钻孔瞬变电磁探测在水力压裂效果检测中的应用

赵 睿，范 涛，李宇腾，王继矿，马 媛，王冰纯，刘 磊，房 哲

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

水力压裂技术作为围岩控制和低渗透煤层增透的有效手段在煤矿井下逐渐得到广泛应用，主要包括冲击地压防治、回采工作面坚硬顶板控制、围岩卸压等方面[1]。对压裂效果影响最大的因素是压裂所形成裂缝的扩展形态、延伸方向和距离，因此，有必要对压裂裂缝发育情况采用相应的技术手段进行监测，评价检测压裂效果[2-4]。

目前通过物探技术来检测评价压裂效果的实际应用报道比较少，主要包括微震监测法和瞬变电磁法[5-9]，微震监测法通过在监测区域提前布设的传感器拾取压裂所形成裂缝在扩展过程中向外传播的微震波信号，经过处理计算后实现定位。但该方法存在的问题是如果压裂区围岩破碎严重，压裂液会随着破碎的裂缝流动，很难产生新的裂缝，不发生微震从而导致该技术失效[10]。

瞬变电磁法对低电阻率介质反应敏感，而压裂液作为低阻探测目标，非常适合利用瞬变电磁技术对其进行探测。通过对比压裂区域内压裂前后的视电阻率变化情况，可以获取到压裂液的扩散分布状态，从而实现压裂效果检测的目的[11]。

利用巷-孔瞬变电磁探测技术及装备在水力压裂效果检测评价方面进行了一系列相关的试验研究，获得很好的应用效果[12-15]。该方法及装置通过手推杆将接收探头送入钻孔中，感应线圈接收到的二次场信号通过线缆传输至孔口主机进行处理，受人工推送施工及信号线缆衰减等因素影响导致其探测孔深有限。

在前期巷-孔瞬变电磁探测技术研究的基础上，为了提高探测孔深，更好地满足定向长钻孔压裂效果检测的应用需求，笔者设计了一套钻孔瞬变电磁三分量探测技术及装置，并开展试验，将其用于水力压裂效果检测。

1 方法原理

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电极向地下发送脉冲式一次电磁场，用线圈或接地电极观测由该脉冲电磁场感应的地下涡流产生的二次电磁场，通过对该二次场的空间和时间的分布分析来认识有关地质问题[16-18]。

钻孔瞬变电磁三分量探测技术是根据瞬变电磁法的基本原理，将发射线圈和三分量接收线圈一同送入钻孔中，逐点进行三分量测量。定义顺钻孔轴向方向为Z分量，垂直钻孔轴向向下方向为Y分量，与Y分量正交方向为X分量，通过接收到的Z分量二次场信号分析钻孔周围可能存在的低阻异常区，通过X、Y两组水平分量二次场信号分析异常相对于钻孔的空间方位，最终形成以钻孔为中心，径向一定距离范围内的圆柱形探测区域，如图1 所示。

整个探测过程中发射线圈与接收线圈(激励源与接收装置)始终同时移动，相对位置不变，因此，将该技术称为动源动接收钻孔瞬变电磁三分量探测。

图1 动源动接收钻孔瞬变电磁探测原理Fig.1 Principle of dynamic source and reception of borehole TEM detection

2 施工流程

本文所设计的钻孔瞬变电磁三分量探测装置主要包括孔中三分量测量探管和孔口装置两部分，孔中探管将测量数据实时处理后保存在其内部存储器中。孔口装置的功能是向孔中探管下发测量配置参数以及在测量完成后回读孔中探管内部存储器中保存的测量数据。利用钻孔瞬变电磁三分量探测技术检测水力压裂效果的施工流程主要通过以下步骤实现：

①在进行压裂前，给孔口装置及孔中探管上电，孔口装置向孔中探管授时同步、发送发射频率及采样频率等测量参数；

② 完成配置后，将孔中探管送入钻孔，推送至测量位置后探管静止开始测量并记录当前位置探管方位姿态信息(倾角、方位角和工具面角)，孔口装置记录当前测量时间及深度信息；

③探管送至孔底后完成探测工作，取出探管，通过孔口装置对孔中探管内部存储数据发起回读操作；

④ 对钻孔进行水力压裂，压裂完成后等待一段时间；

⑤ 打开压裂钻孔，再将探管送入钻孔，重复①—④步骤的工作；

⑥ 对压裂前后2 次测量数据的垂直分量进行全期视电阻率计算并对视电阻率计算结果按对应测点进行差值计算，确定主要裂缝分布范围；

⑦ 对水平分量数据进行校正，判断异常体方位并计算出裂缝的延展角度；

⑧ 计算主要裂缝视电阻率异常的立体空间坐标，绘制其立体分布图，完成压裂效果三维展示。

3 数据处理

完成探测施工获得测量数据以后，需要通过对比压裂前后2 次探测数据垂直分量的视电阻率计算结果来提取出纯异常场，判断裂缝主要分布范围。因此，在数据处理流程中，首先，对2 次测量数据的垂直分量进行全期视电阻率计算[19-21]，由于矿井瞬变电磁法感应场为全空间瞬变响应，视电阻率表达式与地面视电阻率表达式应有所区别，故将矿井瞬变电磁法视电阻率表达式定义为：

