基于多頻同步電磁波CT技術(shù)的煤層水力壓裂范圍探測試驗(yàn)

袁永榜， 易洪春

(中煤科工集團(tuán)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(zhì)、低滲透率特點(diǎn)，抽采難度大。煤層氣抽采往往需要采用如深孔預(yù)裂爆破、密集鉆孔、CO2相變致裂技術(shù)、水力化技術(shù)等強(qiáng)化措施，以達(dá)到增強(qiáng)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(shù)是利用鉆孔進(jìn)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(qiáng)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(xiǎn)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(shù)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(shù)得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。為優(yōu)化壓裂設(shè)計(jì)和控制施工質(zhì)量，需對(duì)壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前，水力壓裂效果評(píng)價(jià)一般是按照瓦斯抽采、防突等技術(shù)規(guī)范和國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)定及水力化技術(shù)施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，現(xiàn)場主要采用打檢驗(yàn)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(xué)者對(duì)壓裂效果的檢驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。駱大勇等[6]結(jié)合影響煤層注水效果的13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)煤層水力壓裂效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但評(píng)價(jià)結(jié)果受指標(biāo)選取的準(zhǔn)確性影響較大，且無法對(duì)具體的壓裂范圍進(jìn)行劃分。當(dāng)前應(yīng)用地球物理勘探方法來檢驗(yàn)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(duì)工作面順煤層水力壓裂效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，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(yīng)用瞬變電磁虛擬波場成像法對(duì)井下煤層氣水力壓裂效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，并進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)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?！迸懦y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(shí)施復(fù)雜，監(jiān)測結(jié)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(duì)煤層氣水力壓裂效果進(jìn)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(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果失準(zhǔn)，且施工復(fù)雜，實(shí)施成本高。袁永榜[11]采用綜合物探技術(shù)實(shí)現(xiàn)了井下穿層壓裂鉆孔的水力壓裂區(qū)域劃分，使多個(gè)物探方法優(yōu)勢互補(bǔ)，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(dá)到某一深度需巷道具有足夠長度，巷道金屬支護(hù)對(duì)探測效果影響大。電磁波CT技術(shù)是在工作面雙巷間透視探測，對(duì)煤層的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)、破碎帶等具有一定規(guī)模的地質(zhì)異常體的探測效果較好，對(duì)水力壓裂造成的場強(qiáng)衰減響應(yīng)較為強(qiáng)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(dāng)導(dǎo)致探測失敗。上述多種地球物理手段在水力壓裂效果評(píng)價(jià)中的應(yīng)用或嘗試取得了一些效果，也說明利用物探方法進(jìn)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(shí)施復(fù)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(zhǔn)確性相對(duì)較高的優(yōu)勢。為滿足水力壓裂效果檢驗(yàn)的準(zhǔn)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(zhì)能力不同的特點(diǎn)，提出了基于多頻同步電磁波CT技術(shù)的煤層水力壓裂范圍探測方法，利用多頻電磁波CT法對(duì)水力壓裂范圍進(jìn)行探測，一次探測可獲取多個(gè)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(zhǔn)確性和效率，為水力壓裂范圍的檢驗(yàn)提供了一種無損、施工便捷和準(zhǔn)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(chǔ)

井下水力壓裂技術(shù)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(kuò)展，形成內(nèi)部分割，增加裂隙的空間體積和增強(qiáng)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(luò)，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(xiǎn)性[12-13]。電磁波CT探測技術(shù)建立在煤巖體的電性差異基礎(chǔ)上，自然狀態(tài)下的煤層屬多孔隙、多微裂隙結(jié)構(gòu)，含水率很低，一般呈現(xiàn)高電阻率特征。水力壓裂在短時(shí)間內(nèi)使煤巖裂隙、孔隙擴(kuò)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(huì)因水力壓裂使煤層破裂、充水而增大，這是應(yīng)用電磁波CT技術(shù)探測水力壓裂范圍的物性基礎(chǔ)。

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(shí)，遇到斷裂構(gòu)造的界面、破碎帶、軟分層破壞帶及富含水帶等地質(zhì)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(huì)形成透視陰影(異常區(qū))。電磁波透視探測的場強(qiáng)為

(1)

式中：H為與發(fā)射點(diǎn)距離為r處的實(shí)測場強(qiáng)值，A/m；H0為初始場強(qiáng)值，A/m；β為介質(zhì)吸收系數(shù)，Np/m；r為發(fā)射點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的距離，m；sinθ為方向因子，θ為偶極子天線軸與觀測點(diǎn)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(guān)，H還取決于介質(zhì)吸收系數(shù)β，而β值與介質(zhì)的電阻率、介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和角頻率有關(guān)[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(dǎo)率，H/m；ρ為電阻率，Ω·m。

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

當(dāng)前電磁波透視儀實(shí)測場強(qiáng)都以分貝值顯示，根據(jù)電壓值與分貝值的關(guān)系，轉(zhuǎn)換后探測儀器實(shí)測的透視場強(qiáng)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(shù)中，低頻電磁波具有穿透介質(zhì)能力強(qiáng)，但對(duì)異常分辨率偏低的特點(diǎn)，高頻電磁波具有分辨能力強(qiáng)的優(yōu)勢，但穿透能力弱。多個(gè)頻率的電磁波CT結(jié)果互為參考解釋，可有效提高探測結(jié)果的可靠性和精度，在鉆孔布置相對(duì)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(jìn)行探測，可能導(dǎo)致頻率選擇不當(dāng)而達(dá)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率電磁波的同步探測，一次探測施工中獲取多個(gè)頻率的數(shù)據(jù)，可提高探測效率和準(zhǔn)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(jī)主動(dòng)授時(shí)，使得發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的時(shí)序保持精準(zhǔn)同步。在一個(gè)發(fā)射周期內(nèi)，發(fā)射機(jī)按時(shí)序串行發(fā)射0.3，0.5，1.5 MHz三個(gè)頻率電磁波，單個(gè)頻率發(fā)射10 s后自動(dòng)切換頻率，接收機(jī)在對(duì)應(yīng)時(shí)刻接收相應(yīng)頻率的場強(qiáng)值，在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)完成測點(diǎn)的3個(gè)頻率數(shù)據(jù)接收，再移動(dòng)至下個(gè)發(fā)射點(diǎn)進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)一次施工獲取3個(gè)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(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

