趙 睿，范 濤，李宇騰，王繼礦，馬 媛，王冰純，劉 磊，房 哲

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

水力壓裂技術(shù)作為圍巖控制和低滲透煤層增透的有效手段在煤礦井下逐漸得到廣泛應(yīng)用，主要包括沖擊地壓防治、回采工作面堅(jiān)硬頂板控制、圍巖卸壓等方面[1]。對(duì)壓裂效果影響最大的因素是壓裂所形成裂縫的擴(kuò)展形態(tài)、延伸方向和距離，因此，有必要對(duì)壓裂裂縫發(fā)育情況采用相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)檢測(cè)壓裂效果[2-4]。

目前通過(guò)物探技術(shù)來(lái)檢測(cè)評(píng)價(jià)壓裂效果的實(shí)際應(yīng)用報(bào)道比較少，主要包括微震監(jiān)測(cè)法和瞬變電磁法[5-9]，微震監(jiān)測(cè)法通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域提前布設(shè)的傳感器拾取壓裂所形成裂縫在擴(kuò)展過(guò)程中向外傳播的微震波信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理計(jì)算后實(shí)現(xiàn)定位。但該方法存在的問(wèn)題是如果壓裂區(qū)圍巖破碎嚴(yán)重，壓裂液會(huì)隨著破碎的裂縫流動(dòng)，很難產(chǎn)生新的裂縫，不發(fā)生微震從而導(dǎo)致該技術(shù)失效[10]。

瞬變電磁法對(duì)低電阻率介質(zhì)反應(yīng)敏感，而壓裂液作為低阻探測(cè)目標(biāo)，非常適合利用瞬變電磁技術(shù)對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。通過(guò)對(duì)比壓裂區(qū)域內(nèi)壓裂前后的視電阻率變化情況，可以獲取到壓裂液的擴(kuò)散分布狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)壓裂效果檢測(cè)的目的[11]。

利用巷-孔瞬變電磁探測(cè)技術(shù)及裝備在水力壓裂效果檢測(cè)評(píng)價(jià)方面進(jìn)行了一系列相關(guān)的試驗(yàn)研究，獲得很好的應(yīng)用效果[12-15]。該方法及裝置通過(guò)手推桿將接收探頭送入鉆孔中，感應(yīng)線圈接收到的二次場(chǎng)信號(hào)通過(guò)線纜傳輸至孔口主機(jī)進(jìn)行處理，受人工推送施工及信號(hào)線纜衰減等因素影響導(dǎo)致其探測(cè)孔深有限。

在前期巷-孔瞬變電磁探測(cè)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，為了提高探測(cè)孔深，更好地滿足定向長(zhǎng)鉆孔壓裂效果檢測(cè)的應(yīng)用需求，筆者設(shè)計(jì)了一套鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)技術(shù)及裝置，并開(kāi)展試驗(yàn)，將其用于水力壓裂效果檢測(cè)。

1 方法原理

瞬變電磁法是利用不接地回線或接地電極向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場(chǎng)，用線圈或接地電極觀測(cè)由該脈沖電磁場(chǎng)感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)，通過(guò)對(duì)該二次場(chǎng)的空間和時(shí)間的分布分析來(lái)認(rèn)識(shí)有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題[16-18]。

鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)技術(shù)是根據(jù)瞬變電磁法的基本原理，將發(fā)射線圈和三分量接收線圈一同送入鉆孔中，逐點(diǎn)進(jìn)行三分量測(cè)量。定義順鉆孔軸向方向?yàn)閆分量，垂直鉆孔軸向向下方向?yàn)閅分量，與Y分量正交方向?yàn)閄分量，通過(guò)接收到的Z分量二次場(chǎng)信號(hào)分析鉆孔周圍可能存在的低阻異常區(qū)，通過(guò)X、Y兩組水平分量二次場(chǎng)信號(hào)分析異常相對(duì)于鉆孔的空間方位，最終形成以鉆孔為中心，徑向一定距離范圍內(nèi)的圓柱形探測(cè)區(qū)域，如圖1 所示。

整個(gè)探測(cè)過(guò)程中發(fā)射線圈與接收線圈(激勵(lì)源與接收裝置)始終同時(shí)移動(dòng)，相對(duì)位置不變，因此，將該技術(shù)稱為動(dòng)源動(dòng)接收鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)。

圖1 動(dòng)源動(dòng)接收鉆孔瞬變電磁探測(cè)原理Fig.1 Principle of dynamic source and reception of borehole TEM detection

