挑战
作为在阿巴拉契亚盆地的尤蒂卡-普莱森特地层内优化完井效率的持续努力的一部分，设立了表面电磁阵列，以观察从井筒注入压裂水和早期清理反应。在最初的压裂和回流过程中，在这个自然断裂的区间内测量了相位和振幅反应。流体的电磁响应能够确定压裂的几何形状/不对称性，并为我们的压裂建模提供基础真理。
在一口井的井跟部分设置了Deep Imaging®表面电磁阵列。根据垫层上的水平井的图像和偶极声波数据确定近井筒天然裂缝的方向和聚类。远场天然裂缝的方向和集群是由偶极声波数据和三维地震数据确定的。压裂水的电阻率是由搅拌器连续测量的。还定期收集采出的水并测量其总溶解固体（TDS）。
电磁（EM）成像为确定水力压裂系统的水平范围提供了一个工具。这既可以检查适当的井距，也可以观察我们受刺激和排泄的岩石体积的几何形状。这项试验显示，在我们的远场自然裂缝网络的方向上，从一个阶段到另一个阶段存在着明显的应力阴影。
振幅和相位的电磁频率响应也提供了对成功刺激的岩石和区域的重要理解。我们将展示各向异性的电磁模型和数据如何显示成功刺激区域和电磁响应之间的关系。此外，我们还将表明，EM回流信号反应显示出最大变化的区域与EM相位和振幅压裂信号反应相吻合。
ESG解决方案
简介
我们从一个平台上收集了两个相邻井筒的数据，以确定区域应力和天然裂缝是如何影响完成和生产行为的。地质力学和压裂模型表明，区域应力可能在压裂过程中产生各向异性的几何形状。此外，由于井筒位于结构更复杂的地区，我们认为有必要确定天然裂缝和更多的局部应力对压裂几何形状有什么影响（如果有的话）。这项研究的长期目标是，一旦更好地了解了压裂的驱动因素，就能够预测和优化压裂的几何形状。作为这项研究的一部分，我们收集了电磁数据来描述压裂的几何形状，收集了QuantaGeo®成像和近场和远场声纳线数据来估计天然裂缝密度，收集了地质力学模型来确定区域应力，收集了穿孔成像（Dark Vision®）来估计集群效率。此外，还使用了三维地震属性来确定结果的区域代表性。
图1-表面电磁阵列的示意图。地表的两个水雷通过发射线连接，两侧的接收器阵列设计成覆盖地下所需的横向范围。注入导电压裂液会扰乱井筒周围地下的基线电磁场。
受控源电磁（CSEM）调查（图1）被设计为在两口水平井的跟部捕捉15个阶段。虽然从地表土地的角度来看，地表调查确实需要大量的准备时间和仔细的规划，但地表电磁调查的足迹是最小的（与其他一些地球物理调查方法相比），足迹的范围与所关注的地下区域相似。大部分被监测的阶段都在垫层最西边的井上。在邻近的井中，有其余的监测阶段、明孔线数据（图像和三重组合）、套管井声学和完井后套管的套管成像。我们持续监测压裂水的电导率（淡水和循环水的组合）。电导率仪在搅拌器的下游。
CSEM, commonly used in the past as a predrill verification of hydrocarbon indicators from seismic in deep water plays (Constable, 2010) has emerged in recent years in unconventional plays to track the change from earth’s baseline conductivity in response to the injection of conductive frac water. Changes in the permittivity - and, hence, capacitance – of the rock during frac’ing can be tracked with remarkable accuracy at depth. Breaking the rock causes large (104-106) changes in dielectric constant at very low frequencies (< 50Hz) in the formation (Niu and Prasad, 2016). In this paper, we will provide some results of the electromagnetic response of the formation both during frac’ing and initial flowback.
讨论
自然断裂
线路图像解释显示了几个天然裂缝群。它们的主要方向是东北-西南，与井筒方向垂直，其方向可能使它们受到严重的压力。虽然在图像和声波数据中都可以看到多个方向的其他天然裂缝，但声波远场处理显示，在地层中只有主要的东北-西南方向的裂缝是重要的。偏移井的压力计数据显示，当阶段在这些天然裂缝群上时，压裂的压力反应最强。我们还能够确定对这些天然裂缝群的地震反应，可以追溯到这个平台上的其他油井和整个油田的其他油井。相关的地震属性也只探测到主导方向上的裂缝群。
振幅和相位响应
使用伪随机数字（PRN）编码的高功率极低频率（ELF）可控源电磁（CSEM）方法已成功用于提供地下水力压裂作业的成像。(见参考文献：9-12）这些技术提供了关键信息，以更好地了解压裂的几何形状。这些系统产生的数据可以表示为水平（鸟瞰）热图，即以V/Am^2为单位的归一化E场或以弧度为单位的相位。必须注意的是，所讨论的数据是来自散射场，而不是总场。从现场数据中得到的热图反应的一个例子可以在图2中看到。
