基于瞬變電磁法探測(cè)煤體內(nèi)水力壓裂流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

王岳飛（神華神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦，山西 保德 036600）

基于瞬變電磁法探測(cè)煤體內(nèi)水力壓裂流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

王岳飛
（神華神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦，山西 保德 036600）

基于瞬變電磁的工作原理，利用煤層孔隙-裂隙結(jié)構(gòu)電阻率的變化，分析煤層水力壓裂后流場(chǎng)特征、煤體破裂、裂隙延伸擴(kuò)展以及含水性增大的過程。通過采用瞬變電磁法對(duì)煤層水力壓裂流場(chǎng)進(jìn)行了相關(guān)探測(cè)，得出了在高壓水流場(chǎng)的作用下，水力壓裂影響半徑可達(dá)30 m以上并且壓裂影響區(qū)域具有不均勻性，在應(yīng)力釋放區(qū)容易出現(xiàn)水流通道，形成卸壓帶。如若煤層的頂、底板較為堅(jiān)硬完整，則水力壓裂一般只會(huì)限制在煤層進(jìn)行，同樣由于煤層賦存地質(zhì)條件的不均勻性，因此可利用瞬變電磁探測(cè)含瓦斯煤體的水力場(chǎng)，為水力壓裂工藝的優(yōu)化提供依據(jù)，以期達(dá)到理想的壓裂效果。

水力壓裂；瞬變電磁；水流場(chǎng)；裂隙發(fā)育

對(duì)煤層進(jìn)行水力壓裂治理瓦斯而言，壓裂實(shí)施過程中及壓裂結(jié)束后，壓裂流場(chǎng)的變化特征及分布規(guī)律是評(píng)價(jià)和判斷壓裂效果好壞的重要依據(jù)[1]。煤層水力壓裂的過程就是煤體在外加水動(dòng)力條件下，煤體破裂、裂隙延伸擴(kuò)展以及含水性增大的過程，壓裂過程中壓裂液在煤層地質(zhì)體空間和時(shí)間上的分布和滲流特征，是反映水力壓裂流場(chǎng)展布、裂縫導(dǎo)流能力以及煤層滲透率變化的重要標(biāo)志，對(duì)瓦斯抽采至關(guān)重要。基于以上理論基礎(chǔ)，應(yīng)用瞬變電磁法對(duì)分析煤層水力壓裂后水流場(chǎng)特征提供了技術(shù)途徑[2]。

1 瞬變電磁法探測(cè)原理

瞬變電磁法探測(cè)的基本原理是通過地下深處的礦石導(dǎo)電性的變化差異為原始基礎(chǔ)，利用設(shè)備發(fā)送的電磁脈沖信號(hào)，進(jìn)一步的形成感應(yīng)場(chǎng)，并且在一次電磁脈沖信號(hào)發(fā)送的間歇時(shí)間中連接回線線路或者是電偶極的磁波感應(yīng)器，采用的電源為不接地的或接地的形式，能夠在地下深處的煤巖體中產(chǎn)生良好的導(dǎo)體作用，收到電磁波發(fā)送信號(hào)的感應(yīng)作用產(chǎn)生非穩(wěn)定的電磁場(chǎng)[4]。

為了能夠更好地比較出電磁信號(hào)在應(yīng)力場(chǎng)中的變化以及對(duì)二次場(chǎng)的不斷響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間，從而可以進(jìn)一步確認(rèn)井下煤巖體中的電性不穩(wěn)定的區(qū)域以及地質(zhì)分布的電磁特征，其原理是通過電磁感應(yīng)的區(qū)間變化，在電解質(zhì)的越級(jí)變化激勵(lì)的磁場(chǎng)感應(yīng)中產(chǎn)生了漩渦流場(chǎng)的問題從而使得瞬變電磁的探測(cè)發(fā)揮了甄別作用[5]。瞬變電磁法的工作原理，見圖1。

