用于深部热干岩压裂监测的宽场电磁方法：能够穿透厚厚的低电阻率覆盖层

《Frontiers in Earth Science》：Wide-field electromagnetic method for deep hot dry rock fracturing monitoring: penetrating thick low-resistivity overburden

HDR储层深层水力压裂电磁监测方法研究。提出广域电磁法（WFEM）克服传统电磁法在>4000m厚低阻覆盖层下信号衰减难题，通过三维数值模拟优化参数（r=15km，I=130A，AB=3000m，MN=100m），验证其可检测25Ωm以下电阻率变化（Δρ达30%），实现储层流体分布实时映射，成本较微地震降低40%。

　　热干岩（HDR）地热资源是一种重要的可再生能源，但其开发需要通过水力压裂技术（HF）来增强渗透性。然而，传统的电磁（EM）方法在监测深部HDR压裂时面临显著的挑战，主要是由于低电阻率覆盖层（>4,000米，ρ < 80 Ωm）的屏蔽效应。克服这一技术瓶颈对于优化水力压裂操作和提高地热储层效率至关重要。

本研究提出了一种新型的宽域电磁方法（WFEM），用于在屏蔽环境中实现水力压裂的实时监测。通过三维数值模拟和在奥陶纪-寒武纪HDR储层（深度为4,200–5,600米）的现场应用，我们评估了WFEM对压裂流体引起的电阻率变化的敏感性。通过正向建模优化了关键的采集参数，包括发射器-接收器距离（r = 15公里）、电流（I = 130安培）以及电极间距（AB = 3,000米，MN = 100米）。这些参数的优化对于确保信号的信噪比（SNR）和提高监测的准确性至关重要。

现场数据表明，电阻率减少区域（从1,000Ωm到25Ωm）在空间上与活跃压裂井密切相关，展示了WFEM检测流体诱导异常的能力（Δρ可达30%）。该方法成功地绘制了流体分布模式，验证了其在深部、屏蔽地质环境下的分辨率。这为HDR储层的水力压裂监测提供了新的技术手段。

与传统的微地震监测方法相比，WFEM在监测HDR压裂方面具有显著的优势。微地震监测虽然在行业内被广泛采用，但其在追踪流体迁移和预存裂缝连通性方面的局限性已被广泛记录。而电磁方法能够直接探测由导电压裂流体引起的电阻率变化。例如，在澳大利亚的Paralana项目中，磁告诉电测（MT）数据在流体注入期间显示出5%的电磁变化。国内研究也显示了类似的结果：在宜昌页岩井中，可控源电磁测（CSEM）监测发现了7%的异常，而在WFEM应用中，成功实现了1.8公里深度的监测。然而，之前的方法，包括MT和CSEM，虽然在某些条件下取得了部分成功，但都面临厚低电阻率覆盖层中信号衰减的问题。因此，开发一种适用于深部HDR压裂监测的新技术成为当务之急。

WFEM方法具有独特的抗干扰能力、深部探测优势和高分辨率，使其成为解决这一技术难题的理想选择。与传统的平面波理论不同，WFEM基于表面波的电磁勘探理论，构建了一个全域电磁勘探技术体系。这种方法不采用Cagniard公式，也不进行近场-远场修正，而是利用未简化的全域公式，通过计算机编程迭代反演来实现。这种设计不仅显著扩展了可控源电磁方法的可观测范围，还提高了测量速度、精度和现场操作效率。此外，WFEM仅测量一个电场分量，从而降低了电磁干扰。结合宽域电阻率方法与2n-序列伪随机信号，进一步发展出了2n-序列伪随机信号宽域电磁方法，有效地融合了两种方法的优点。