2 施工流程

本文所設(shè)計(jì)的鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)裝置主要包括孔中三分量測(cè)量探管和孔口裝置兩部分，孔中探管將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理后保存在其內(nèi)部存儲(chǔ)器中?？卓谘b置的功能是向孔中探管下發(fā)測(cè)量配置參數(shù)以及在測(cè)量完成后回讀孔中探管內(nèi)部存儲(chǔ)器中保存的測(cè)量數(shù)據(jù)。利用鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)技術(shù)檢測(cè)水力壓裂效果的施工流程主要通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

①在進(jìn)行壓裂前，給孔口裝置及孔中探管上電，孔口裝置向孔中探管授時(shí)同步、發(fā)送發(fā)射頻率及采樣頻率等測(cè)量參數(shù)；

② 完成配置后，將孔中探管送入鉆孔，推送至測(cè)量位置后探管靜止開(kāi)始測(cè)量并記錄當(dāng)前位置探管方位姿態(tài)信息(傾角、方位角和工具面角)，孔口裝置記錄當(dāng)前測(cè)量時(shí)間及深度信息；

③探管送至孔底后完成探測(cè)工作，取出探管，通過(guò)孔口裝置對(duì)孔中探管內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)起回讀操作；

④ 對(duì)鉆孔進(jìn)行水力壓裂，壓裂完成后等待一段時(shí)間；

⑤ 打開(kāi)壓裂鉆孔，再將探管送入鉆孔，重復(fù)①—④步驟的工作；

⑥ 對(duì)壓裂前后2 次測(cè)量數(shù)據(jù)的垂直分量進(jìn)行全期視電阻率計(jì)算并對(duì)視電阻率計(jì)算結(jié)果按對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行差值計(jì)算，確定主要裂縫分布范圍；

⑦ 對(duì)水平分量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，判斷異常體方位并計(jì)算出裂縫的延展角度；

⑧ 計(jì)算主要裂縫視電阻率異常的立體空間坐標(biāo)，繪制其立體分布圖，完成壓裂效果三維展示。

3 數(shù)據(jù)處理

完成探測(cè)施工獲得測(cè)量數(shù)據(jù)以后，需要通過(guò)對(duì)比壓裂前后2 次探測(cè)數(shù)據(jù)垂直分量的視電阻率計(jì)算結(jié)果來(lái)提取出純異常場(chǎng)，判斷裂縫主要分布范圍。因此，在數(shù)據(jù)處理流程中，首先，對(duì)2 次測(cè)量數(shù)據(jù)的垂直分量進(jìn)行全期視電阻率計(jì)算[19-21]，由于礦井瞬變電磁法感應(yīng)場(chǎng)為全空間瞬變響應(yīng)，視電阻率表達(dá)式與地面視電阻率表達(dá)式應(yīng)有所區(qū)別，故將礦井瞬變電磁法視電阻率表達(dá)式定義為：

式中：ρτ為視電阻率；C為全空間系數(shù)；μ0為真空導(dǎo)磁率；t為觀測(cè)時(shí)間；S為發(fā)射線圈面積；N為發(fā)射線圈匝數(shù)；s為接收線圈面積；n為接收線圈匝數(shù)；V為接收電壓；I為發(fā)射電流。

根據(jù)垂直分量處理成果，判斷出主要的含水壓裂裂隙分布范圍，為了分析這些主體異常相對(duì)于鉆孔的方位，需要進(jìn)行水平分量解釋。水平分量解釋主要是根據(jù)垂直正交于鉆孔的2 組水平分量即X、Y分量的幅值變化，判斷異常中心方位角。由于瞬變電磁早期數(shù)據(jù)存在電感影響，而晚期信號(hào)容易受到干擾，信號(hào)弱且數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，因此，選用水平分量中期數(shù)據(jù)進(jìn)行異常中心定位。

在孔中瞬變電磁探測(cè)時(shí)，異常體引起的二次場(chǎng)是矢量場(chǎng)，由水平渦流場(chǎng)的空間分布特征可知，在鉆孔中觀測(cè)到2 個(gè)水平分量(Vx、Vy)的矢量和(Vxy)，其方向一定是由鉆孔指向異常體的等效渦流中心上，只需計(jì)算出Vxy的方向，就可知道異常體中心的具體方位。

如圖2 所示，設(shè)Vxy與X軸夾角為θ，則：

其中，Vx、Vy均為已知值，求反正弦即得到θ：

圖2 水平角度示意Fig.2 Schematic diagram of horizontal angle

4 應(yīng)用實(shí)例

陜西某礦42108 工作面采用水力壓裂的方法對(duì)其頂板開(kāi)展了卸壓治理，為了檢驗(yàn)壓裂效果，筆者采用本文所闡述的鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)技術(shù)分別在壓裂前與壓裂后對(duì)壓裂孔進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)對(duì)比分析鉆孔周圍的富水情況與裂隙發(fā)育情況推斷水力壓裂的破碎位置與展布方向，為壓裂效果檢測(cè)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

