可高效、高精度地模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，但所需的計(jì)算內(nèi)存較前兩種方法大?？傮w上，由于計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算能力的提高和數(shù)值計(jì)算方法的進(jìn)步，有限元法已得到廣泛應(yīng)用[19]。

本文基于三維交錯(cuò)四面體網(wǎng)格有限元法實(shí)現(xiàn)了接觸式直流激發(fā)極化法的數(shù)值模擬。首先介紹有限元算法的實(shí)現(xiàn)步驟和關(guān)鍵技術(shù)，包括接觸式場源離散、有損耗介質(zhì)電流定義方法和接觸式激電極化率及電阻率的計(jì)算方法； 然后通過數(shù)值算例和土槽試驗(yàn)算例驗(yàn)證算法的可行性及有效性，并與傳統(tǒng)中間梯度激發(fā)極化法對相同模型的模擬結(jié)果進(jìn)行對比； 最后，將此方法應(yīng)用于沁水盆地南部某煤氣層壓裂監(jiān)測區(qū)的三維模型，通過與地面?zhèn)鹘y(tǒng)中間梯度法三維直流電阻率及極化率模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了方法的有效性。

1 方法理論

1.1 接觸式激發(fā)極化法原理

接觸式激發(fā)極化法的具體觀測方式為：電極一端置于目標(biāo)體內(nèi)部供電，另一端置于無窮遠(yuǎn)，這種方式對場地的環(huán)境要求較低，易于實(shí)施。在目標(biāo)體內(nèi)部直接供電，電流主要聚集在具有流動(dòng)性和連續(xù)性的目標(biāo)體范圍，形成最高強(qiáng)度的一次場激勵(lì)[12]。接觸式供電的一次場電場與點(diǎn)電流源場相近，其對目標(biāo)體分布不存在契合度問題(傳統(tǒng)激電需要的均勻場)，理論上目標(biāo)體分布范圍與供電電流聚集范圍是一致的，可對任意形狀的目標(biāo)體進(jìn)行有效的最佳一次場激勵(lì)。接觸式供電裝備可直接利用現(xiàn)有傳統(tǒng)激發(fā)極化法大功率激電供電系統(tǒng)，因而其實(shí)施過程是現(xiàn)實(shí)的、可行的。地下任何賦存液體的地方均可發(fā)生上述微觀的物理、化學(xué)和電化學(xué)活動(dòng)，能否用于勘探取決于液體包含的微觀雙相介質(zhì)層是否足以形成可觀的電位異常。

以上因素可能是傳統(tǒng)激發(fā)極化法間接供電和間接觀測在規(guī)模小、賦存深度大及觀測環(huán)境復(fù)雜的油氣儲層壓裂監(jiān)測領(lǐng)域效果不佳的主要原因。在本文提出的接觸式供電或觀測條件下，這種化學(xué)的、電化學(xué)的活動(dòng)將更強(qiáng)烈，這些規(guī)模小、賦存深度大及觀測環(huán)境復(fù)雜的液態(tài)儲存體周圍有無數(shù)微觀雙電層發(fā)生疊加，足以形成可觀的激發(fā)極化電位異常。

1.2 基于有限單元法的接觸式電法模擬

假設(shè)充電點(diǎn)S的坐標(biāo)為(xs,ys,zs)，供電電流強(qiáng)度為Itotal，對任意形狀三維有損耗介質(zhì)區(qū)域采用交錯(cuò)四面體網(wǎng)格剖分(圖1)，其電阻率可隨剖分單元網(wǎng)格位置的變化而變化，記為ρq，這里q表示網(wǎng)格編號,圍巖介質(zhì)電阻率為ρb。將剖分單位網(wǎng)格視為點(diǎn)電源所在位置，網(wǎng)格q內(nèi)的電流強(qiáng)度記為Iq。地面觀測點(diǎn)坐標(biāo)為(xa,ya,za)。剖分單位網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)接觸式供電電源條件下引起的總電位為u。

以電流強(qiáng)度Itotal進(jìn)行充電時(shí)，任意形狀三維有損耗介質(zhì)區(qū)域的第q個(gè)剖分單元網(wǎng)格的點(diǎn)電源電流強(qiáng)度系數(shù)為