伪随机信号是一种人工设计的确定性信号，具有近似随机统计特性。其特点包括宽带覆盖，即单次传输包含多个频率成分，从而实现多频同步测量；同时，具有强自相关特性，即与噪声的交叉相关性低，通过相关运算可以有效提取信号。WFEM方法通过伪随机信号编码实现了三大优势：一是多频同步激发能力，通过单次传输获取宽带数据，显著提高了采集效率；二是通过编码信号相关技术，提高了抗噪声能力，从而增强信号与噪声的比值；三是集中能量分布于设计的频率范围内，克服了自然场MT方法中的频谱分散问题。这些特性使得WFEM在深部地层的勘探中更具优势。

在水力压裂监测中，我们需要进行正向建模，以理解电磁场如何响应水力压裂过程中的地层变化。为此，我们从目标区域附近的测井数据中构建了一个分层模型，其电气参数如表1所示。层0为空气层，电偶极子源放置在地面以上某一高度h0处。将坐标系的原点设在电偶极子源正下方的地面点，正方向指向垂直向下，负方向指向向上。最底层（第N层）通常视为无限厚。在该模型中，我们假设相对介电常数ε和相对磁导率μ均为1，从而得到如图2所示的电磁场模型描述。

图2显示了一个基于电阻率测井的各向同性分层电模型的示意图。电阻率用ρ表示，对应厚度用h表示。在图1中，如果MN与电场的x分量之间的夹角为α，那么可以得到任意的水平电场分量EMN。通过调整发射器-接收器间距r、电流I、供电电极间距AB和接收电极间距MN，可以评估这些参数如何影响接收到的信号，并据此设计一个优化的采集系统。

在实验设计中，我们首先假设供电电极间距AB为固定值3,000米，电流I为130安培，接收电极间距MN为100米，然后测试不同发射器-接收器间距r（分别为9、12、15、18公里）对信号的影响。结果表明，随着r的增加，EMN的强度逐渐降低，但定义为EMN的异常值ηMN则随之增加，最大可达16%。因此，选择r = 15公里作为发射器-接收器间距，可以在保证高信噪比的前提下实现可靠的监测。

接着，我们测试了电流I对异常值ηMN的影响。在保持AB = 3,000米、MN = 100米、r = 15公里不变的情况下，分别测试I = 50、100和150安培。结果显示，EMN与电流强度成正比，但ηMN的异常值不受电流变化的影响。因此，为了确保信号的信噪比，应在允许范围内选择较高的电流强度。

然后，我们测试了供电电极间距AB对异常值的影响。在保持I = 130安培、MN = 100米、r = 15公里不变的情况下，分别测试AB = 1,000、2,000和3,000米。结果表明，随着AB的增加，EMN的强度也随之增加，但ηMN的异常值不受AB变化的影响。因此，建议选择较大的AB以提高EMN的强度。

最后，我们测试了接收电极间距MN对异常值的影响。在保持I = 130安培、AB = 3,000米、r = 15公里不变的情况下，分别测试MN = 50、100和200米。结果显示，虽然MN的变化不会影响ηMN的异常值，但较大的MN意味着更强的EMN。因此，推荐MN = 100米，以获得较高的分辨率。

综上所述，为了实现更好的水力压裂监测，应选择较强的电流I、较大的供电电极间距AB、较大的接收电极间距MN以及较小的发射器-接收器间距r。然而，随着r的增加，观测信号的强度会降低，可能导致EMN信号受到噪声干扰。在这种情况下，需要同时增加电流I和供电电极间距AB，以确保信噪比足够高。考虑到监测深度和压裂后的异常幅度，我们选择了以下观测系统参数：I = 130A，r = 15公里，AB = 3,000米，MN = 100米。此外，从上述分析可知，显著的异常值ηMN主要出现在10–0.1Hz的频率范围内，最大异常响应接近1Hz，符合WFEM的采集要求。

为了验证WFEM在厚覆盖层下监测HDR压裂的有效性，我们基于表1中的地质参数构建了一个三维电地质模型（图8）。三维数值模拟方法采用积分方程法。首先，引入共轭Green函数，将Maxwell方程组转化为第二类Fredholm积分方程。接着，使用数值方法将第二类Fredholm积分方程转换为矩阵方程，并通过求解矩阵方程获得异常体内部的电场分布。然后，使用相应的共轭Green函数对异常体内部的电场进行数值积分，从而得到异常体外部任意点的电场值。

