基于钻孔瞬变电磁的煤层气压裂效果检测方法

范 涛

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤层气一般呈吸附态存留于煤的基质孔隙内部表面，仅有极少的游离状态气体存在于煤岩割理及其他裂隙里[1-2]，煤层气产出过程则要经过解析—扩散—渗流3个步骤。水力压裂技术通过将高压流体注入煤层，使煤层中产生新的裂缝或使原本存在的裂隙重启，改变了煤层结构，形成连通的裂缝网络系统，将解析—扩散—渗流这一煤层气产出过程的规模和速率变得更为合理，最终增加资源采出率，实现煤层气的开发利用[3-4]。

对压裂效果影响较大的3个因素是裂隙的扩展形态、延伸方向和延展距离，有必要采取相应的技术手段监测压裂产生的裂隙发育情况，检测水力压裂的压裂效果。常用的办法是在压裂孔周围按照一定间距布设监测钻孔，通过测量孔中介质的含水性变化判断压裂效果和裂隙延展范围;更简单的方法是分析压裂过程中水压变化情况，也能初步推测出裂隙的扩展情况;此外还可以根据后期煤层气抽采量确定压裂产生的裂隙范围，但总体而言这些方法不直观，局限性较大，施工成本高，效率低，实时效果差[5-6]。

一些学者采用地球物理方法，如电透视法、微震法监测压裂效果，取得了一定成果[7-9]，但目前实际应用还很少，主要原因在于煤层气压裂钻孔经常施工在未开发的煤层区域内，周围没有巷道或工作面形成，而常规的电透视法、微震法等需要将装置布设在压裂区域周围，尽量对压裂区域形成全包围，才能取得较好效果，而对于区域内仅有压裂钻孔的情况无法开展工作。

瞬变电磁方法对水体反应敏感，适用于煤层气水力压裂效果检测[10-11]，尤其是现在可在钻孔中施工，探测钻孔径向一定范围内的低阻异常分布，更有利于井下的煤层气水力压裂效果检测，但已有的巷-孔瞬变电磁方法主要是针对掘进工作面隐伏水害超前探测问题研发的，因发射能量衰减问题，测量孔深有限，由于发射线框方向固定，对于不直的、有较大弧度变化的钻孔也不适用[12-14]。因此，针对井下钻孔的煤层气水力压裂效果检测问题，需要使用孔内发射孔内接收的钻孔瞬变电磁工作装置。

现有的孔内收发瞬变电磁技术主要是中国矿业大学刘盛东提出一种对偶双发射、径向6个垂直分量分别接收的工作装置，研究了相应的信号特征，提出一种异常位置“气泡图”的解释方法，但由于仅能通过6个方向的数据插值定位，异常位置定位精度较低，同时信号幅值较弱，有效信号的处理主要还以多测道图定性分析为主，可解释径向距离较小，远远不能满足煤层气水力压裂效果检测的需求[15-16]。

笔者提出一种孔内多匝极小线圈发射、磁探头接收，2者位置相对固定的动源动接收瞬变电磁工作方法，研究了收发装置不同组合测量数据的差异，选定了一种最优装置组合，针对其三分量数据特征研究了资料处理技术，并开展了其用于煤层气水力压裂效果检测的试验研究。

1 施工装置

1.1 工作方法

笔者提出的基本工作装置如图1所示，在钻孔中布置一孔中三分量接收探头和1个中心法线方向指向钻孔延伸方向的多匝小线圈发射源，2者的相对位置及形态保持不变，工作时沿钻孔按一定点距(如2 m)向孔中推送该收发系统并逐点进行二次场测量，直至孔底。

图1 基本施工装置

对于单个钻孔可观测三分量数据，通过垂直(Z)分量数据进行反演成像，水平(X,Y)分量对异常体中心进行定位;对于多个钻孔，可以通过对不同钻孔的垂直分量反演成像结果进行综合分析，联合解释地质异常体位置。