(1)

式中rs，q為充電點(diǎn)S到第q個(gè)剖分單元網(wǎng)格點(diǎn)電源

圖1 交錯(cuò)四面體網(wǎng)格剖分示意圖(a)2×3×4規(guī)則六面體剖分； (b)、(c)兩種四面體網(wǎng)格剖分方式圖中數(shù)字表示節(jié)點(diǎn)編號，圖b、圖c下方數(shù)字組合表示四面體組合節(jié)點(diǎn)

中心點(diǎn)的距離。接觸式充電下的總電位u滿足邊值問題

(2)

式中：ρ表示剖分網(wǎng)格電阻率；N為網(wǎng)格剖分總數(shù)；ωq為區(qū)域Ω對電流源點(diǎn)Iq所張的立體角； Гs和Г∞分別為區(qū)域Ω的地面邊界和地下無窮遠(yuǎn)邊界；n為邊界的法向向量方向； δ為狄拉克函數(shù)；r1和r2分別為計(jì)算點(diǎn)至供電點(diǎn)A、B的空間距離矢量，且r1=|r1|,r2=|r2|； cos(·,·)為方向余弦函數(shù)。

通過采用有限單元法的線性插值、單元積分、邊界積分，最終總體合成、再擴(kuò)展成由全體節(jié)點(diǎn)組成的矩陣，并對全部單元相加，得

F(u)=∑Fe(u)

(3)

令式(3)的變分為0，得到線性方程組

Ku=p

(4)

采用預(yù)條件共軛梯度超松弛迭求解式(4)方程組，得到u。再通過等效電阻率公式求解考慮激電效應(yīng)下的u，根據(jù)極限極化率公式可計(jì)算得到地面觀測的極化率值。

1.3 視電阻率的計(jì)算

作為充電有損耗介質(zhì)的電性參數(shù)之一，地面觀測的充電有損耗介質(zhì)視電阻率異常的計(jì)算一直是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。由于充電有損耗介質(zhì)源的存在，傳統(tǒng)的視電阻率計(jì)算方法不能直接應(yīng)用于接觸式激發(fā)極化法視電阻率的計(jì)算。使用其他的觀測裝置(如Wenner裝置)的電阻率層析成像方法，并將其與傳統(tǒng)充電法觀測結(jié)果結(jié)合、相輔相成進(jìn)行綜合解釋是比較常用的野外勘探方案[20-21]。目前尚缺乏一種有效的針對有損耗介質(zhì)充電情況下地面觀測視電阻率的計(jì)算方法。為此，本文提出了一種計(jì)算在有耗介質(zhì)內(nèi)注入電流下接觸式激發(fā)極化法視電阻率的近似計(jì)算方法。這種方法的思路是假定測量的電勢等于充電介質(zhì)和周圍背景介質(zhì)的電勢積分綜合響應(yīng)。接觸式激發(fā)極化法的視電阻率計(jì)算公式為

(5)

式中：Us表示地面觀測的包含充電介質(zhì)和圍巖的綜合響應(yīng)的電勢；Ub是圍巖介質(zhì)空間引起的電勢響應(yīng)。通常，油氣監(jiān)測領(lǐng)域考慮近似均勻或近似層狀圍巖介質(zhì)，其模型及參數(shù)可從油氣藏監(jiān)測前期的地質(zhì)及鉆孔資料等信息獲得，從而可用數(shù)值模擬或模擬實(shí)驗(yàn)獲得圍巖介質(zhì)的純電勢異常響應(yīng)，而ρb的空間分布亦可以通過巖心物性測試等手段獲得。因此，式(5)可應(yīng)用于實(shí)際油氣勘探監(jiān)測領(lǐng)域。

2 數(shù)值算例

2.1 電位差

理論上，采用接觸式供電場源可提高目標(biāo)體響應(yīng)的幅值，而地面供電場源、充電法場源等傳統(tǒng)電源的響應(yīng)較弱。為此，開展不同場源激勵(lì)的電位差模擬，并進(jìn)行對比研究。

圖2為三種場源(傳統(tǒng)充電法、中間梯度激電法及本文接觸式激電法)觀測系統(tǒng)示意圖。其中，橢球體模型三方向(x、y、z)軸長分別為20、20、4m，其中心點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，電阻率和極化率分別為

