袁永榜， 易洪春

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶 400039)

0 引言

我國多數(shù)煤層為低透氣性煤層，具有非均質、低滲透率特點，抽采難度大。煤層氣抽采往往需要采用如深孔預裂爆破、密集鉆孔、CO2相變致裂技術、水力化技術等強化措施，以達到增強煤層透氣性和滲透率來提高抽采效率的目的。水力壓裂技術是利用鉆孔進行高壓注水使煤層壓裂增透區(qū)的煤體卸壓，透氣系數(shù)增大，增強煤層氣抽放效果，降低瓦斯含量，一定范圍內(nèi)起到了消除煤與瓦斯突出危險和降低開采中煤塵的作用[1-2]。近年來，煤層氣井下抽采中，水力化技術為提高煤層滲透性和抽采效率開辟了新途徑，水力壓裂技術得到了廣泛應用[3-4]。為優(yōu)化壓裂設計和控制施工質量，需對壓裂效果進行評價。目前，水力壓裂效果評價一般是按照瓦斯抽采、防突等技術規(guī)范和國家現(xiàn)行相關規(guī)定及水力化技術施工經(jīng)驗進行評價，現(xiàn)場主要采用打檢驗鉆孔的探查方式，存在工程量大、成本高、易造成壓裂孔布置密集、抽采效率低的問題[5]。

諸多學者對壓裂效果的檢驗方法進行了研究。駱大勇等[6]結合影響煤層注水效果的13個評價指標，運用模糊綜合評價法對煤層水力壓裂效果進行了評價，但評價結果受指標選取的準確性影響較大，且無法對具體的壓裂范圍進行劃分。當前應用地球物理勘探方法來檢驗水力壓裂效果的研究成果中，基本上都是選擇礦井瞬變電磁法、微震法、礦井高密度電法、電磁波層析成像(Computerized Tomography，CT)等方法中的一種或多種方法綜合探測的方式。李好[7]初步利用礦井瞬變電磁法對工作面順煤層水力壓裂效果進行了評價，該方法施工方便，但易造成劃分的壓裂范圍偏大。范濤等[8]應用瞬變電磁虛擬波場成像法對井下煤層氣水力壓裂效果進行了數(shù)值模擬，并進行了應用試驗，對提升探測精度有一定作用，但仍存在異常范圍偏大和受現(xiàn)場金屬干擾造成的“假異常”排除難度大等問題。王國義等[9]通過微地震同步監(jiān)測了古交區(qū)塊煤層氣開發(fā)的水力壓裂施工效果，該方法監(jiān)測范圍大，但實施復雜，監(jiān)測結果受觀測方式影響大。段建華等[10]綜合利用微震和瞬變電磁法對煤層氣水力壓裂效果進行了監(jiān)測，初步劃定了異常范圍，但煤層硬度、壓裂壓力的大小直接影響到接收的微震事件數(shù)，可能導致監(jiān)測結果失準，且施工復雜，實施成本高。袁永榜[11]采用綜合物探技術實現(xiàn)了井下穿層壓裂鉆孔的水力壓裂區(qū)域劃分，使多個物探方法優(yōu)勢互補，但綜合物探存在測量參數(shù)多、施工工作量大等問題，且其中電法勘探要達到某一深度需巷道具有足夠長度，巷道金屬支護對探測效果影響大。電磁波CT技術是在工作面雙巷間透視探測，對煤層的地質構造發(fā)育區(qū)、破碎帶等具有一定規(guī)模的地質異常體的探測效果較好，對水力壓裂造成的場強衰減響應較為強烈，但多采用單頻探測方式，難以兼顧透視距離和高分辨率，還可能因頻率選擇不當導致探測失敗。上述多種地球物理手段在水力壓裂效果評價中的應用或嘗試取得了一些效果，也說明利用物探方法進行壓裂范圍探測具有一定可行性，但大多數(shù)物探方法也存在分辨率偏低、實施復雜、成本偏高等問題，而電磁波CT法具有方法成熟、無損、施工簡便、準確性相對較高的優(yōu)勢。為滿足水力壓裂效果檢驗的準確、高效、便捷要求，本文依據(jù)不同頻率電磁波具有分辨率不同、穿透介質能力不同的特點，提出了基于多頻同步電磁波CT技術的煤層水力壓裂范圍探測方法，利用多頻電磁波CT法對水力壓裂范圍進行探測，一次探測可獲取多個頻率的數(shù)據(jù)，從不同分辨率綜合分析壓裂效果，大幅提升了探測準確性和效率，為水力壓裂范圍的檢驗提供了一種無損、施工便捷和準確性更高的物探手段。