1.2 收发系统选取

因接收装置使用了磁探头，具有一定的长度，且整个收发系统的尺寸较小，所以发射线圈与接收装置的相对位置关系对数据质量和形态影响很大，为选取耦合情况最优的收发系统，开展了不同收发系统的对比物理模拟试验。

物理模拟试验测线基本布置如图2所示，以接收探头的一半长度处为测线中心，共布设7个测点，测点间距0.5 m，异常体材质为不锈钢，形状为圆柱形，直径0.40 m，高0.75 m，异常距离收发系统距离2 m。为保证测量环境不发生变化，固定收发系统不动，每次测量挪动异常体。物理模拟的发射参数统一设置为发射频率6.25 Hz，叠加次数100次。

图2 物理模拟模型示意

图3 不同收发系统示意

用于对比的不同收发系统设计了4种，如图3所示。A装置为一共轴偶极装置，发射线圈位于接收探头后方，二者不重合;B装置介于共轴偶极装置与中心回线装置之间，发射线圈与接收探头的头部重合;C装置近似于一中心回线装置，发射线圈与接收探头中部重合;D装置介于A,B装置之间，发射线圈与接收探头的尾部重合一半。

对比4组数据的单点观测曲线图(图4)可以看出，A装置曲线幅值最小，在尾部出现一个“拱包”;B装置曲线在电感影响段之后衰减趋势与其他3种装置均不同，非常平缓，但数据质量较好;C装置数据质量较好，曲线较为光滑，电感影响段之后的衰减趋势与A,D装置基本相同;D装置曲线整体形态与C装置相似，但幅值较小，电感影响段之后的曲线出现锯齿状抖动。

图4 单点实测曲线对比

将对异常反映较好的相同测道数据与背景值进行差值运算，可得多测道对比图(图5)。可以看出，C装置数据幅值最强，B装置次强，D装置较弱，A装置数据幅值最弱，说明信号强度与发射线圈与接收线圈的中心距离关系最大，当2者中心重合时，测量信号强度最大;多测道曲线的对称性也是C装置最佳，B,D装置的多测道曲线表现出明显的不对称，异常响应最强点出现在发射线圈处，响应次强点出现在接收探头处，即同一个异常出现了2次反映，对资料的正确解释会带来干扰。

图5 异常差值多测道对比

将对异常反映较好的相同测道数据与背景值进行比值运算，可得多测道对比图(图6)。显然，仍然是C装置的异常场相对背景场更为显著，且响应形态对称，资料解释难度低，异常定位精度高。

图6 异常比值多测道对比

根据试验结果，可确定近似中心回线装置(C装置)是单孔瞬变电磁的最优收发系统组合。

1.3 发射参数选取

1.3.1发射线圈匝数选取

因钻孔尺寸限制，使用线径0.001 m的漆包线作为发射线圈，匝数分别为20，25，30，35，40，60，107匝，发射电流强度均为0.8 A。物理模型仍按照图2所示进行布设。

对比7组数据的单点观测数据图和归一化观测数据图(图7)可以看出，发射线圈匝数<40匝的观测数据电感影响段差别不大，而60匝和107匝数据的电感影响段则显著增加，且随着发射线圈匝数增加，电感影响段之后的观测数据总场幅值增大，但归一化幅值减小。

图7 不同发射线圈匝数条件下单点实测曲线和归一化曲线对比

将对异常反映较好的相同测道匝数归一化数据与背景值进行差值运算，可得归一化异常差值多测道对比如图8所示，除107匝曲线外，所有曲线对异常体均有良好响应。60匝曲线尽管异常幅值较强，但出现了明显的不对称性。其他曲线则并未遵循发射匝数多异常幅值就大的单调规律，而是25匝曲线的异常响应最强，30匝的异常响应最弱。