圖2 不同場源觀測系統(tǒng)示意圖

上為平面圖，下為剖面圖。A1+和B1-分別是傳統(tǒng)充電法供電系統(tǒng)的正極和負(fù)極，一般布置于測線兩端； M、N是中間梯度法測量電極對； A2+和B2-是接觸式激電電極對，前者接觸目標(biāo)體，后者置于無窮遠(yuǎn)。LL′表示測線。圖4同。

25Ω·m和3.2%。均勻半空間(圍巖)介質(zhì)的電阻率和極化率分別為100Ω·m和1.0%。傳統(tǒng)充電法及本文接觸式激電法的接入電流點(diǎn)坐標(biāo)為x=-10m，y=12m，中間梯度激電法的地面供電電極坐標(biāo)為x=38m，y=-38m，用單位電流(1A)進(jìn)行供電。

圖3為上述三種類型場源下，在考慮激電效應(yīng)與未考慮激電效應(yīng)兩種條件下模擬計(jì)算的總電位差△u曲線對比。由圖可見，本文接觸式場源下的總電位差比其他兩種傳統(tǒng)方法的極大值高數(shù)百倍，且傳統(tǒng)方法總電位差的極值點(diǎn)位置對應(yīng)供電點(diǎn)，而本文方法的高幅值范圍對應(yīng)目標(biāo)體的水平范圍(-10～10m)。根據(jù)極限極化率計(jì)算公式，總電位差幅值越大，抗干擾能力越強(qiáng)，極化率的計(jì)算精度就越高。由此，驗(yàn)證了本文接觸式激電方法的可行性及有效性。

圖3 不同場源下考慮激電效應(yīng)與不考慮激電效應(yīng)的總電位差曲線(a)傳統(tǒng)充電法(點(diǎn)源)； (b)中間梯度激發(fā)極化法(雙點(diǎn)源)； (c)接觸式損耗介質(zhì)源

2.2 正確性驗(yàn)證

由于目前鮮見針對充電有損耗介質(zhì)極化率計(jì)算解析解的研究，本文采用土槽物理模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬算法的正確性。圖4為土槽模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图坝^測系統(tǒng)示意圖。其中極化目標(biāo)體為實(shí)地采集樣品填入，經(jīng)物性測試，其電阻率和極化率分別為10Ω·m和3.2%； 圍巖介質(zhì)電阻率為40Ω·m，極化率為1.0%。極化率觀測系統(tǒng)正負(fù)交替供電脈沖寬度為8s，斷電延遲為200ms，供電電流為2A。

圖5是采用接觸式激發(fā)極化法的視電阻率和視極化率物理模擬結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果，可見物理模擬結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，視電阻率和視極化率曲線的擬合誤差均低于5%。另外，模型邊界處兩者差異較大，這是因?yàn)閿?shù)值模擬無法仿真現(xiàn)實(shí)中的邊界滲漏區(qū)域的雙電層效應(yīng)。與傳統(tǒng)中間梯度方法物理模擬結(jié)果對比可見，接觸式激發(fā)極化法可獲得更高幅值、更準(zhǔn)確的視電阻率及視極化率異常。

圖4 土槽物理模擬模型及觀測系統(tǒng)示意圖(a)平面圖； (b)剖面圖

圖5 本文數(shù)值模擬與土槽物理模擬不同觀測方法視電阻率(上)和視極化率(下)曲線

3 實(shí)際應(yīng)用

基于已有的沁水盆地南部某煤層氣壓裂監(jiān)測三維電性模型[18]，本文采用上述三維有限單元法數(shù)值模擬，進(jìn)一步驗(yàn)證接觸式激發(fā)極化法對復(fù)雜儲層模型的壓裂監(jiān)測效果，并分析本文方法的有效性。