1 電磁波CT探測水力壓裂范圍的物性基礎

井下水力壓裂技術是指采用高壓、大流量的礦用乳化液泵組把水快速壓入到煤層中，使煤層在外力作用下使其內(nèi)部的各種弱面發(fā)生張開、延伸和擴展，形成內(nèi)部分割，增加裂隙的空間體積和增強裂隙之間的連通，最終形成一種互相交織的多裂隙連通網(wǎng)絡，從而使煤層的透氣性增大，提高煤層氣抽采效果，降低煤與瓦斯突出危險性[12-13]。電磁波CT探測技術建立在煤巖體的電性差異基礎上，自然狀態(tài)下的煤層屬多孔隙、多微裂隙結構，含水率很低，一般呈現(xiàn)高電阻率特征。水力壓裂在短時間內(nèi)使煤巖裂隙、孔隙擴張，煤層壓裂區(qū)的含水性增加，煤巖電阻率明顯降低，這與壓裂前具有明顯的差異性，電磁波的衰減系數(shù)也會因水力壓裂使煤層破裂、充水而增大，這是應用電磁波CT技術探測水力壓裂范圍的物性基礎。

2 煤層水力壓裂范圍探測方法

2.1 電磁波透視法基本原理

電磁波在煤層中傳播時，遇到斷裂構造的界面、破碎帶、軟分層破壞帶及富含水帶等地質異常體將產(chǎn)生折射、反射和吸收，造成電磁波能量損耗，這就會形成透視陰影(異常區(qū))。電磁波透視探測的場強為

(1)

式中：H為與發(fā)射點距離為r處的實測場強值，A/m；H0為初始場強值，A/m；β為介質吸收系數(shù)，Np/m；r為發(fā)射點和接收點之間的距離，m；sinθ為方向因子，θ為偶極子天線軸與觀測點方向的夾角，一般取90°，即sinθ=1。

由式(1)可知，除了與距離r有關，H還取決于介質吸收系數(shù)β，而β值與介質的電阻率、介電常數(shù)、磁導率和角頻率有關[14]。

(2)

式中：ω為角頻率，rad/s；ε為介電常數(shù)，F(xiàn)/m；μ為磁導率，H/m；ρ為電阻率，Ω·m。

在輻射條件不隨時間變化時，H0為常數(shù)，介質吸收系數(shù)β是影響場強幅值的主要參數(shù)，它的值越大，場強變化就越大。

當前電磁波透視儀實測場強都以分貝值顯示，根據(jù)電壓值與分貝值的關系，轉換后探測儀器實測的透視場強為[15]

(3)

2.2 多頻煤層水力壓裂范圍探測方法原理

電磁波CT技術中，低頻電磁波具有穿透介質能力強，但對異常分辨率偏低的特點，高頻電磁波具有分辨能力強的優(yōu)勢，但穿透能力弱。多個頻率的電磁波CT結果互為參考解釋，可有效提高探測結果的可靠性和精度，在鉆孔布置相對密集的情況下，更有利于考察各孔的壓裂效果。電磁波透視探測中，需切斷工作面供電系統(tǒng)，以降低電磁干擾。常規(guī)電磁波透視法在一次探測施工中，往往僅選擇某一種頻率進行探測，可能導致頻率選擇不當而達不到所需探測效果，若要獲取多頻探測數(shù)據(jù)，則需要多次施工，費時費力，且較難保證探測環(huán)境的一致性。為此，筆者采用一種串行發(fā)射接收技術實現(xiàn)多個頻率電磁波的同步探測，一次探測施工中獲取多個頻率的數(shù)據(jù)，可提高探測效率和準確性。探測采用WKT-0.03型無線電波透視儀，支持0.3，0.5，1.5 MHz三種頻率或任意2種頻率組合串行同步發(fā)收，接收靈敏度小于0.03 μV/m，其工作原理如圖1所示。通過發(fā)射機主動授時，使得發(fā)射機與接收機的時序保持精準同步。在一個發(fā)射周期內(nèi)，發(fā)射機按時序串行發(fā)射0.3，0.5，1.5 MHz三個頻率電磁波，單個頻率發(fā)射10 s后自動切換頻率，接收機在對應時刻接收相應頻率的場強值，在設定的時間段內(nèi)完成測點的3個頻率數(shù)據(jù)接收，再移動至下個發(fā)射點進行探測，實現(xiàn)一次施工獲取3個頻率的探測數(shù)據(jù)。