图8 不同发射线圈匝数条件下归一化异常差值多测道对比

将对异常反映较好的相同测道匝数归一化数据与背景值进行比值运算，可得异常比值多测道对比图如图9所示，图9中所有曲线对异常体均有良好响应，整体上呈现随着发射线圈匝数增加异常比值变小的规律，但20匝与25匝差异不大。

图9 不同发射线圈匝数条件下异常比值多测道对比

根据试验结果，最终认为25匝作为发射线圈匝数是较为理想的选择。

1.3.2发射线圈线径选取

考虑到发射线圈线径对观测数据存在影响，使用线径0.000 3，0.000 6，0.001 0 m的漆包线分别绕制25匝发射线圈，并按图2所示模型开展对比试验，此时将发射电流强度限制在0.3 A。

对比3组数据的单点观测曲线图(图10)可看出，3条曲线基本重合，说明发射线圈线径变化较小的情况下，对数据幅值影响不大，电感效应产生的影响也基本相当。

将对异常反映较好的相同测道数据与背景值进行差值运算，可得图11，图中所有曲线对异常体均有响应，整体表现出异常响应幅值随线径增大而增大的特征。

图10 不同发射线圈线径条件下单点实测曲线对比

图11 不同发射线圈线径条件下异常差值多测道对比

将对异常反映较好的相同测道数据与背景值进行比值运算，可得图12，反映出的异常比值特征与异常差值特征基本相同。

图12 不同发射线圈线径条件下异常比值多测道对比

因此，选择线径0.001 m的漆包线作为发射线圈是较优的选择。

1.3.3发射电流强度选取

仍然采用图2所示的物理模型，线径0.001 m的漆包线作为发射线圈，发射电流强度分别为0.5，0.8，1.1，2.0 和3.0 A，发射线圈匝数25匝。

图13 不同发射电流强度条件下单点实测曲线和归一化曲线对比

对比5组数据的单点观测数据图和归一化观测数据图(图13)可以看出，总场幅值整体与电流强度呈正相关关系，发射电流越大，数据幅值越大;而归一化数据则在电感影响段曲线基本重合，说明电感影响与电流基本无关，其后的数据幅值则与电流强度呈负相关关系，发射电流越小，数据归一化幅值越大。

同样将对异常反映较好的相同测道电流归一化数据与背景值进行差值运算，可得图14，图中所有曲线对异常体均有良好响应，其中0.8 A曲线异常幅值最强，3 A曲线异常幅值最弱。

图14 不同发射电流强度条件下归一化异常差值多测道对比

再将对异常反映较好的相同测道电流归一化数据与背景值进行比值运算，可得图15，图中所有曲线对异常体也均有良好响应，各曲线表现出的规律也与图14相同。

图15 不同发射电流强度条件下异常比值多测道对比

根据试验结果，认为发射电流强度可确定为0.8 A。

1.4 接收参数选取

1.4.1接收线圈匝数选取

接收线圈匝数对观测数据中电感效应的影响很大，使用匝数125，188，250，375和500匝的相同规格漆包线按照图2模型进行了对比试验。

对比5组数据的单点观测数据图和归一化观测数据图(图16)可以看出，总场幅值与接收线圈匝数呈正相关关系，电感影响段长度同样与接收线圈匝数呈正相关关系，而归一化数据则在电感影响段之后的曲线基本重合，这些信息意味着在数据质量相当时，减少接收线圈匝数有利于获取更多的早期有效数据。

图16 不同接收线圈匝数条件下单点实测曲线和归一化曲线对比

将对异常反映较好的相同测道接收匝数归一化数据与背景值进行差值运算，可得图17，其中500匝对应数据整体无法发现异常响应，其余匝数对应曲线对异常体均有良好响应，且与接收线圈匝数呈正相关关系。

图17 不同接收线圈匝数条件下归一化异常差值多测道对比

再将对异常反映较好的相同测道接收匝数归一化数据与背景值进行比值运算，可得图18，图中除500匝外的其余曲线对异常体也均有良好响应，但375匝曲线的异常响应明显较弱。

