煤層中CO2注入運(yùn)移瞬變電磁法監(jiān)測技術(shù)探索

崔方智，周韜，張兵

(1．河南省煤田地質(zhì)局 物探測量隊, 河南 鄭州 450009； 2.河南省地下工程探測信息工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009； 3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100015)

0 引言

瞬變電磁法是利用脈沖電流產(chǎn)生一次磁場，在一次脈沖場間隙觀測地下介質(zhì)感應(yīng)的瞬變二次電磁場的一種時域電磁法。其觀測為純二次場信息，受地形影響小，異常響應(yīng)強(qiáng)，形態(tài)簡單，分辨能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-5]；可用于含水地質(zhì)如巖溶洞穴與通道、煤礦采空區(qū)、深部不規(guī)則水體等探測。

近幾年，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在沁水盆地開展煤層中CO2注入以提高煤層氣的采收率[6]試驗，取得了一定的效果。文章主要介紹瞬變電磁法對CO2注入煤層后的運(yùn)移觀測，以及其處理分析和解釋方法，實踐證明了瞬變電磁法監(jiān)測技術(shù)的可行性。

1 瞬變電磁監(jiān)測的理論分析

理論上講，干燥的巖石、石油和空氣的電阻率相對較大，但實際上巖石孔隙、裂隙總是含水的，并隨著巖石的濕度或者含水飽和度的增加，電阻率急劇下降。相同水分、不同礦化度的巖石電阻率也存在一定的差別。

煤層氣開發(fā)中，煤層受CO2注入的壓裂作用，會使煤層的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生變化；煤層的泊松比等彈性力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，煤層與圍巖之間的波阻抗差異更加明顯；同時，CO2注入煤層后，煤層中CO2的飽和度發(fā)生變化，其電阻率在CO2注入前后有明顯的差異[7-10]。

阿爾奇1942創(chuàng)建了經(jīng)驗關(guān)系式，并且在一些場地和實驗室的研究中得到了成功地測試，它描述了按孔隙率部分飽和一種傳導(dǎo)液體的多孔巖石、流體飽和度以及該導(dǎo)電流體電阻率之間的關(guān)系， Archie公式可以寫成[11-12]：

(1)

式中：ρ是流體飽和巖石的電阻率，a是一個經(jīng)驗常數(shù)，通常為1；ρw是導(dǎo)電流體的電阻率；Sw為導(dǎo)電流體的飽和度；φ為巖石的有效孔隙度；m為膠結(jié)指數(shù)，大多砂巖的m大致為2；n為飽和度指數(shù)，大多數(shù)砂巖的n約為2。

Dana Kiesslinga等做了實驗室的CO2流體穿透實驗(原位壓力p=7.5 MP，溫度條件40°)，結(jié)果表明CO2的飽和砂巖的電阻率大約是原來的3陪，并利用地面—井下電阻率層析成像方法，在Ketzin(德國)附近的CO2SINK實驗場地監(jiān)測深度約650 m咸水含水層中CO2注入遷移情況，觀測到CO2的注入引起大約2倍的電阻率增加。

利用瞬變電磁法研究煤層中CO2注入前后電阻率等物性參數(shù)的變化，識別煤層中CO2注入后運(yùn)移范圍。根據(jù)阿爾奇經(jīng)驗關(guān)系式進(jìn)行模擬計算，可獲得CO2流體注入煤層后的電阻率變化。研究區(qū)CO2注入井由SX006、SX006-1和SX006-2井構(gòu)成，根據(jù)電阻率測井資料計算其某一深度范圍地層等效電阻率。表1給出了SX006、SX006-1和SX006-2井煤層底板向上20 m范圍地層的等效電阻率，其中煤層底板向上20 m范圍地層的等效電阻率分別為220、196、175 Ω·m，其3#煤層的等效電阻率分別為843、441.7、726.7 Ω·m。 若CO2的注入使得煤層電阻率值增加2倍，則其煤層底板向上20 m范圍地層的等效電阻率值增加5.23%～13.88%，這為利用瞬變電磁法觀測其電阻率的變化提供了可靠的依據(jù)。