圖1 多頻電磁波同步探測工作原理Fig.1 Working principle of multi-frequency electromagnetic wave synchronous detection

3 探測試驗

3.1 試驗概況

重慶某煤礦S1641對拉工作面開采M6煤層，平均煤層厚度為0.85 m，平均煤(巖)層傾角為12°。煤層瓦斯含量為18.54 m3/t，煤層具有煤與瓦斯突出危險，瓦斯突出現(xiàn)象與地質構造相關性較強，瓦斯突出現(xiàn)象多發(fā)生在羊叉灘背斜軸部。為提高抽采效率和保障回采安全，該礦采用順煤層中壓注水壓裂技術治理瓦斯。本次試驗的北工作面寬度為136.3 m，回采總長度為1 000～1 017 m，目標區(qū)為靠近S1641北工作面開切眼的A區(qū)。壓裂鉆孔布置如圖2所示，其中h表示斷層的斷距。在北回風巷朝向工作面煤層共布置8個壓裂鉆孔(編號為1號—8號)，1號鉆孔距離S1641北工作面開切眼40.6 m，鉆孔間距為39 m，施工方位為180°，施工傾角為+3°，注水層位均為M6煤層，注水參數(shù)見表1，鉆孔在煤層中開孔并沿煤層水平鉆進。高壓泵采用3ZSB-158/18型，額定壓力為35 MPa，額定流量為80 L/min。

圖2 壓裂鉆孔及測點布置Fig.2 Layout of fracturing drillings and measuring points

表1 水力壓裂鉆孔參數(shù)Table 1 Hydraulic fracturing drilling parameters

3.2 測點布置

采用3種頻率的電磁波進行同步透視探測，在南機巷、北回風巷內(nèi)各布置71個測點，測點間距為5 m，考察北回風巷走向長度350 m范圍內(nèi)工作面施工的8個鉆孔的水力壓裂效果，測點布置如圖2所示，圖中淺灰色射線表示電磁波CT觀測系統(tǒng)范圍。采用定點法測量，即在1個發(fā)射點時，另一巷道內(nèi)接收11個測點數(shù)據(jù)。為準確探查煤層水力壓裂的影響范圍，在水力壓裂施工前進行第1次探測，壓裂后立即開展第2次探測，此時水力壓裂區(qū)域暫未處于失水狀態(tài)，電磁波響應較強。利用壓裂前后2次探測的電磁波衰減系數(shù)等值線圖進行對比分析，劃分出煤層壓裂范圍。

4 探測結果分析

為確保壓裂前后的探測結果不受探測環(huán)境和人為因素影響，2次探測的試驗條件力求保持一致，選取了相同參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，以便進行分析對比。將接收到的3個頻率電磁波場強數(shù)據(jù)利用層析成像軟件處理成像，將計算所得電磁波衰減系數(shù)繪制成等值線圖，如圖3—圖5所示。水力壓裂前后的衰減系數(shù)等值線填充采用統(tǒng)一色標，以方便對比分析。

4.1 不同頻率探測結果分析

根據(jù)計算結果分析得到壓裂前后不同頻率電磁波衰減系數(shù)值，見表2。

從圖3—圖5的3個頻率探測結果及表2可看出，煤層被壓裂、裂隙充水后主要表現(xiàn)為衰減系數(shù)增大，據(jù)此可對煤層壓裂范圍進行劃分。這里的衰減系數(shù)為相對值，隨探測頻率增高，衰減系數(shù)有一定程度增大。壓裂范圍的電磁波衰減系數(shù)普遍分布在該頻率衰減系數(shù)的平均值附近，異常閾值和平均值的波動小于0.02 dB/m。壓裂前定義異常劃分閾值，壓裂后用同一閾值進行判斷，將衰減系數(shù)高于該閾值的區(qū)域劃為異常區(qū)，再進行對比分析。

(a) 水力壓裂前

(b) 水力壓裂后

(a) 水力壓裂前

(b) 水力壓裂后

從圖3及表2可看出，壓裂后，0.3 MHz電磁波衰減系數(shù)最大值增大0.11 dB/m，最小值增大0.03 dB/m，平均值增大0.08 dB/m，整體衰減系數(shù)增大，衰減系數(shù)大于0.50 dB/m的高衰減異常區(qū)域分布于南機巷30～120 m段、北回風巷230～350 m段，呈現(xiàn)片狀分布，分析為壓裂影響范圍。