圖1 瞬變電磁法工作原理示意圖

常規(guī)條件下，對(duì)于不含水的井下深處巖體的電阻率是變化不大，但電阻率數(shù)值較大[6]，然而現(xiàn)實(shí)的真實(shí)條件是煤礦井下的煤巖體裂隙發(fā)育、孔隙豐富，導(dǎo)致了煤巖體中的空裂隙較多，易存在含水情況，從而導(dǎo)致了煤巖體的電阻率變化大，范圍不穩(wěn)定，難以估計(jì)，因此，能夠反映在電磁場(chǎng)的磁波感應(yīng)上。通過電磁感應(yīng)反映電阻率高低的變化情況，進(jìn)一步分析煤巖體的裂隙發(fā)育情況[7]。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地條件

本次試驗(yàn)場(chǎng)地為孟巴煤礦24141運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面。孟巴煤礦為嚴(yán)重煤與瓦斯突出礦井，建礦以來共發(fā)生20余次突出，瓦斯治理一直是該礦的重點(diǎn)和難點(diǎn)。24141工作面位于該礦24采區(qū)西翼下部，開采煤層為二1號(hào)煤，煤層平均厚度5.8 m，分布穩(wěn)定，煤層傾角12°～15°，埋深495 m～528 m。二1號(hào)煤層底板：無偽底，直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，粉粒層狀；老底為L(zhǎng)8灰?guī)r，厚0.2 m～0.75 m，深灰色，微晶結(jié)構(gòu)，質(zhì)硬性脆。

壓裂孔位置設(shè)計(jì)在24141運(yùn)輸巷巷幫右側(cè)，距迎頭8 m處，壓裂孔孔口距巷道頂板2.4 m，壓裂孔封孔深度28 m，壓裂孔位置示意圖，見圖2。本次水力壓裂施工參數(shù)，見圖3。

圖2 壓裂孔位置示意圖

圖3 壓裂施工參數(shù)曲線圖

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)工作在18個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行多個(gè)方向的瞬變電磁法探測(cè)，探測(cè)方向?yàn)閴毫褌?cè)幫水平方向、仰30°方向、俯30°方向，共計(jì)90個(gè)物理點(diǎn)，對(duì)壓裂鉆孔孔口100 m范圍進(jìn)行探測(cè)，工作量布置示意圖，見圖4。

圖4 工作量布置示意圖

3 探測(cè)結(jié)果分析

通過圖5-圖7的電阻率剖面圖中反映的水力壓裂前、壓裂中、壓裂后的不同變化規(guī)律，其中圖中的縱坐標(biāo)表示探測(cè)深度，橫坐標(biāo)表示探測(cè)的位置，電阻率數(shù)值的變化隨著探測(cè)深度的加深而逐漸的降低，圖中不同等值線反映了其相應(yīng)視電阻率值的大小。

圖5 水力壓裂前、后俯30°方向等視電阻率剖面圖

圖6 水力壓裂前、后水平方向等視電阻率剖面圖

圖7 水力壓裂前、后仰30°水平方向等視電阻率剖面圖

進(jìn)一步的分析電阻率在水力壓裂前后的變化情況，我們可以看出水力壓裂后煤巖體中的導(dǎo)電性能發(fā)生了明顯的變化，隨著煤體的進(jìn)一步的破碎、含水量的加大、裂隙的擴(kuò)展，煤巖體的電阻率也是呈現(xiàn)出規(guī)律的降低和衰減，電阻率變化較大的區(qū)域主要存在于水力壓裂后的鉆孔區(qū)域的正前方以及兩側(cè)的水平方向，在仰30°方向以及75號(hào)點(diǎn)的俯30°方向上同樣有著異常區(qū)的電阻率數(shù)值減小幅度較大的區(qū)域。

4 結(jié)論

通過以上利用瞬變電磁法對(duì)煤層水力壓裂流場(chǎng)的探測(cè)可以得出如下結(jié)論：

1）高壓水流場(chǎng)擴(kuò)展的范圍較大，水力壓裂影響半徑在30 m以上。

2）開采區(qū)域煤巖體存在較大的應(yīng)力不均衡性，在受采掘影響的區(qū)域由于應(yīng)力疊加和釋放的作用導(dǎo)致此區(qū)域的裂隙發(fā)育、容易出現(xiàn)較大的貫通通道，進(jìn)而形成導(dǎo)水裂隙帶，同樣未受采掘影響的區(qū)域，自然煤巖體較為完整，形成了低滲流區(qū)，水力壓裂的持續(xù)效果將會(huì)不明顯。