表1 注入井3#煤層附近測井電阻率計算統(tǒng)計Table 1 Statistical table for calculating logging resistivity near coal seam of injection well

注：測井?dāng)?shù)據(jù)來自中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

根據(jù)研究區(qū)的地層特點(diǎn)以及CO2注入施工工藝，地層電阻率的變化影響包括：①受CO2注入壓裂影響，由于注入井在完鉆前已完成壓裂改造，背景值觀測在地層改造之后，后期注入壓力只維持CO2擴(kuò)散運(yùn)移的所需壓力，避免新的構(gòu)造裂隙產(chǎn)生，該影響相對較小。②周圍監(jiān)測井的生產(chǎn)排采影響，將引起煤層中CH4、含水量的等因素變化，對監(jiān)測井周圍產(chǎn)生較大影響，并對注入井產(chǎn)生間接影響。③注入井在注入前進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)改造和關(guān)井，并進(jìn)行相應(yīng)的瞬變電磁觀測，液態(tài)CO2注入對地層電阻率產(chǎn)生直接的影響，是本次主要的研究對象。

2 CO2注入井場地質(zhì)概況

2.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地層由上而下主要為第四系、三疊系下統(tǒng)劉家溝組、二疊系上統(tǒng)石千峰組和上石盒子組、二疊系下統(tǒng)下石盒子組和山西組，石炭系太原組和本溪組。以研究區(qū)SX006-1井鉆遇地層為例。圖1為SX006-1井地層柱狀簡圖，其中二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)厚63.0 m，由深灰色、灰色粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖和煤層組成，是主要的含煤地層，其3#煤層埋深976.40～982.20 m，厚 5.80 m，底部厚7.00 m的灰色細(xì)砂巖為K7標(biāo)志層。石炭系上統(tǒng)太原組(C2t)在深度 1 006.0～1 008.0 m具有厚2.0 m的灰色灰?guī)r，為K5標(biāo)志層。

研究本區(qū)煤層走向主要為NE，地層傾角一般為小于6°，斷層總體不發(fā)育。

2.2 注入井CO2注入情況及瞬變電磁觀測時段

SX006-1井CO2注入分兩期三個階段，第一階段從2013年3月25日～7月1日，CO2注入量為490.38 t，第二階段從2013年11月6日～12月13日，CO2注入量為 286.49 t，第三階段從2014年4月29～12月2日， CO2注入量為842.88 ，之后停止了CO2注入作業(yè)，兩期累計注入CO2約為 1 619.75 t。SX006井從2014年8月1日～2015年11月25日進(jìn)行注入CO2施工，累計注入量1 888.19 t。SX006-2從2015年3月26日～2015年11月26日進(jìn)行施工，CO2累計注入量為825.29 t。

根據(jù)CO2注入情況，分4次進(jìn)行瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集，各次觀測參數(shù)保持一致。

依據(jù)CO2注入情況和瞬變電磁法觀測時段，2011年10月因進(jìn)行測區(qū)背景值數(shù)據(jù)采集，未實施CO2注入作業(yè)。2013年11月數(shù)據(jù)采集時，SX006-1井CO2累計注入量約700 t，2014年11月數(shù)據(jù)采集時，SX006-1井CO2累計注入量約1 460 t，第二期CO2注入量約840 t，第二期和第一期時間間隔約5個月，即悶井時間為5個月，2015年10月數(shù)據(jù)采集時，SX006-1井已停止了CO2的注入作業(yè)，并經(jīng)過10個月悶井，其CO2累計注入量為1 619 t。SX006井CO2累計注入量約1 750 t，SX006-2井CO2累計注入量約800 t。

