钻孔瞬变电磁探测在水力压裂效果检测中的应用_赵睿.pdf

第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY hydraulic fracturing; three components; detection of fracturing effectiveness 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 ChaoXing 42 煤田地质与勘探 第 48 卷 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 ①④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 ChaoXing 第 4 期 赵睿等 钻孔瞬变电磁探测在水力压裂效果检测中的应用 43 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 （） 2/3 00 τ 2 4π5 μμ SNsn ρC tt V I ■■ ■ ■ ■■ ■■ 1 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 22 sin yy xy xy VV θ V VV 2 其中，Vx、Vy均为已知值，求反正弦即得到 θ 22 arcsin y xy V θ VV 3 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 ChaoXing 44 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 4 压裂后纯异常场分布 Fig.4 Distribution of pure abnormal filed after fracturing 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。 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。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 林柏泉，李子文，翟成，等. 高压脉动水力压裂卸压增透技术 及应用[J]. 采矿与安全工程学报，2011，283452-455. 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