本次試驗(yàn)的施工鉆孔為3-3 號(hào)壓裂孔，終孔孔深360 m，實(shí)鉆平面情況如圖3 所示。本次主要探測(cè)鉆孔深度111～357 m 區(qū)段，鉆孔徑向探測(cè)范圍0～35 m 低阻異常。設(shè)計(jì)施工測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距3 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三分量數(shù)據(jù)采集，總共施工測(cè)點(diǎn)120 組，數(shù)據(jù)點(diǎn)360 個(gè)。

圖3 3-3 號(hào)鉆孔實(shí)鉆平面軌跡Fig.3 Actual drilling plan of No.3-3 borehole

根據(jù)壓裂前后2 次探測(cè)數(shù)據(jù)視電阻率的計(jì)算結(jié)果，將壓裂前的探測(cè)成果當(dāng)作背景場(chǎng)，在壓裂后的探測(cè)成果中減去背景場(chǎng)，提取出純異常場(chǎng)，共得到11 個(gè)條帶狀異常，計(jì)算成果如圖4 所示。

通過(guò)對(duì)純異常的提取可以看出：沿鉆孔深度方向1 號(hào)異常位于鉆孔深度114～129 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，且異常強(qiáng)度較強(qiáng)；2 號(hào)異常位于鉆孔深度135～156 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，異常強(qiáng)度中等；3 號(hào)異常位于鉆孔深度165～185 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，異常強(qiáng)度中等；4 號(hào)異常位于鉆孔深度186～210 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，異常強(qiáng)度較強(qiáng)；5 號(hào)異常位于鉆孔深度210～225 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，異常強(qiáng)度中等；6 號(hào)異常位于鉆孔深度225～255 m，異常區(qū)域分布區(qū)間較大條帶狀較為明顯，異常強(qiáng)度中等；7號(hào)異常位于鉆孔深度255～270 m，異常區(qū)域分布較為零散，異常強(qiáng)度中等；8 號(hào)異常位于鉆孔深度276～285 m，異常區(qū)域分布范圍較小，異常強(qiáng)度中等；9 號(hào)異常位于鉆孔深度285～315 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，且分布范圍較大，異常強(qiáng)度中等；10號(hào)異常位于鉆孔深度315～336 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，異常強(qiáng)度中等；11 號(hào)異常位于鉆孔深度336～345 m，異常區(qū)域呈明顯條帶狀分布，異常分布范圍較小，異常強(qiáng)度中等。

圖4 壓裂后純異常場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of pure abnormal filed after fracturing

根據(jù)以上異常分布情況可以看出：本次壓裂造成沿鉆孔徑向探測(cè)方向近區(qū)巖層(0～10 m)散碎，而遠(yuǎn)區(qū)巖層(10～35 m)裂隙形成較為明顯。

完成垂直分量數(shù)據(jù)處理以后，根據(jù)水平分量解釋處理結(jié)果，判斷異常體中心所在象限，求出方位角，在VOXLER 軟件中繪制裂縫立體空間三維成像結(jié)果(圖5)。圖5 中X軸方向?yàn)檎龞|方向，Y軸方向?yàn)檎狈较?，Z軸方向?yàn)榇怪彼矫嫦蛏戏较颉?/p>

圖5 主要裂縫空間分布Fig.5 Spatial distribution of main cracks

5 結(jié)論

a.鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)技術(shù)通過(guò)將發(fā)射線圈及接收線圈同時(shí)送入鉆孔中，逐點(diǎn)進(jìn)行瞬變電磁三分量探測(cè)，對(duì)比壓裂前后2 次探測(cè)數(shù)據(jù)的垂直分量處理成果，提取出純異常場(chǎng)，獲得主要裂縫分布范圍，再對(duì)校正后的水平分量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出裂縫的延展方向及角度，最后根據(jù)上述計(jì)算處理結(jié)果完成主要裂縫的立體空間三維成像展示。

b.井下現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)實(shí)例完成了水力壓裂鉆孔周圍壓裂前后的對(duì)比探測(cè)，精細(xì)解釋了本次壓裂所形成主要裂縫的延展方向及形態(tài)，證明鉆孔瞬變電磁三分量探測(cè)技術(shù)能夠?qū)λ毫蚜芽p的發(fā)育情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為壓裂效果評(píng)價(jià)提供有力依據(jù)。

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