圖1 SX006-1井地層柱狀簡圖Fig.1 Formation column diagram of well SX006-1

3 應(yīng)用效果分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

瞬變電磁數(shù)據(jù)采集，采用大定源回線裝置[13-15]，儀器采用加拿大Geonics公司研發(fā)的PROTEM-67D瞬變電磁儀，研究區(qū)測線北東向布設(shè)，線距20 m，點(diǎn)距20 m，詳見圖2。采集參數(shù)：線框大小為920 m×920 m，工作頻率2.5 Hz，電流約13 A，積分時間120 s，采用4倍增益，并保持各次觀測參數(shù)一致。

3.2 觀測參數(shù)統(tǒng)一性主要保證措施

煤層中CO2注入的運(yùn)移監(jiān)測瞬變電磁勘探施工主要依據(jù)《煤炭電法勘探規(guī)范》(MT/T 898—2000)、《地面瞬變電磁法技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0187—1997)、《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18341—2001)和《工程測量規(guī)范》(GB50026—1993)等相關(guān)規(guī)范要求。除按照相關(guān)規(guī)范要求之外，針對CO2注入的運(yùn)移瞬變電磁法監(jiān)測，提出如下生產(chǎn)技術(shù)保障措施：

1)鋪設(shè)線框時，要保持各次觀測時線框位置的一致，并采用統(tǒng)一規(guī)格的電纜，確保線框電阻的大致相等，以保證各次觀測發(fā)射電流的一致性。

2)嚴(yán)格按試驗中選取的頻率、積分時間和增益等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，確保記錄到較晚延時范圍內(nèi)的有用信號，并在后期的數(shù)據(jù)采集中確保參數(shù)一致，接收機(jī)采集時的關(guān)斷時間保持統(tǒng)一。

3)野外數(shù)據(jù)較好時自動采集2次，數(shù)據(jù)的信噪比一般應(yīng)不小于5，如不符合要求的測道超過1/10，應(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)觀測。

4)觀測點(diǎn)地面位置，均采用GPS定位，保證其誤差小于0.2 m。

圖2 研究區(qū)工作布置示意Fig.2 Schematic diagram of work layout in the study area

5) 每次觀測，均需對場地噪聲進(jìn)行觀測，以分析其影響范圍，進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查和誤差統(tǒng)計，以分析多次觀測的誤差范圍。

3.3 瞬變電磁采集數(shù)據(jù)資料分析

野外數(shù)據(jù)采集之后由于關(guān)斷時間的不同，首先進(jìn)行關(guān)斷時間校正，并截取每一個測點(diǎn)相同采樣延時時間段內(nèi)的感應(yīng)電壓，采用IX1d軟件進(jìn)行反演成圖。

3.3.1 CO2注入后視電阻率斷面圖的變化

圖3和圖4分別為1240線和1260線電阻率斷面，圖中示意了主要的地層界線，注入井SX006-1和SX006分別位于1260線的320點(diǎn)和620點(diǎn)附近。整體來看，電阻率斷面圖中電阻率的分布和鉆井揭露的地層層位基本一致，且基本穩(wěn)定，說明4次勘探數(shù)據(jù)真實可靠，反演電阻率值具有可對比性。對比可知，2013年SX006-1孔注入CO2約700 t以后，1240線注入井煤層附近的電阻率值明顯增大(圖3b)；至2014年底，在SX006-1井CO2純注入量約1 460 t以后，注入井煤層附近的電阻率值增大異常明顯，范圍有所擴(kuò)大(圖4)；2015年SX006-1井停止了CO2注入作業(yè)，在斷面圖中顯示煤層附近的電阻率值明顯減小(圖3c中黑色橢圓區(qū)域)，推測異常發(fā)生的原因與2015年停止CO2注入作業(yè)，經(jīng)過10個月的悶井以及后期試采氣工作存在一定的關(guān)聯(lián)，CO2的注入擴(kuò)散以及其與CH4的置換[16-18]、試采氣工作改變了煤層中CO2飽和度，致使瞬變電磁觀測到的感應(yīng)電壓值增大，電阻率減小。

