李宇騰，范 濤，趙 睿，劉 磊，趙佳佳

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

我國(guó)煤礦地質(zhì)較為復(fù)雜，據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有煤層中具有致密完整、回采后難以及時(shí)垮落的厚硬頂板的煤層約占總量的1/3，這些煤層一旦垮落很容易造成沖擊礦壓等災(zāi)害，對(duì)礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅[1-2]。針對(duì)此類堅(jiān)硬巖層，目前使用較多的技術(shù)有炸藥爆破和水力壓裂泄壓等方法，其中水力壓裂技術(shù)通過(guò)將高壓流體注入煤層，使巖石中原生裂縫擴(kuò)張或形成人工裂紋，并逐漸擴(kuò)展延伸形成新的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而達(dá)到破壞巖層結(jié)構(gòu)的作用。相較于炸藥爆破方法，水力壓裂技術(shù)具有，安全性高、且在泄壓的同時(shí)可達(dá)到預(yù)先釋放煤層瓦斯的作用，因此近年來(lái)該項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)部分煤礦處理堅(jiān)硬頂板過(guò)程中得到了較為廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果[3-6]。

受行業(yè)趨勢(shì)的影響，對(duì)壓裂所形成的裂縫的幾何形態(tài)(方位、縫長(zhǎng)和縫高等)的研究受到越來(lái)越多學(xué)者的重視[7-8]。目前壓裂效果評(píng)價(jià)的方法主要有數(shù)值模擬法和裂縫監(jiān)測(cè)法，前者是通過(guò)數(shù)值軟件結(jié)合工程參數(shù)對(duì)理想地層進(jìn)行模擬研究，目前主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究；在實(shí)際的工程應(yīng)用中采用裂縫監(jiān)測(cè)法較多，該方法通過(guò)電透視法、微震法監(jiān)測(cè)和井溫測(cè)試等方法對(duì)裂縫進(jìn)行評(píng)價(jià)，在部分工程應(yīng)用中無(wú)法提供巷道供透視法、微震法監(jiān)測(cè)方法布設(shè)傳感器進(jìn)行探測(cè)，而井溫測(cè)試方法測(cè)量參數(shù)單一，探測(cè)效果不明顯[9-12]。此外井下鉆孔中視頻測(cè)井技術(shù)可以有效地看清裂縫的開(kāi)口位置，但無(wú)法判斷裂縫的幾何形態(tài)[13]。劉盛東等[14]、李世宇[15]在全空間瞬變電磁探測(cè)的基礎(chǔ)上，受傳統(tǒng)測(cè)井方法的啟發(fā)，提出了鉆孔瞬變電磁探測(cè)方法，并在不同工程環(huán)境對(duì)該方法效果進(jìn)行檢驗(yàn)，準(zhǔn)確定位了鉆孔周邊的低阻異常。范濤等[16-18]利用三分量鉆孔瞬變電磁探測(cè)方法對(duì)裂縫進(jìn)行探測(cè)，該方法應(yīng)用于陜西韓城某煤礦瓦斯抽采孔水力壓裂效果檢測(cè)中，對(duì)鉆孔60～110 m區(qū)間分別進(jìn)行壓裂前、壓裂后探測(cè)，劃定了裂縫空間形態(tài)，取得了良好的應(yīng)用效果，但是由于采用人力推送的工藝，無(wú)法適用于長(zhǎng)距離定向鉆孔中水力壓裂效果檢測(cè)。

因此，筆者采用一種鉆孔內(nèi)三分量動(dòng)源動(dòng)接收瞬變電磁裝置，采用鉆機(jī)推送的方式對(duì)某礦堅(jiān)硬頂板定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)壓裂段進(jìn)行壓裂前、壓裂后分別探測(cè)，并提取純異常場(chǎng)對(duì)裂縫發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析。

1 三分量鉆孔瞬變電磁探測(cè)基礎(chǔ)

1.1 理論基礎(chǔ)

在瞬變電磁探測(cè)中，Maxwell的微分表達(dá)式為

(1)

?×H=J

(2)