式中：ρτ为视电阻率；C为全空间系数；μ0为真空导磁率；t为观测时间；S为发射线圈面积；N为发射线圈匝数；s为接收线圈面积；n为接收线圈匝数；V为接收电压；I为发射电流。

根据垂直分量处理成果，判断出主要的含水压裂裂隙分布范围，为了分析这些主体异常相对于钻孔的方位，需要进行水平分量解释。水平分量解释主要是根据垂直正交于钻孔的2 组水平分量即X、Y分量的幅值变化，判断异常中心方位角。由于瞬变电磁早期数据存在电感影响，而晚期信号容易受到干扰，信号弱且数据质量较差，因此，选用水平分量中期数据进行异常中心定位。

在孔中瞬变电磁探测时，异常体引起的二次场是矢量场，由水平涡流场的空间分布特征可知，在钻孔中观测到2 个水平分量(Vx、Vy)的矢量和(Vxy)，其方向一定是由钻孔指向异常体的等效涡流中心上，只需计算出Vxy的方向，就可知道异常体中心的具体方位。

如图2 所示，设Vxy与X轴夹角为θ，则：

其中，Vx、Vy均为已知值，求反正弦即得到θ：

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

4 应用实例

陕西某矿42108 工作面采用水力压裂的方法对其顶板开展了卸压治理，为了检验压裂效果，笔者采用本文所阐述的钻孔瞬变电磁三分量探测技术分别在压裂前与压裂后对压裂孔进行探测，通过对比分析钻孔周围的富水情况与裂隙发育情况推断水力压裂的破碎位置与展布方向，为压裂效果检测评价提供依据。

本次试验的施工钻孔为3-3 号压裂孔，终孔孔深360 m，实钻平面情况如图3 所示。本次主要探测钻孔深度111～357 m 区段，钻孔径向探测范围0～35 m 低阻异常。设计施工测点点距3 m，每个测点进行三分量数据采集，总共施工测点120 组，数据点360 个。

图3 3-3 号钻孔实钻平面轨迹Fig.3 Actual drilling plan of No.3-3 borehole

根据压裂前后2 次探测数据视电阻率的计算结果，将压裂前的探测成果当作背景场，在压裂后的探测成果中减去背景场，提取出纯异常场，共得到11 个条带状异常，计算成果如图4 所示。

通过对纯异常的提取可以看出：沿钻孔深度方向1 号异常位于钻孔深度114～129 m，异常区域呈明显条带状分布，且异常强度较强；2 号异常位于钻孔深度135～156 m，异常区域呈明显条带状分布，异常强度中等；3 号异常位于钻孔深度165～185 m，异常区域呈明显条带状分布，异常强度中等；4 号异常位于钻孔深度186～210 m，异常区域呈明显条带状分布，异常强度较强；5 号异常位于钻孔深度210～225 m，异常区域呈明显条带状分布，异常强度中等；6 号异常位于钻孔深度225～255 m，异常区域分布区间较大条带状较为明显，异常强度中等；7号异常位于钻孔深度255～270 m，异常区域分布较为零散，异常强度中等；8 号异常位于钻孔深度276～285 m，异常区域分布范围较小，异常强度中等；9 号异常位于钻孔深度285～315 m，异常区域呈明显条带状分布，且分布范围较大，异常强度中等；10号异常位于钻孔深度315～336 m，异常区域呈明显条带状分布，异常强度中等；11 号异常位于钻孔深度336～345 m，异常区域呈明显条带状分布，异常分布范围较小，异常强度中等。

图4 压裂后纯异常场分布Fig.4 Distribution of pure abnormal filed after fracturing

根据以上异常分布情况可以看出：本次压裂造成沿钻孔径向探测方向近区岩层(0～10 m)散碎，而远区岩层(10～35 m)裂隙形成较为明显。

完成垂直分量数据处理以后，根据水平分量解释处理结果，判断异常体中心所在象限，求出方位角，在VOXLER 软件中绘制裂缝立体空间三维成像结果(图5)。图5 中X轴方向为正东方向，Y轴方向为正北方向，Z轴方向为垂直水平面向上方向。

图5 主要裂缝空间分布Fig.5 Spatial distribution of main cracks

5 结论

a.钻孔瞬变电磁三分量探测技术通过将发射线圈及接收线圈同时送入钻孔中，逐点进行瞬变电磁三分量探测，对比压裂前后2 次探测数据的垂直分量处理成果，提取出纯异常场，获得主要裂缝分布范围，再对校正后的水平分量数据进行分析计算，得出裂缝的延展方向及角度，最后根据上述计算处理结果完成主要裂缝的立体空间三维成像展示。

b.井下现场的探测实例完成了水力压裂钻孔周围压裂前后的对比探测，精细解释了本次压裂所形成主要裂缝的延展方向及形态，证明钻孔瞬变电磁三分量探测技术能够对水力压裂裂缝的发育情况进行监测，为压裂效果评价提供有力依据。

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