a—2011年10月背景值觀測;b—2013年11月SX006-1井注入700 t CO2后的觀測; c—2015年10月SX006-1井注入1 619 t CO2后悶井10個月,隨后SX006井注入1 750 t CO2后的觀測。橢圓區(qū)域為異常區(qū)，下同a—observation of background values in October 2011; b—observations after 700 tons of CO2 was injected into well SX006-1 in November 2013; c—in October 2015, after 1 619 tons of CO2 was injected into well SX006-1, the well was closed for 10 months，subsequent observation after 1 750 tons of CO2 was injected into well SX006.Ellipse area is abnormal area,same as below圖3 1240線反演電阻率斷面Fig.3 Line 1240 apparent resistivity section

2014年11月SX006-1井注入1 460 t CO2后的觀測observation after 1 460 tons of CO2 was injected into well sx006-1 in November 2014圖4 1260線反演電阻率斷面Fig.4 Line 1260 apparent resistivity section

注入井SX006在2014年8月1日～2015年11月25日，累計注入CO2約1 750 t，2015年勘探結(jié)果表明注入井煤層附近的電阻率值增大(圖3c)。

通過上述分析，CO2注入能引起煤層附近電阻率增大，通過瞬變電磁法勘探可以進(jìn)行識別和判斷。由于瞬變電磁法所測電阻率是由感應(yīng)電壓計算得到，存在人為的影響因素，由此本文從感應(yīng)電壓出發(fā)，尋求目的層位的感應(yīng)電壓的處理和解釋方法。

3.3.2 煤層附近地層所對應(yīng)感應(yīng)電壓的變化

根據(jù)場的傳播，典型的正常場就是均勻非磁性導(dǎo)電半空間表面的瞬變響應(yīng)，層狀大地可視為某一電阻率的半空間，在單匝圓形回線中部，場近于均勻分布，其垂直分量的響應(yīng)[1-3]為:

(2)

(3)

在瞬變電磁勘探早期時，τ0≤0.01，fI(τ0)→1，則

(4)

(5)

式中：VI為發(fā)射電流為I時的感應(yīng)電壓；q為接收線圈的有效面積；r為發(fā)射線圈半徑；ρ為地層平均電阻率；t為瞬變電磁采樣延時；τ0=t/(σμ0r2)，為綜合參數(shù)(無量剛)；μ0=4π×10-7H/m。

上式表明，早期的瞬變電磁響應(yīng)與采樣延時無關(guān)，而與平均電阻率有關(guān)；在瞬變電磁勘探晚期，感應(yīng)電壓和采樣延時存在一定的關(guān)系，若固定其采樣延時，其感應(yīng)電壓的變化就反映了平均電阻率的變化，從而可以說明地層電性特性的變化。

研究區(qū)煤層附近地層所對應(yīng)感應(yīng)電壓的計算步驟如下[19-20]。

1)計算背景值觀測數(shù)據(jù)反演視電阻率，求解其地表到達(dá)煤層底板的等效電阻率值，并和測井電阻率進(jìn)行比較，分析反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)依據(jù)地表到達(dá)煤層底板的等效電阻率，計算背景值煤層的瞬變電磁采樣延時，并提取其對應(yīng)的感應(yīng)電壓值。

3)以背景值瞬變電磁采樣延時為基準(zhǔn)，提取CO2注入后各次瞬變電磁采樣煤層所對應(yīng)的感應(yīng)電壓值。

4)進(jìn)行差值處理，求其變化量和相對變化率，劃分各次采集感應(yīng)電壓相對于背景值感應(yīng)電壓的變化情況，并和瞬變電磁法勘探視電阻率斷面圖結(jié)合分析，用以識別CO2注入后地層電性特征的變化及其運(yùn)移范圍。