復(fù)雜儲層電性模型來源于于沁水盆地南部開采區(qū)域，該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層的滲透率較高且含氣量高，煤層埋藏較淺、厚度較大[22-23]。壓裂后，壓裂劑賦存空間相對于上覆和下伏地層而言為富水層，呈現(xiàn)低阻特征[24]，而煤層氣區(qū)域通常為高阻特征，因而具備較好的開展物探方法監(jiān)測的前提[25-26]。常規(guī)地面直流電類方法正是基于上述電阻率異常特征開展煤層氣壓裂監(jiān)測研究，但無法有效揭示復(fù)雜儲層壓裂進(jìn)程的細(xì)微特征[18]。煤層氣藏本身的極化率較低，當(dāng)前基于激發(fā)極化效應(yīng)開展煤層氣探測的主要思路是通過探測煤層氣滲漏或擴(kuò)散外圍次生礦物的激電效應(yīng)，探測原生煤層氣的空間分布[27]。不同地質(zhì)條件作用下，煤層氣滲漏形成的激電效應(yīng)模型復(fù)雜多變，傳統(tǒng)激電方法監(jiān)測具有一定的局限性[28]。煤層氣藏屬于連續(xù)型儲層，煤層壓裂改造可通過壓裂劑將井孔與煤層天然裂隙有效連通，因而具備本文提出的接觸式激發(fā)極化法的基本觀測條件，即通過井孔將直流電流導(dǎo)入壓裂劑區(qū)域，電流會(huì)在低阻壓裂劑內(nèi)流動(dòng)并形成高極化異常，這種流動(dòng)性和連續(xù)性形成的激電異常就是本文方法研究的主要對象。

沁水盆地南部煤層氣模型的計(jì)算范圍為2km×2km×1km，煤層氣空間分布范圍為x=-76～92m，y=-50～50m，z=124～190m。圖6是模型示意圖，可見煤層氣模型整體呈雙峰—單谷形態(tài)，在x軸負(fù)方向的埋藏較淺，坡度較緩，隆起區(qū)域(x=-30～-20m)煤層氣厚度較小，坐標(biāo)原點(diǎn)為煤層氣模型低谷的中心； 在x軸正方向埋藏較深，坡度較大，在隆起區(qū)域(x=4～20m)煤層氣厚度較大。設(shè)模型圍巖電阻率為100Ω·m，極化率為1.0%； 煤層氣藏電阻率為5000Ω·m，極化率為1.0%； 壓裂劑電阻率為1Ω·m，極化率為6.0%[18, 22]。接觸式激發(fā)極化法探測的供電點(diǎn)坐標(biāo)為(-74m,0,150m)，供電電流強(qiáng)度為20A，地面觀測測線沿x方向。x方向測點(diǎn)布設(shè)范圍為-88～124m，點(diǎn)距為4m；y方向觀測范圍為-80～80m，測線間隔為5m。

圖7為模型壓裂完成、充滿壓裂劑狀態(tài)時(shí)接觸式激發(fā)極化法的計(jì)算視電阻率及視極化率平面圖。由圖7a可見，視電阻率在x方向上呈現(xiàn)分段特征，即-70～20m區(qū)域內(nèi)呈由中高阻向低阻變化的特征，20m附近出現(xiàn)視電阻率極大值，20～100m區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)次低阻異常。上述特征與接觸式激化法的電流密度在起伏模型中的分布特征較吻合，即上傾斜方向頂部區(qū)域電流密度低，視電阻率較小； 下傾斜方向底部區(qū)域電流密度高，視電阻率出現(xiàn)極大值。另外，y方向25～50m范圍高電阻率值異常范圍較大，這是因?yàn)榇颂幠Ｐ秃穸容^大?？傮w上，相比傳統(tǒng)直流電方法[18]而言，本文接觸式激發(fā)極化法計(jì)算得到的視電阻率異常提供了更詳細(xì)的煤層氣空間信息。然而，僅依據(jù)視電阻率異常無法對該煤層氣模型的雙峰—單谷特征進(jìn)行細(xì)節(jié)描述。圖7b是接觸式激發(fā)極化法下的視極化率異常，可見視極化率異常分段特征在x方向上更明顯，而且模型兩端的中高視極化率區(qū)域較明顯。因此，模擬結(jié)果中的兩端高極化率、中間低極化率異常與模型中部的雙峰—單谷構(gòu)造特征吻合； 而x方向兩端不同坡度的起伏特征在圖7b中則對應(yīng)不同異常幅度的變化。因此，接觸式激發(fā)極化法模擬結(jié)果可有效描述復(fù)雜儲層的精細(xì)空間特征。