重慶某煤礦S1641對(duì)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(xiǎn)，瓦斯突出現(xiàn)象與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)性較強(qiáng)，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(shù)治理瓦斯。本次試驗(yàn)的北工作面寬度為136.3 m，回采總長度為1 000～1 017 m，目標(biāo)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(fēng)巷朝向工作面煤層共布置8個(gè)壓裂鉆孔(編號(hào)為1號(hào)—8號(hào))，1號(hào)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(jìn)。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(diǎn)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(diǎn)布置

采用3種頻率的電磁波進(jìn)行同步透視探測，在南機(jī)巷、北回風(fēng)巷內(nèi)各布置71個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為5 m，考察北回風(fēng)巷走向長度350 m范圍內(nèi)工作面施工的8個(gè)鉆孔的水力壓裂效果，測點(diǎn)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(diǎn)法測量，即在1個(gè)發(fā)射點(diǎn)時(shí)，另一巷道內(nèi)接收11個(gè)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。為準(zhǔn)確探查煤層水力壓裂的影響范圍，在水力壓裂施工前進(jìn)行第1次探測，壓裂后立即開展第2次探測，此時(shí)水力壓裂區(qū)域暫未處于失水狀態(tài)，電磁波響應(yīng)較強(qiáng)。利用壓裂前后2次探測的電磁波衰減系數(shù)等值線圖進(jìn)行對(duì)比分析，劃分出煤層壓裂范圍。

4 探測結(jié)果分析

為確保壓裂前后的探測結(jié)果不受探測環(huán)境和人為因素影響，2次探測的試驗(yàn)條件力求保持一致，選取了相同參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以便進(jìn)行分析對(duì)比。將接收到的3個(gè)頻率電磁波場強(qiáng)數(shù)據(jù)利用層析成像軟件處理成像，將計(jì)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(biāo)，以方便對(duì)比分析。

4.1 不同頻率探測結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)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(gè)頻率探測結(jié)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(duì)煤層壓裂范圍進(jìn)行劃分。這里的衰減系數(shù)為相對(duì)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(dòng)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(jìn)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(jìn)行對(duì)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(jī)巷30～120 m段、北回風(fēng)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(fēng)巷40～80，240～340 m段顯示為相對(duì)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(dǎo)致區(qū)域的電性差異增大，場強(qiáng)衰減更強(qiáng)。壓裂前，北回風(fēng)巷275，320 m巷道已揭露的2條小斷層有一定程度的相對(duì)高衰減響應(yīng)。

(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(duì)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(fēng)巷275，320 m巷道已揭露的2條小斷層有相對(duì)更強(qiáng)的衰減響應(yīng)。

綜合分析3個(gè)探測結(jié)果可看出：水力壓裂后，3個(gè)頻率探測結(jié)果均表現(xiàn)為電磁波場強(qiáng)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(dǎo)致壓裂區(qū)和非壓裂區(qū)對(duì)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(duì)應(yīng)性，主要分布在橫坐標(biāo)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(jié)果異常區(qū)基本呈現(xiàn)片狀分布，而1.5 MHz電磁波對(duì)水力壓裂區(qū)的響應(yīng)更靈敏，呈縱向條帶狀分布，衰減也更強(qiáng)，相對(duì)其他2個(gè)頻率的探測結(jié)果分辨率更高。對(duì)于落差較小斷層，也具有較明顯的衰減響應(yīng)。多種頻率探測結(jié)果可互相印證，得出較為可靠的解釋。

4.2 響應(yīng)特征及壓裂范圍分析

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

采用多頻同步電磁波CT技術(shù)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(hào)，3號(hào)，6號(hào)—8號(hào)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(yù)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(duì)0～40，140～200 m補(bǔ)充二次壓裂，并加密壓裂孔距。單孔注水量分析結(jié)果及后期驗(yàn)證資料顯示，探測結(jié)果和實(shí)際壓裂范圍較吻合，2號(hào)，3號(hào)，6號(hào)，7號(hào)鉆孔壓裂范圍均在23 m以上。

5 結(jié)論

(1) 從試驗(yàn)工作面的8個(gè)壓裂鉆孔的電磁波CT結(jié)果來看，3個(gè)頻率電磁波均能有效穿透S1641北工作面，根據(jù)電磁波場強(qiáng)的衰減系數(shù)閾值可劃分出壓裂有效范圍。其中2號(hào)，3號(hào)，6號(hào)—8號(hào)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(yàn)證較符合實(shí)際。

(2) 水力壓裂后導(dǎo)致電磁波場強(qiáng)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(qiáng)衰減系數(shù)呈正相關(guān)變化，衰減系數(shù)隨注水量增加而增大。

(3) 3個(gè)頻率電磁波CT結(jié)果對(duì)壓裂范圍的異常響應(yīng)基本對(duì)應(yīng)。應(yīng)用多頻同步電磁波CT技術(shù)對(duì)比分析多個(gè)頻率探測結(jié)果，并進(jìn)行綜合解釋，更有利于提升探測的可靠性和精度。