数值模拟评估了背景地层模型（代表压裂前的条件）和三维电地质模型（代表压裂后的条件）的电磁响应。通过使用公式（6）对这两种状态下的相对幅度变化进行定量评估，从而系统分析压裂引起的电磁特征变化。对于一个500米×100米×100米的裂缝区，压裂后电阻率为10Ωm，图9展示了相应的三维电磁模拟结果。模拟的异常区域空间范围比实际裂缝尺寸大约15%–20%，这归因于电磁感应中的体积效应。然而，结果表明裂缝几何形状的分辨率良好，观测到的异常幅度超过20%，具有重要意义。

为了更贴近实际地质条件，当前模型结合了从井1和井2中提取的特定地质特征，包括压裂井轨迹的变化。使用测井射孔技术（创建8–12毫米直径的射孔孔道）建立了初始的流体通道，直接影响压裂的起始点和传播模式。总共注入了10,000立方米的压裂流体，分为五个阶段注入，流体沿射孔孔道向外迁移。图10展示了压裂后的电阻率扰动ηMN的等值线图，包括垂直和水平截面。图10的结果显示，压裂流体的影响范围在裂缝中心处最低，向周围逐渐增加，表明低电阻率区域即为压裂流体的影响范围。最大电阻率扰动可达25%，这表明WFEM技术在厚覆盖层下监测HDR压裂是可行的。

在该现场应用中，HDR储层的覆盖层厚度接近4,000米，整体电阻率较低。研究区域内布置了两口压裂井，重建目标区域位于4,400米的深部，被分段压裂。测量网络以压裂井1和压裂井2为中心，分别在压裂前后进行WFEM监测。图11和图12展示了压裂前后的电阻率图。非压裂区域（图11和图12中的虚线以上）的电阻率变化较小，而压裂区域的电阻率显著降低，部分高电阻率体被破坏并转变为中低电阻率异常。这些中低电阻率异常靠近井筒，表明压裂流体的聚集位置。图13显示了测井数据（蓝色）与使用WFEM预测的电阻率（红色）之间的对比，进一步验证了WFEM在流体分布图绘制中的准确性。

与传统电磁方法相比，WFEM在监测深度和信号信噪比方面具有明显优势。相比平行井的微地震监测，WFEM在绘制流体边界方面实现了25%更高的空间分辨率，尽管其时间分辨率较低。这种权衡使得WFEM成为压裂后储层评估的理想选择。

本研究基于宽域电磁方法，探讨了在厚覆盖层下监测深部水力压裂的可行性。结果表明，压裂后地层的电学特性发生了显著变化。通过固定地面观测系统和恒定的系统参数，可以准确测量压裂流体引起的电学特性变化。异常幅度仅与发射器-接收器间距r相关，而监测过程中的信号强度则与电流I、供电电极间距AB、接收电极间距MN以及发射器-接收器间距r有关。

本研究建立了WFEM作为首个能够监测厚覆盖层下HDR压裂的电磁方法。主要成果包括：

（1）参数优化：选择发射器-接收器间距r = 15公里和电流I = 130安培，可实现异常值ηMN（16–30%）的最大检测，同时保持信号信噪比。

（2）现场验证：目标区域的电阻率从1,000Ωm降低到25Ωm，与独立的测井数据一致，证实了WFEM在流体分布图绘制中的准确性。

（3）经济影响：与微地震阵列相比，WFEM的监测成本降低了40%，这对大规模地热能系统（EGS）的部署具有重要意义。

未来的研究应将WFEM与分布式声波传感（DAS）相结合，以实现裂缝特征的时空协同监测。这将进一步提升水力压裂监测的精度和效率，为HDR地热资源的可持续开发提供强有力的技术支持。