從圖4及表2可看出，壓裂后，0.5 MHz電磁波衰減系數(shù)最大值增大0.04 dB/m，最小值增大0.02 dB/m，平均值增大0.03 dB/m。北回風巷40～80，240～340 m段顯示為相對高衰減區(qū)域，分析為壓裂影響范圍。衰減系數(shù)整體增大，分布范圍也有所增大，說明因水力壓裂導致區(qū)域的電性差異增大，場強衰減更強。壓裂前，北回風巷275，320 m巷道已揭露的2條小斷層有一定程度的相對高衰減響應。

(a) 水力壓裂前

(b) 水力壓裂后

表2 壓裂前后不同頻率衰減系數(shù)值對比Table 2 Comparison of attenuation coefficient values of different frequencies before and after fracturing

從圖5及表2可看出，壓裂后，1.5 MHz電磁波衰減系數(shù)最大值增大0.06 dB/m，最小值不變，平均值增大0.02 dB/m。壓裂后，整體衰減系數(shù)增大，衰減系數(shù)大于0.64 dB/m的高衰減區(qū)域分布于60～80，100～140，200～340 m段，高衰減區(qū)呈現(xiàn)條狀分布，分析為壓裂影響范圍。壓裂前，北回風巷275，320 m巷道已揭露的2條小斷層有相對更強的衰減響應。

綜合分析3個探測結果可看出：水力壓裂后，3個頻率探測結果均表現(xiàn)為電磁波場強值的高衰減特性。壓裂區(qū)的電磁波衰減系數(shù)明顯增大，衰減系數(shù)區(qū)間變寬，分析為水力壓裂導致壓裂區(qū)和非壓裂區(qū)對電磁波的能量吸收差距變大；高衰減異常區(qū)分布范圍有一定的對應性，主要分布在橫坐標為40～90，100～140，210～350 m段，約占探測范圍的65%；0.3，0.5 MHz的探測結果異常區(qū)基本呈現(xiàn)片狀分布，而1.5 MHz電磁波對水力壓裂區(qū)的響應更靈敏，呈縱向條帶狀分布，衰減也更強，相對其他2個頻率的探測結果分辨率更高。對于落差較小斷層，也具有較明顯的衰減響應。多種頻率探測結果可互相印證，得出較為可靠的解釋。

4.2 響應特征及壓裂范圍分析

對比不同頻率電磁波CT探測結果可知，不同頻率電磁波對水力壓裂施工均有不同程度異常響應，3個探測結果中的相對高衰減異常區(qū)域基本對應，但頻率低的電磁波成像結果分辨率相對較差，能大致區(qū)分壓裂區(qū)；頻率越高的電磁波對各鉆孔的壓裂范圍成像越精細。

采用多頻同步電磁波CT技術探查工作面順煤層水力壓裂范圍，以衰減系數(shù)閾值劃分壓裂有效范圍。其中，2號，3號，6號—8號孔壓裂效果較為顯著，影響范圍在鉆孔周邊15～25 m圍巖范圍內(nèi)，本次壓裂有效面積占預壓裂區(qū)域的65%以上?？紤]部分鉆孔因漏水或裂隙發(fā)育壓裂效果較差，建議對0～40，140～200 m補充二次壓裂，并加密壓裂孔距。單孔注水量分析結果及后期驗證資料顯示，探測結果和實際壓裂范圍較吻合，2號，3號，6號，7號鉆孔壓裂范圍均在23 m以上。

5 結論

(1) 從試驗工作面的8個壓裂鉆孔的電磁波CT結果來看，3個頻率電磁波均能有效穿透S1641北工作面，根據(jù)電磁波場強的衰減系數(shù)閾值可劃分出壓裂有效范圍。其中2號，3號，6號—8號鉆孔的壓裂效果較為顯著，壓裂范圍為壓裂鉆孔周邊圍巖半徑15～25 m，經(jīng)驗證較符合實際。

(2) 水力壓裂后導致電磁波場強值發(fā)生高衰減現(xiàn)象，頻率高的電磁波在水力壓裂區(qū)的衰減幅度更明顯，橫向分辨率較好。注水量與電磁波場強衰減系數(shù)呈正相關變化，衰減系數(shù)隨注水量增加而增大。

(3) 3個頻率電磁波CT結果對壓裂范圍的異常響應基本對應。應用多頻同步電磁波CT技術對比分析多個頻率探測結果，并進行綜合解釋，更有利于提升探測的可靠性和精度。