图18 不同接收线圈匝数条件下异常比值多测道对比

根据试验结果综合考虑，可将接收线圈匝数设为125匝。

1.4.2接收线圈线径选取

考虑到接收线圈线径对观测数据存在影响，使用线径0.000 3，0.000 6和0.001 0 m的漆包线分别绕制250匝接收线圈，并按图2所示模型开展对比试验。

对比3组数据的单点观测曲线图(图19)可以看出，电感影响段之后的曲线基本重合，说明地层产生的二次场受接收线圈线径影响不大，但线径0.000 3 m的曲线电感影响段最长，线径0.000 6 m的曲线电感影响段最短，选用线径0.000 6 m的漆包线能获得更多的早期信息。

图19 不同接收线圈线径条件下单点实测曲线对比

图20 不同接收线圈线径条件下异常差值多测道对比

将对异常反映较好的相同测道数据与背景值进行差值运算，可得图20，图20中所有曲线对异常体均有良好响应，其中线径0.000 3 m曲线异常幅值最弱，其他2组线径曲线的异常幅值相当。

再将对异常反映较好的相同测道数据与背景值进行比值运算，可得图21，图21中所有曲线对异常体也均有良好响应，线径0.000 3 m曲线异常反映仍为最弱，线径0.000 6 m曲线的异常反映最强，且幅度远大于其他2组曲线。

根据以上结果，接收线圈线径选择0.000 6 m较为理想。

1.4.3磁芯长度选取

考虑到观测数据的质量和探管长度的要求，需要对磁芯长度进行选型，同样按照图2模型，选择磁芯长度0.17 m和0.34 m进行对比试验。接收线圈线径为0.000 6 m，匝数为125匝。

对比2组数据的单点观测曲线图(图22)可以看出，磁芯长度较短时，虽然电感影响大幅减小，但晚期数据质量也明显降低，我们更关心反映深部信息的晚期信号，因此需要选用较长的0.34 m长度磁芯。

图22 不同磁芯长度条件下单点实测曲线对比

2 数据处理方法

2.1 垂直分量数据处理解释方法

笔者提出的单孔瞬变电磁工作方法本质上仍属于中心回线装置类型，其垂直分量实测数据曲线形态与矿井瞬变电磁探测数据曲线形态基本相同(图23)，仅是因为发射线圈尺寸与匝数的原因而导致电感影响较大，因此数据处理方法可参考矿井瞬变电磁，采用文献[17]中的预处理技术对电感影响进行校正，对校正后的数据则可应用多种反演成像方法进行处理解释，如“二分法”全期视电阻率计算方法[18-19]、Occam反演技术[20-21]和虚拟波场全波形反演方法[22-23]等。

图23 不同磁芯长度下矿井装置与钻孔装置实测曲线对比

2.2 基于水平分量数据的异常中心定位技术

2.2.1探头姿态校正

孔中探头在推送过程中必然会发生旋转，为保证实测数据中水平分量的方向与预先定义的坐标系一致，需要对每一测点的水平分量进行校正。设在孔口按照预定坐标系放置的探头工具面角为φ0，探头在孔中第n号测点位置的工具面角为φn，则可按下式计算在该点处探头相对预定坐标系偏转的角度

φn-0=φn-φ0

(1)

(2)

(3)

2.2.2异常场提取方法

地-井瞬变电磁利用水平分量进行异常中心定位时，一般采用从实测数据中直接删除异常区段数据，再使用Hermit插值办法重构被删除区段数据形成一组背景场，再用实测数据减去该背景场从而获取纯异常场，最后利用该异常场求取异常中心方位。