圖5為各次勘探煤層附近地層所對應(yīng)的感應(yīng)電壓平面。圖中清晰反映出了CO2注入以及鉆井生產(chǎn)排采所引起的煤層附近地層感應(yīng)電壓的變化。整體來看，各次勘探的感應(yīng)電壓分布整體一致，但在注入井周圍煤層附近地層感應(yīng)電壓出現(xiàn)明顯變化。

對比可知，在SX006-1井未注CO2之前，注入井周圍感應(yīng)電壓處于高值區(qū)，在其注入700 tCO2之后，注入井周圍感應(yīng)電壓值降低(圖5a、b)；在其CO2注入量達(dá)1 619 t之后轉(zhuǎn)入悶井，悶井10個月后試采，感應(yīng)電壓值明顯增大，如圖5c中紅色橢圓圈定的區(qū)域。圖5c中還顯示:對于SX006井，注入CO2約1 750 t以后，其注入井周圍感應(yīng)電壓值顯著減小，而SX006-2井在注入800 tCO2之后，注入井周圍的感應(yīng)電壓值減小較為明顯。

a—2011年10月背景值觀測； b—2013年11月SX006-1井注入700 t CO2后的觀測； c—2015年10月SX006-1井注入1 619 t CO2后悶井10個月,隨后SX006井注入1 750 t CO2、SX006-2井注入800 t CO2后的觀測a—observation of background values in October 2011； b—observations after 700 tons of CO2 was injected into well SX006-1 in November 2013； c—in October 2015, after injecting 1 619 tons of CO2 into well SX006-1, the well was closed for 10 months，subsequent observation after injecting 1 750 tons of CO2 into well SX006-2 and injecting 800 tons of CO2 into well SX006-2圖5 煤層附近地層感應(yīng)電壓平面對比Fig.5 Planar contrast map of induced voltage in strata near coal seam

通過煤層附近地層所對應(yīng)的感應(yīng)電壓分析中可知：感應(yīng)電壓對CO2注入以及各鉆井生產(chǎn)排采所引起的地層電性特征的變化反應(yīng)更為直觀、清晰，后期劃分CO2注入運(yùn)移范圍，主要用煤層附近地層所對應(yīng)的感應(yīng)電壓變化，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計和誤差分析來綜合判斷。

對煤層中CO2注入后運(yùn)移范圍進(jìn)行分析。通過計算各次觀測煤層附近地層感應(yīng)電壓，并求解感應(yīng)電壓的變化量和相對變化率，將其繪制成圖。

考慮到CO2注入煤層之后，引起地層電阻率增大，感應(yīng)電壓降低，所以只考慮感應(yīng)電壓減小的情況。圖6為各次勘探感應(yīng)電壓相對于背景感應(yīng)電壓變化量和變化率平面。根據(jù)誤差統(tǒng)計分析，其感應(yīng)電壓減小量大于0.012 nV/(A·m2)和其變化率大于13%均超出各次勘探誤差[21]的影響范圍，說明異?？煽俊?/p>

SX006-1井在注入CO2約700 t之后，井周圍感應(yīng)電壓值降低，感應(yīng)電壓變化量和變化率均超過誤差范圍，異?？煽?圖6a)，在其累計CO2注入量達(dá)1 619 t之后轉(zhuǎn)為悶井，悶井時間約10個月。之后多次試采，2015年10月勘探時未出現(xiàn)異常，說明悶井、試采之后，感應(yīng)電壓的改變量小于設(shè)定的異常閾值或處于誤差之內(nèi)而不易識別和區(qū)分。

4 監(jiān)測效果及因素分析

經(jīng)資料收集，后期在SX006-3井已經(jīng)檢測到少量CO2的存在，說明有部分的CO2已經(jīng)運(yùn)移至SX006-3井附近，但在成果圖中沒有明顯異常線路顯示，說明少量的CO2運(yùn)移對煤層附近地層電阻率改變量較小，沒有超過異常劃分設(shè)定的閾值，不易區(qū)分。綜合分析，目前所判定的運(yùn)移范圍可作為CO2運(yùn)移富集區(qū)范圍。