?·B=0

(3)

?·E=0

(4)

其中，

B=μH

(5)

J=σE

(6)

式中，B、H、E分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度；μ和σ分別為介質(zhì)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率；J為傳導(dǎo)電流密度。

由式(3)可知，上述方程組中關(guān)于磁場(chǎng)的3個(gè)分量中僅有2個(gè)分量彼此獨(dú)立，因此存在下列方程：

(7)

(8)

(9)

式(7)—式(9)是計(jì)算三分量響應(yīng)的理論基礎(chǔ)[19-21]。

礦井三分量鉆孔瞬變電磁探測(cè)原理如圖1所示，其中T為發(fā)射線圈；R為相互正交的3個(gè)接收線圈，是由與發(fā)射線圈同軸的Z分量接收線圈Rz，與發(fā)射線圈正交的X分量接收線圈Rx，以及與發(fā)射線圈正交的Y分量接收線圈Ry共同組成。發(fā)射線圈添加階躍激勵(lì)向周圍巖層發(fā)射脈沖電磁信號(hào)，通過(guò)三分量接收線圈采集，實(shí)現(xiàn)全空間地質(zhì)異常體的距離探測(cè)和方位識(shí)別[14-15]。

圖1 三分量鉆孔瞬變電磁探測(cè)原理示意Fig.1 Three-component drilling transient electromagnetic detection principle

1.2 探測(cè)裝置

設(shè)計(jì)的鉆孔三分量探測(cè)裝置如圖2所示，包括孔中探管和孔口同步機(jī)2部分?？字刑焦苡呻姵刂鳈C(jī)、發(fā)射電路和接收探頭3個(gè)模塊組成，是裝置的核心電路部分；孔外同步機(jī)主要是用來(lái)下發(fā)測(cè)量參數(shù)以及測(cè)量過(guò)程中時(shí)鐘同步。探測(cè)時(shí)，鉆機(jī)推送探管沿鉆孔延伸方向按一定點(diǎn)距測(cè)量2次場(chǎng)信號(hào)。

圖2 三分量鉆孔瞬變電磁探測(cè)裝置示意Fig.2 Three-component drilling transient electromagnetic detection device

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 Z分量數(shù)據(jù)處理

鉆孔瞬變電磁Z分量數(shù)據(jù)處理方法與礦井瞬變電磁探測(cè)相同。將裝置至于物理模型中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，鉆孔裝置與常規(guī)裝置接收信號(hào)對(duì)比如圖3所示，信號(hào)衰減規(guī)律基本相同，因此數(shù)據(jù)處理方法可參考常規(guī)礦井瞬變電磁，采用預(yù)處理技術(shù)對(duì)電感影響進(jìn)行校正，對(duì)校正后的數(shù)據(jù)則可應(yīng)用多種反演成像方法進(jìn)行處理解釋[22-24]。

圖3 礦井瞬變電磁裝置與鉆孔裝置實(shí)測(cè)曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of measured curves of mine equipment and drilling equipmen

2.2 XY分量數(shù)據(jù)處理

常規(guī)瞬變電磁探測(cè)中僅探測(cè)了與發(fā)現(xiàn)線框軸向同向的Z分量數(shù)據(jù)，對(duì)于三分量鉆孔瞬變電磁中XY分量的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，在分析響應(yīng)特征的基礎(chǔ)上，總結(jié)了一套XY分量的數(shù)據(jù)處理方法[25]。

2.2.1 裝置旋轉(zhuǎn)角度校正

三分量瞬變電磁探測(cè)裝置在鉆孔中施工時(shí)，由于受推送工藝影響，裝置必然會(huì)在鉆孔內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此，實(shí)際地層X(jué)Y分量數(shù)據(jù)需要通過(guò)工具面角進(jìn)行相應(yīng)變換得到。

為了方便分析，記開(kāi)孔處裝置工具面角為α0，孔中α0第i個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的工具面角為αi，則儀器在鉆孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度為

Δα=αi-α0

(10)

裝置在第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)處校正后的X和Y分量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