但本文提出的井下孔中收发装置体积较小、匝数较多，电感影响很大，垂直分量数据经过预处理后尚能较好的反映异常，而水平分量中的异常响应特征容易淹没在电感产生的干扰背景中，难以直观看到异常体造成的变号现象，进而确定异常区段，另外经过数值模拟验算，插值重构得到的背景场与真实背景场差异还比较大，因此本文采用不需要预先确定异常区段的趋势面分析技术构建背景场和提取纯异常场。

(4)

(5)

数学地质中的趋势面分析技术，能够实现从总地质变量的观测值中分离出趋势变化和局部变化，对于孔中瞬变电磁数据来说，趋势变化部分反映了钻孔测点的规律性变化，即背景场;而局部变化部分则反映了地质异常体引起的变化，即异常场。那么对测线每一点的同一测道进行多项式拟合趋势面分析，即可求得水平分量响应的背景场，而每一点的残差值即为水平分量纯异常场。

b5t2+…+bL-1tP

(6)

式中，P为趋势面的次数;b0,b1,b2,…,bL-1为待定系数;L=1/2(P+1)(P+2)为拟合系数的个数。

(7)

根据极值定理，为使Q达到最小，对式(7)求导后求取线性方程组，即可求出式(6)的L个系数值。

根据图24所示的模型，分别采用趋势面分析方法和插值方法对X分量进行了异常场提取，可以看出使用Hermit插值方法得到的异常场与理论值差别较大，而使用趋势面分析方法得到的异常场则与理论值差别较小，精度更高(图25)。

2.2.3异常体中心定位技术

水平分量异常场形态组合如图26所示，由图26可以看出，水平分量异常场形态与地-井瞬变电磁相似，可归结为“正弦”与“反正弦”形态的组合，因此可根据图26判断异常体所在象限。

图25 异常场提取效果对比

图26 水平分量异常场形态组合

再根据3.2.2节得到的两组水平分量异常场幅值之间的三角函数关系(图27)，按照式(8)计算出异常体在该象限内的偏转角度θ,即

(8)

图27 异常体偏转角度

最后根据异常体所在象限，求出异常体中心的方位角α:1 异常体在第1象限:α=θ;2 异常体在第2象限:α=π-θ;3 异常体在第3象限:α=π+θ;4 异常体在第4象限:α=2π-θ。

2.3 充水裂缝三维立体成像技术

经过2.1与2.2节的数据处理，得到了钻孔旁侧异常体除厚度外的绝大部分地质信息，考虑到充水裂缝可以忽略其厚度，此时已可以对异常体进行三维立体成像。

立体成像可以依靠Suffer和Voxler软件现有的功能实现，具体步骤如下:

(1)将2.1节由Suffer软件生成的视电阻率成像图输出为bln文件，文件中包含等值线的深度和径向距离信息。

(2)根据的视电阻率分布划分出几个明显的异常区段，标记为主裂缝。

(3)每一区段通过3.2节的方法计算的有异常中心方位，根据该方位角利用三角函数运算将bln文件中对应区段的径向距离转换为水平坐标X,Y值，转换公式为

X=Rcosα

(9)

Y=Rsinα

(10)

式中，R为径向距离。

(4)将转换坐标后的bln文件另存为dat表格文件，导入Voxler软件，绘制ScatterPlot图件，即可实现对煤层气水力压裂主要裂缝的三维立体成像。

3 径向探测能力测试

文献[11]通过井下现场物理模拟试验检验了巷-孔瞬变电磁法的探测距离在40 m左右，单孔瞬变电磁与巷-孔瞬变电磁原理相通，可以通过在同一钻孔中的对比探测测试其探测距离。

选择陕西黄陵某矿一钻孔内开展2种方法的对比探测试验，对巷-孔瞬变电磁资料采用文献[11]中的二维拟地震方法处理，对单孔瞬变电磁资料采用本文方法进行处理，垂直分量视电阻率成像对比结果如图28所示。由图28可以看出，由标志低阻层位可判断单孔瞬变电磁的径向探测能力约为巷-孔瞬变电磁最大径向探测距离的一半左右，结合文献[11]和本文方法的多次探测结果，可以推测根据现场地质条件的不同，巷-孔瞬变电磁最大径向探测距离为30～60 m，单孔瞬变电磁径向探测距离为15～30 m。