在每个阶段对压裂水电导率的连续跟踪为作者解释相位和振幅光谱提供了必要和关键的约束。了解导致振幅和相位电磁（EM）反应的物理过程对解释数据至关重要。
围绕在一维、二维和三维空间中对低频域进行建模的最佳方法仍有很多争论。三维建模的现状（Haber等人，2012）为我们提供了处理复杂的大规模地质电学模型的便捷工具，例如，利用高效的Octree网格算法，可以将多个长的垂直和水平钢套井以及多级裂缝纳入三维电磁建模。然而，据我们所知，在石油和天然气工业中直接对各向异性的电介质材料进行三维模拟，在文献中还没有发现。
最近，几个小组已经开始在原位条件下测量典型地层材料的电性能。特别是科罗拉多矿业学院（Niu等人，2016年）得出的数据显示，在低频率下，介电常数比频率>50Hz时大5-6个数量级，介电各向异性大1-2个数量级（图3）。
可以通过简单的一维电磁模型来研究这种许可率的巨大变化，这可以说明许可率的变化如何影响电磁响应。建模结果显示，在建模的条件下，在5Hz区域有一个相位信号峰值。我们认为，由于岩石被开裂，许可率和许可率各向异性发生了变化，这些变化可以从现实世界数据中的电磁信号看出，如图4所示，在类似的情况下建模。
与频率有关的阻抗的测量（与电阻率相反，它是一种直流测量）在电磁学中是很好理解的。有许多井下工具使用电磁波谱的某些部分来产生地层阻抗测量。当已知电导率的压裂液注入到已知或模拟的阻抗和介电常数（都具有各向异性）的地层中时，我们可以在非常低的频率下测量电磁频谱中这些特性的变化。要求在测量期间，只有地下目标结构中的电特性发生变化。这是为了能够测量出一个零时间场（压裂开始前表面的总电磁场），然后从随后的时间步骤（此后大约每分钟）收集的电磁场数据中减去。这个过程是在检测总电磁场随时间的变化，对这些变化非常敏感。
电场的振幅和相位是由岩石结构中不同的物理变化引起的。振幅受依赖于频率的阻抗（Z）的变化影响，相位受系统中电容（C）和电感（L）的变化影响。当压裂液被注入目标地层时，系统的总阻抗将发生变化。这将导致表面的电磁场缓慢地扩散变化。因此，振幅最适合用于检测流体在地层中的传输。Z运算符是电阻、电感和电容效应的组合。当只发生振幅变化时（没有相位变化），可以认为其结果只是流体运动。压裂水的电导率监测使得振幅数据更容易被解释。
这项研究的结果显示，在压裂过程中看到的相位和振幅反应的可变性。图5显示了基于相位和振幅响应的一个阶段内信号的总面积。人们可以清楚地看到这两种测量的变异性，以及哪种信号更占优势的变化。
由于压裂的目的是改变和破碎（更复杂的破碎是首选）目标岩石，从岩石的基线上可以预期有几个电学变化。压裂过程中各向异性介电常数的变化将导致电磁数据的相位变化。此外，随着导电液体的引入，任何由于岩石分层而产生的极化机制将被破坏。如果导电液被成功地引入目标岩石的裂缝中，岩石的电感特性也会发生变化。这个概念取决于互感和环路的产生（Everett和Chave，2018）。这种电感的变化也应该在相位谱中看到。
鉴于上述情况，可以根据储层中发生的变化，对相位和振幅谱的变化作出一些预测。
1.只有振幅：很少或没有发生岩石开裂--可能是自然裂缝、盗贼区或邻近母井的枯竭区
2.只有阶段性：岩石已被打破，但液体的放置是有限的，或在一个非常大的区域。
3.两种反应的不同程度：如果振幅反应对相位反应占主导地位，自然裂缝可能对压裂有更大的影响，并可能导致岩石的 "不那么复杂 "的破裂。
在以下来自我们数据的例子中（图6），我们看到了相位和振幅的反应变化。以这种方式检查数据，使我们能够更好地了解是什么在驱动完成行为，并可能为未来的阶段性贡献提供提示。
图6a显示了某一阶段的仅有振幅的电磁响应。这个阶段可能对应于天然裂缝较多的区域，这是由偏移井的图像数据以及地震和偏移压力响应确定的。也许并不奇怪，这个阶段也显示出非常线性的向外增长，与该地区主要的天然裂缝平行方向。
另一方面，一个不同的阶段（图6b），显示了相位和振幅都大致相同的水平覆盖区域的反应。这很可能与图6a中观察到的岩石的破损情况不同。请注意，热图上的反应显示出更多的球状。
图6c比较了压裂和14天回流的电磁响应。在回流期间，有几个区域用红色突出显示，大部分信号发生在回流期间。与原始压裂数据相比，可以从这个数据中得到一些观察。既有相位和振幅响应的区域，或有相位和弱振幅响应的区域，与回流中的数据相吻合，在时间上有最大的响应。只记录了振幅数据的阶段（图6a）在回流过程中没有显示响应。回流数据显示压裂两侧的信号强度交替出现。
结论
在压裂作业中解释相位和振幅的电磁测量数据时，需要做出明确的区分。相位可能表明岩石被更多地破碎，而振幅则表明液体正在被注入。理想情况下，两种反应都能看到。在压裂过程中，天然裂缝似乎正在影响电磁响应。在EM数据中观察到的各向异性和 "鸭子走路 "可能是区域和局部应力的组合。天然裂缝群可能会影响反应，而且很可能它们相对于区域应力的方向会加强这种影响。
有第三个信号是由互感引起的，也能引起相位变化。这取决于分形分叉（Everett和Chave，2018；Zoback和Kohl，2019）。对这种类型的结构进行精细的电磁建模需要进一步研究。
该计划的下一步包括收集更多的数据，以更好地了解相位和振幅信号及其相关的完成和生产反应之间的关系。
参考文献和作者，请点击这里
图1-表面电磁阵列的示意图。地表的两个水雷通过发射线连接，两侧的接收器阵列设计成覆盖地下所需的横向范围。注入导电压裂液会扰乱井筒周围地下的基线电磁场。