項目監(jiān)測過程中存在的各種影響因素分析如下。

1) 悶井時間的長短和試采氣工作均對煤層附近地層的電阻率產(chǎn)生較大的改變，悶井時間的長短、悶井過程中壓力變化以及CO2的擴(kuò)散運(yùn)移都將對煤層附近地層的電阻率產(chǎn)生直接的影響，需進(jìn)一步分析研究；

2) 注入井套管的影響也一直存在，注入井套管的影響主要使其周圍地層觀測的視電阻率減小，不改變CO2注入使煤層電阻率增大規(guī)律，套管的影響有其固定的規(guī)律，通過數(shù)值模擬計算可消除其影響，便于對CO2運(yùn)移富集區(qū)范圍更準(zhǔn)確的判斷。

3) SX006-1井曾兩次注入濃度為10%的食鹽水溶液示蹤劑1 000 Kg，監(jiān)測顯示煤層附近的電阻率發(fā)生明顯變化。

為進(jìn)一步通過瞬變電磁法精確的判斷CO2的注入運(yùn)移范圍，還需要開展以下方面的研究：

1) 數(shù)據(jù)采集的控制是關(guān)鍵因素，直接影響采集質(zhì)量和對CO2注入視電阻率變化的判斷，系統(tǒng)誤差和采集的干擾因素影響CO2注入運(yùn)移富集區(qū)范圍的識別；本項目的研究所確定的異常閾值，其感應(yīng)電壓變化率在13%左右，可通過系統(tǒng)控制，降低異常閾值，更精確識別CO2注入運(yùn)移富集區(qū)范圍。

a—2013年11月SX006-1井注入700 t CO2； b—2015年10月SX006-1井注入1 619 t CO2后悶井10個月,隨后SX006井注入1 750 t CO2、SX006-2井注入800 t CO2a—700 tons of CO2 was injected into well SX006-1 in November 2013； b—In October 2015, after injecting 1 619 tons of CO2 into SX006-1 well, the well was closed for 10 months，subsequent 1 750 tons of CO2 was injected into SX006 well and 800 tons of CO2 was injected into SX006-2 well圖6 煤層附近地層感應(yīng)電壓相對于背景值的變化量平面(上圖)和變化率平面(下圖)Fig.6 Plane diagram of relative variation of induced voltage of formation near coal seam to background value

2) 在悶井階段，隨著CO2的擴(kuò)散運(yùn)移，煤層CO2飽和濃度降低，煤層電阻率減小，感應(yīng)電壓的增大，瞬變電磁反應(yīng)異常幅值見效，需進(jìn)一步研究，用以識別CO2的運(yùn)移范圍。

5 結(jié)論

在沁水盆地南部，柿莊北區(qū)塊利用瞬變電磁法監(jiān)測煤層中CO2注入運(yùn)移探索，研究表明該方法是可行的。

1) 煤層中CO2的注入能引起煤層電阻率的增加，可根據(jù)阿爾奇公式進(jìn)行模擬計算，不同飽和度CO2濃度，其電阻率增加量不同。

2) 利用瞬變電磁法觀測的純二次場，感應(yīng)電壓能直觀反應(yīng)出CO2注入所產(chǎn)生的地層電性特征的變化。

3) 通過等效電阻率的計算，獲得煤層附近地層的瞬變電磁采樣延時以及其對應(yīng)的感應(yīng)電壓，而各次采集煤層附近地層感應(yīng)電壓的變化，反映了地層電性特性的變化，分析計算CO2注入引起的地層感應(yīng)電壓的變化量和變化率，結(jié)合誤差范圍，大致推斷CO2運(yùn)移富集區(qū)范圍。