圖6 沁水盆地南部煤層氣模型示意圖[18]

圖7 壓裂完成(煤層氣模型完全充滿壓裂劑)狀態(tài)下地面接觸式激發(fā)極化法計(jì)算視電阻率(a)及視極化率(b)平面圖

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法對復(fù)雜儲層壓裂進(jìn)程監(jiān)測的數(shù)值模擬效果，建立了與沁水盆地南部煤層氣壓裂三個(gè)階段相對應(yīng)的模型(圖8上)：壓裂初始階段，即壓裂劑充滿模型左側(cè)傾斜區(qū)域； 壓裂中期階段，即僅模型右端下傾斜區(qū)域密閉儲層空間充滿煤層氣； 完成階段，即整個(gè)儲層充滿壓裂劑。本算例接觸式激發(fā)極化法觀測系統(tǒng)采用與圖7所示算例相同參數(shù)，并與傳統(tǒng)中間梯度激電地面觀測結(jié)果進(jìn)行對比分析。中間梯度激電系統(tǒng)的供電極距為800m，觀測網(wǎng)度與接觸式激發(fā)極化法一致。為便于對比分析，模擬結(jié)果僅展示y=16m剖面(圖8)。從圖8a可見，在壓裂初始階段，接觸式激發(fā)極化法觀測的視電阻率曲線在壓裂劑充滿區(qū)域呈現(xiàn)低阻、高極化異常特征； 在壓裂劑與煤層氣接觸面附近出現(xiàn)視電阻率和視極化率極值突變特征； 在充滿煤層氣區(qū)域出現(xiàn)中高阻、低極化率異常特征。隨著壓裂進(jìn)程的持續(xù)開展，壓裂中期階段對比結(jié)果見圖8b，可見接觸式激發(fā)極化法的低阻、高極化異常區(qū)域及極值突變區(qū)域與壓裂劑空間分布較一致。此階段，接觸式視電阻率極值異常主要為右端傾斜煤層氣頂端所致，視極化率異常與模型中部的雙峰—單谷形狀較吻合。圖8c所示為壓裂完成階段的模擬結(jié)果，由圖可見，接觸式激發(fā)極化法模擬的視電阻率和極化率異常與煤層氣模型的空間分布較吻合?？傮w上，對比接觸式激發(fā)極化法與傳統(tǒng)中間梯度激電法的視電阻率、視極化率模擬結(jié)果可見，傳統(tǒng)中間梯度激電結(jié)果異常幅值較小，無法反映壓裂進(jìn)程狀態(tài)的變化； 接觸式激發(fā)極化法可有效指示壓裂不同階段模型的細(xì)節(jié)變化。因此，本文提出的方法在煤層氣壓裂監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值。

圖8 煤層氣模型壓裂進(jìn)程不同階段(上)的模擬視電阻率(中)及視極化率(下)曲線(a)初始階段； (b)中期階段； (c)完成階段上圖中紅色代表壓裂劑，黑色代表煤層氣，藍(lán)色代表背景介質(zhì)。

4 結(jié)束語

基于高效、高精度油氣儲層壓裂監(jiān)測需求的現(xiàn)實(shí)問題，本文開展了接觸式激發(fā)極化法油氣儲層監(jiān)測有限元數(shù)值模擬研究。從理論上系統(tǒng)闡述了接觸式激發(fā)極化法應(yīng)用于油氣儲層壓裂監(jiān)測領(lǐng)域的可能性及預(yù)期有效性，指出在壓裂劑中接觸式注入電流可形成有效高幅值的激電效應(yīng)，壓裂監(jiān)測具有較好的物性基礎(chǔ)。通過理論模型計(jì)算交錯(cuò)四面體離散網(wǎng)格單位電流分布，實(shí)現(xiàn)了接觸式場源的有限元法數(shù)值模擬算法。定義了接觸式激發(fā)極化法視電阻率計(jì)算公式，通過不同方法場源總電位差算例、土槽模擬實(shí)驗(yàn)算例及煤層氣壓裂監(jiān)測算例分析，驗(yàn)證了接觸式激發(fā)極化法作為儲層壓裂監(jiān)測技術(shù)的可行性和實(shí)用性。