Vi,x=Vi,x′cosΔα+Vi,y′sinΔα

(11)

Vi,y=Vi,x′sinΔα+Vi,y′cosΔα

(12)

式中，Vi,x′和Vi,y′為裝置在第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)處實(shí)測(cè)的水平分量感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2.2.2 異常方位計(jì)算

三分量瞬變電磁探測(cè)中異常方位角度與XY水平分量的探測(cè)信息密切相關(guān)，因此探測(cè)可以從水平分量信息著手研究異常的方位。采用COMSOL 有限元軟件建立數(shù)值計(jì)算模型如圖4所示，規(guī)定X分量與Y分量正方向之間區(qū)域?yàn)榈?象限，逆時(shí)方向依次定義為二、三、四象限。

圖4 三維有限元數(shù)值計(jì)算模型Fig.4 Finite element numerical calculation model

鉆孔瞬變電磁檢測(cè)水力壓裂效果時(shí)采用壓裂前和壓裂后分別探測(cè)，由于2次探測(cè)的主要環(huán)境差異為壓裂所致，因此認(rèn)為兩次探測(cè)成果差異即為純壓裂場(chǎng)效果。相對(duì)固定板狀低阻異常體位置，通過(guò)移動(dòng)探測(cè)裝置的方式分別計(jì)算無(wú)異常體和有異常體XY水平分量和異常體位置關(guān)系，并提取純異常場(chǎng)導(dǎo)致的信號(hào)變化特征。

產(chǎn)生的瞬變電磁XY分量探測(cè)曲線會(huì)發(fā)生波“正弦”或“反正弦”形態(tài)(圖5)。模擬不同象限異常時(shí)純異常場(chǎng)曲線特征，可歸納為如圖6所示“正弦”與“反正弦”形態(tài)的組合，因此可根據(jù)圖7判斷異常體所在象限。

圖5 水平分量異常場(chǎng)形態(tài)組合Fig.5 Horizontal component abnormal field combination

圖6 異常位于不同象限時(shí)水平分量響應(yīng)形態(tài)Fig.6 Horizontal component response curve in different quadrant

圖7 異常體偏轉(zhuǎn)角度Fig.7 Abnormal body deflection angle

水平分量異常場(chǎng)幅值之間的三角函數(shù)關(guān)系(圖5)，按照下式計(jì)算出異常體在該象限內(nèi)的偏轉(zhuǎn)角度θ。

(4)

最后根據(jù)異常體所在象限，求出異常體中心的方位角α：①異常體在第1象限：α=θ；②異常體在第2象限：α=π-θ；③異常體在第3象限：α=π+θ；④異常體在第4象限：α=2π-θ。

2.3 三維成像方法

三分量鉆孔瞬變電磁水力壓裂檢測(cè)方法提供了豐富的裂縫坐標(biāo)信息，為了更直觀顯示裂縫沿鉆孔軌跡分布情況，對(duì)異常體進(jìn)行三維立體成像[26]。

通過(guò)散點(diǎn)坐標(biāo)空間旋轉(zhuǎn)后，可以借助Voxler軟件散點(diǎn)繪圖功能實(shí)現(xiàn)立體成像，具體步驟如下：

1)繪制鉆孔軌跡。

2)將視電阻率成像圖沿鉆孔軌跡展開(kāi)，并根據(jù)視電阻率分布劃分出幾個(gè)明顯的條帶狀異常區(qū)段，標(biāo)記為主裂縫。

3)每一區(qū)段通過(guò)2.2節(jié)的方法計(jì)算的有異常中心方位，根據(jù)方位角度計(jì)算實(shí)際空間中裂縫幾何形態(tài)，并用Voxler軟件以散點(diǎn)圖立體成像顯示主要裂縫的形態(tài)。

上述步驟中，采用散點(diǎn)空間旋轉(zhuǎn)的方式按指定角度旋轉(zhuǎn)。為了方便計(jì)算，忽略鉆孔高程變化，因此鉆孔軌跡主要由方位角度決定。以對(duì)應(yīng)鉆孔軌跡點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)可得探測(cè)成果坐標(biāo)，方法如圖8所示。

