基于瞬變電磁法探測煤體內水力壓裂流場的運動規律

王岳飛（神華神東煤炭集團 保德煤礦，山西 保德 036600）

基于瞬變電磁法探測煤體內水力壓裂流場的運動規律

王岳飛
（神華神東煤炭集團 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-裂隙結構電阻率的變化，分析煤層水力壓裂后流場特征、煤體破裂、裂隙延伸擴展以及含水性增大的過程。通過采用瞬變電磁法對煤層水力壓裂流場進行了相關探測，得出了在高壓水流場的作用下，水力壓裂影響半徑可達30 m以上并且壓裂影響區域具有不均勻性，在應力釋放區容易出現水流通道，形成卸壓帶。如若煤層的頂、底板較為堅硬完整，則水力壓裂一般只會限制在煤層進行，同樣由于煤層賦存地質條件的不均勻性，因此可利用瞬變電磁探測含瓦斯煤體的水力場，為水力壓裂工藝的優化提供依據，以期達到理想的壓裂效果。

水力壓裂；瞬變電磁；水流場；裂隙發育

對煤層進行水力壓裂治理瓦斯而言，壓裂實施過程中及壓裂結束后，壓裂流場的變化特征及分布規律是評價和判斷壓裂效果好壞的重要依據[1]。煤層水力壓裂的過程就是煤體在外加水動力條件下，煤體破裂、裂隙延伸擴展以及含水性增大的過程，壓裂過程中壓裂液在煤層地質體空間和時間上的分布和滲流特征，是反映水力壓裂流場展布、裂縫導流能力以及煤層滲透率變化的重要標志，對瓦斯抽采至關重要。基于以上理論基礎，應用瞬變電磁法對分析煤層水力壓裂后水流場特征提供了技術途徑[2]。

1 瞬變電磁法探測原理

瞬變電磁法探測的基本原理是通過地下深處的礦石導電性的變化差異為原始基礎，利用設備發送的電磁脈沖信號，進一步的形成感應場，并且在一次電磁脈沖信號發送的間歇時間中連接回線線路或者是電偶極的磁波感應器，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生良好的導體作用，收到電磁波發送信號的感應作用產生非穩定的電磁場[4]。

為了能夠更好地比較出電磁信號在應力場中的變化以及對二次場的不斷響應的持續時間，從而可以進一步確認井下煤巖體中的電性不穩定的區域以及地質分布的電磁特征，其原理是通過電磁感應的區間變化，在電解質的越級變化激勵的磁場感應中產生了漩渦流場的問題從而使得瞬變電磁的探測發揮了甄別作用[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

常規條件下，對于不含水的井下深處巖體的電阻率是變化不大，但電阻率數值較大[6]，然而現實的真實條件是煤礦井下的煤巖體裂隙發育、孔隙豐富，導致了煤巖體中的空裂隙較多，易存在含水情況，從而導致了煤巖體的電阻率變化大，范圍不穩定，難以估計，因此，能夠反映在電磁場的磁波感應上。通過電磁感應反映電阻率高低的變化情況，進一步分析煤巖體的裂隙發育情況[7]。

2 現場試驗

2.1 試驗場地條件

本次試驗場地為孟巴煤礦24141運輸巷掘進工作面。孟巴煤礦為嚴重煤與瓦斯突出礦井，建礦以來共發生20余次突出，瓦斯治理一直是該礦的重點和難點。24141工作面位于該礦24采區西翼下部，開采煤層為二1號煤，煤層平均厚度5.8 m，分布穩定，煤層傾角12°～15°，埋深495 m～528 m。二1號煤層底板：無偽底，直接底為灰黑色砂質泥巖，粉粒層狀；老底為L8灰巖，厚0.2 m～0.75 m，深灰色，微晶結構，質硬性脆。

壓裂孔位置設計在24141運輸巷巷幫右側，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，見圖3。

圖2 壓裂孔位置示意圖

圖3 壓裂施工參數曲線圖

2.2 數據采集

本次試驗工作在18個點位進行多個方向的瞬變電磁法探測，探測方向為壓裂側幫水平方向、仰30°方向、俯30°方向，共計90個物理點，對壓裂鉆孔孔口100 m范圍進行探測，工作量布置示意圖，見圖4。

圖4 工作量布置示意圖

3 探測結果分析

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律，其中圖中的縱坐標表示探測深度，橫坐標表示探測的位置，電阻率數值的變化隨著探測深度的加深而逐漸的降低，圖中不同等值線反映了其相應視電阻率值的大小。

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電性能發生了明顯的變化，隨著煤體的進一步的破碎、含水量的加大、裂隙的擴展，煤巖體的電阻率也是呈現出規律的降低和衰減，電阻率變化較大的區域主要存在于水力壓裂后的鉆孔區域的正前方以及兩側的水平方向，在仰30°方向以及75號點的俯30°方向上同樣有著異常區的電阻率數值減小幅度較大的區域。

4 結論

通過以上利用瞬變電磁法對煤層水力壓裂流場的探測可以得出如下結論：

1）高壓水流場擴展的范圍較大，水力壓裂影響半徑在30 m以上。

2）開采區域煤巖體存在較大的應力不均衡性，在受采掘影響的區域由于應力疊加和釋放的作用導致此區域的裂隙發育、容易出現較大的貫通通道，進而形成導水裂隙帶，同樣未受采掘影響的區域，自然煤巖體較為完整，形成了低滲流區，水力壓裂的持續效果將會不明顯。

3）由于煤層賦存地質條件的不均勻性，對設計控制范圍內實現整體、均勻壓裂帶來了困難，要達到理想的壓裂效果，必須要對水力壓裂的工藝進行優化。

[1]王國鴻，徐贊.水力壓裂技術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.時間域電磁法原理[M].成都：中南工業大學出版社，1992．

[3]程德福.近區磁源瞬變電磁法信號檢測技術研究[D].長春：吉林大學，2001．

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

[5]李貅.瞬變電磁測深的理論與應用[M].西安：陜西科學技術出版社，2002．

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

[7]楊其鑾.關于煤屑瓦斯擴散規律的試驗研究[J].煤礦安全，1987，18（2）：9-16．

（編輯：武曉平）

表2 2號轉載點測量數據

由表1和表2中的實測數據可以看到l號轉載點和2號轉載點的降塵率最低65.76%，發生在距2號轉載點10 m處，最高降塵率80.45%，位置在距1號轉載點3 m處。粉塵濃度達到設定值后裝置自動啟動，經過測量以及實際觀察，噴霧降塵裝置性能優良，霧化效果充分、分布均勻，在轉載過程中產生的煤塵隨著噴霧的薄霧團降落下來，降塵效果非常明顯。此設備已在井下安裝6個月，運行狀況良好，達到了預期設計目的，現已推廣至西二集中運輸巷、北集中運輸巷、八采區運輸巷。

4 結束語

該風水聯動噴霧降塵裝置噴霧距離遠、降塵范圍大、水霧滯留時間長、降塵效率高、用水量少，對粉塵具有更好的吸附作用，能夠有效的減少巷道內積存的粉塵，從而減少粉塵對工人和設備的危害，社會效益顯著。巷道內除塵是每個煤礦都要完成的必要工作，煤礦井下風水聯動噴霧降塵裝置的應用能產生良好的經濟和社會效益，具有廣闊的推廣應用前景。

（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，內蒙古鄂爾多斯人，大學本科，助理工程師，從事煤礦技術工作。