3）由于煤層賦存地質(zhì)條件的不均勻性，對(duì)設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)整體、均勻壓裂帶來了困難，要達(dá)到理想的壓裂效果，必須要對(duì)水力壓裂的工藝進(jìn)行優(yōu)化。

[1]王國(guó)鴻，徐贊.水力壓裂技術(shù)提高低透氣性煤層瓦斯抽放量淺析[J].煤礦安全，2010，41（8）：120-124．

[2]牛之璉.時(shí)間域電磁法原理[M].成都：中南工業(yè)大學(xué)出版社，1992．

[3]程德福.近區(qū)磁源瞬變電磁法信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2001．

[4]FISHER MK,WINGHT BM,DAVIDSON,et al.IntegratingFracture MappingTechnologies toOptimize Stimulations in the Barnett shale［C］// SPE 77441,2002.

[5]李貅.瞬變電磁測(cè)深的理論與應(yīng)用[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2002．

[6]張保祥，劉春華.瞬變電磁法在地下水勘查中的應(yīng)用研究綜述[J].地下水，2004，26（2）：129-133．

[7]楊其鑾.關(guān)于煤屑瓦斯擴(kuò)散規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].煤礦安全，1987，18（2）：9-16．

（編輯：武曉平）

表2 2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)

由表1和表2中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看到l號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)和2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)的降塵率最低65.76%，發(fā)生在距2號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)10 m處，最高降塵率80.45%，位置在距1號(hào)轉(zhuǎn)載點(diǎn)3 m處。粉塵濃度達(dá)到設(shè)定值后裝置自動(dòng)啟動(dòng)，經(jīng)過測(cè)量以及實(shí)際觀察，噴霧降塵裝置性能優(yōu)良，霧化效果充分、分布均勻，在轉(zhuǎn)載過程中產(chǎn)生的煤塵隨著噴霧的薄霧團(tuán)降落下來，降塵效果非常明顯。此設(shè)備已在井下安裝6個(gè)月，運(yùn)行狀況良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的，現(xiàn)已推廣至西二集中運(yùn)輸巷、北集中運(yùn)輸巷、八采區(qū)運(yùn)輸巷。

4 結(jié)束語

該風(fēng)水聯(lián)動(dòng)噴霧降塵裝置噴霧距離遠(yuǎn)、降塵范圍大、水霧滯留時(shí)間長(zhǎng)、降塵效率高、用水量少，對(duì)粉塵具有更好的吸附作用，能夠有效的減少巷道內(nèi)積存的粉塵，從而減少粉塵對(duì)工人和設(shè)備的危害，社會(huì)效益顯著。巷道內(nèi)除塵是每個(gè)煤礦都要完成的必要工作，煤礦井下風(fēng)水聯(lián)動(dòng)噴霧降塵裝置的應(yīng)用能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

（編輯：武曉平）

Movement Rule of Flow Field of Hydraulic Fracturing in Coal Body Detected by Transient Electromagnetic Method

WANG Yuefei
(Baode Mine,Shenghua Shengdong Coal Group,Baode 036600,China)

According to the principle of transient electromagnetic method,the resistance change of pore-fracture system was used to analyze the flow field after the hydraulic fracturing,coal fracturing, cracking extending,and aquosity increase.The flow field of the hydraulic fracturing was detected by the transient electromagnetic method.The results show that,under the high-pressure water flow filed,the radius of influence of the hydraulic fracture could be over 30 meters with uneven influential areas.Water flow path and stress release belt are prone to occur in the stress relief areas.If roof and floor of the coal seam are hard and complete,the hydraulic fracture will be limited in the seam.Similarly,due to uneven hosting geological condition,the transient electromagnetic method could be used to detect the hydraulic field of the coal body containing gas,which could provide evidence for the optimization of the hydraulic fracturingtechnologyin order toachieve ideal fracturingeffects.

hydraulicfracture;transientelectromagneticmethod;waterflowfield;fracturedevelopment

TD323

A

1672-5050（2016）04-072-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.08.021

2016-03-03

王岳飛（1988-），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，大學(xué)本科，助理工程師，從事煤礦技術(shù)工作。