图28 探测距离对比

4 探测实例

陕西韩城某煤矿3309工作面开展瓦斯抽采工作，沿煤层顶板布设了长距离定向钻孔进行水力压裂。为检测压裂效果，采用本文提出的单孔瞬变电磁方法对钻孔的60～110 m区间进行了压裂前后的探测工作。施工区间如图29中红色线框所示，测点距2 m，每个测点进行三分量数据采集，实际施工测点26组，数据点78个。

图29 施工区段

表1 压裂区段

图30 视电阻率成像结果

图30为压裂前后的钻孔瞬变电磁垂直分量处理结果，其中图30(a)为压裂前的处理结果，图30(b)为压裂后的处理结果，成果图中横坐标为钻孔深度，纵坐标为钻孔径向距离。从图30(a)可以看出，压裂前的视电阻率等值线分布呈层状，且比较均匀，在测区内没有明显圈闭低阻区，仅在90 m和100 m附近等值线有较小幅度的抬升，因此，分析认为压裂前，测区内围岩的视电阻率分布比较均匀、规律，没有明显的低阻异常区。

从图30(b)可以发现，测区中出现了5个较为明显的条带状的低阻异常，分别为:1号异常位于孔深67～72 m，径向延伸至28 m;2号异常位于孔深75～79 m，径向延伸至22 m;3号异常位于孔深87～92 m，径向延伸至30 m;4号异常位于孔深97～102 m，径向延伸至18 m;5号异常位于孔深102～108 m，径向延伸至30 m。在5组异常中，1号、3号和5号异常中心距离钻孔距离较远，2号和4号异常发育距离相对较短。

为了更清楚的识别异常分布与发育情况，将压裂前的探测成果当做背景场，在压裂后的探测成果中减去背景场，提取出纯异常场，计算成果如图30(c)所示，图中蓝、绿色部分为低值异常区，颜色越深表明电阻率向低值变化越大，白色区域为电阻率变化较小区域。通过对纯异常的提取，可以看出钻孔径向距离0～30 m内整体存在明显的低值变化，主要变化范围在孔深68～100 m，与表1中第4压裂段范围基本吻合。此外，图30(b)中的5个低阻异常的分布情况表现得更为明显，有利于圈定主要裂缝的分布范围。

根据圈定的主要裂缝范围，对水平分量数据进行了定位处理，并通过Voxler软件进行三维成像如图31所示。由图31可以看出，5个异常的方位均位于钻孔的下方，该处理结果与顶板压裂孔，裂隙向下方煤层发育的情况吻合较好。

图31 主要裂缝立体成像结果

5 结 论

(1)在距离异常体较近位置激发和观测可获得更强的异常体响应，极小线圈动源动接收单孔瞬变电磁工作装置有利于提高低阻异常体的探测精度，且垂直分量测量曲线与常规矿井瞬变电磁曲线特征基本相同，视电阻率成像难度较低。

(2)经过大量物理模拟试验，认为当发射频率为6.25 Hz时，孔中发射装置应采用线径0.001 0 m的漆包线绕制25匝，发射电流强度控制在0.8 A，可在电感影响和地质异常响应之间取得平衡，孔中接收探头应选用长度0.34 m、直径0.032 m、磁导率2 000 H/m的磁芯，外绕线径0.000 6 m的漆包线125匝，可获得异常特征明显、纯异常响应强的观测数据。

(3)井下试验测试了单孔瞬变电磁方法与巷-孔瞬变电磁方法在钻孔径向探测距离上的差异，可推测单孔瞬变电磁的径向探测能力为15～30 m。