3 探測(cè)應(yīng)用

神東某礦2號(hào)鉆孔深417 m，采用水力壓裂技術(shù)擬提高堅(jiān)硬煤體裂隙發(fā)育程度、降低煤層整體強(qiáng)度，壓裂段布置如圖9所示。為了檢測(cè)壓裂的效果，采用三分量瞬變電磁法探測(cè)了鉆孔深度40～315 m區(qū)間。

圖9 鉆孔壓裂段布置Fig.9 Borehole fracturing section layout

圖10為壓裂前后的鉆孔瞬變電磁Z分量處理結(jié)果，其中圖10a為壓裂前的處理結(jié)果，圖10b為壓裂后的處理結(jié)果，成果圖中橫坐標(biāo)為鉆孔深度，縱坐標(biāo)為鉆孔徑向距離。由圖10a中看出，壓裂前的視電阻率等值線分布比較均勻，在成果中零星分布圈閉低阻區(qū)，這與壓裂前，測(cè)區(qū)內(nèi)圍巖的視電阻率分布相對(duì)比較均勻、規(guī)律吻合。從壓裂后的圖10b可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)區(qū)中出現(xiàn)了局部較大區(qū)域的低阻異常，這與壓裂導(dǎo)致巖層局部充水吻合，但無(wú)法從成果圖中直觀看出裂縫的發(fā)育規(guī)律。

圖10 Z分量壓裂前后對(duì)比Fig.10 Comparison of Z component before and after hydraulic fracturing

為了更清楚的識(shí)別異常分布與發(fā)育情況，將壓裂前的探測(cè)成果當(dāng)做背景場(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)，計(jì)算成果如圖11所示，成果圖中橫坐標(biāo)為鉆孔深度，縱坐標(biāo)為鉆孔徑向距離。通過(guò)對(duì)純異常的提取，可以看出鉆孔徑向距離0～10 m整體視電阻值較低，且異常發(fā)育最遠(yuǎn)距離約為30 m。按照異常強(qiáng)弱和條帶狀不同，可將圖中異常分為6個(gè)區(qū)域。綜合分析圖9—11發(fā)現(xiàn)，6個(gè)異常區(qū)，均與實(shí)際壓裂點(diǎn)存在良好對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖11 純異常場(chǎng)探測(cè)平面成果Fig.11 Results of pure anomaly field detection plane

根據(jù)前述異常方位計(jì)算方法，可得6個(gè)異常方位位于鉆孔的徑向的不同方位，將探測(cè)成果進(jìn)行立體成像，成果如圖12所示。圖12中可以清晰展示裂縫空間分布位置，便于對(duì)水力壓裂效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖12 異?？臻g分布展示Fig.12 Display of abnormal spatial distribution

4 結(jié) 論

1)采用三分量鉆孔瞬變電磁技術(shù)分別在水力壓裂前和壓裂后進(jìn)行孔旁探測(cè)，壓裂后視電阻率值較壓裂前有明顯較低，可以看出壓裂導(dǎo)致視電阻率發(fā)生變化，但無(wú)法直觀顯示裂縫的方位。

2)純異常探測(cè)成果圖中，異常區(qū)域與壓裂段布設(shè)位置吻合，且異常條帶性明顯，因此可以認(rèn)為純異常成果中的異常區(qū)域即為水力壓裂誘導(dǎo)所致裂縫。

3)礦井鉆孔中的探測(cè)實(shí)例通過(guò)對(duì)堅(jiān)硬頂板水力壓裂鉆孔壓裂前后的對(duì)比探測(cè)，成果直觀顯示出了壓裂的影響范圍和裂縫的空間發(fā)育情況?；阢@機(jī)推送的三分量鉆孔瞬變電磁技術(shù)可以有效對(duì)水力壓裂誘導(dǎo)所致裂縫進(jìn)行探測(cè)，成果可用于分析裂縫位置與發(fā)育情況，對(duì)堅(jiān)硬頂板災(zāi)害治理具有重要意義。