范 濤

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層氣一般呈吸附態(tài)存留于煤的基質(zhì)孔隙內(nèi)部表面，僅有極少的游離狀態(tài)氣體存在于煤巖割理及其他裂隙里[1-2]，煤層氣產(chǎn)出過程則要經(jīng)過解析—擴(kuò)散—滲流3個(gè)步驟。水力壓裂技術(shù)通過將高壓流體注入煤層，使煤層中產(chǎn)生新的裂縫或使原本存在的裂隙重啟，改變了煤層結(jié)構(gòu)，形成連通的裂縫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將解析—擴(kuò)散—滲流這一煤層氣產(chǎn)出過程的規(guī)模和速率變得更為合理，最終增加資源采出率，實(shí)現(xiàn)煤層氣的開發(fā)利用[3-4]。

對壓裂效果影響較大的3個(gè)因素是裂隙的擴(kuò)展形態(tài)、延伸方向和延展距離，有必要采取相應(yīng)的技術(shù)手段監(jiān)測壓裂產(chǎn)生的裂隙發(fā)育情況，檢測水力壓裂的壓裂效果。常用的辦法是在壓裂孔周圍按照一定間距布設(shè)監(jiān)測鉆孔，通過測量孔中介質(zhì)的含水性變化判斷壓裂效果和裂隙延展范圍;更簡單的方法是分析壓裂過程中水壓變化情況，也能初步推測出裂隙的擴(kuò)展情況;此外還可以根據(jù)后期煤層氣抽采量確定壓裂產(chǎn)生的裂隙范圍，但總體而言這些方法不直觀，局限性較大，施工成本高，效率低，實(shí)時(shí)效果差[5-6]。

一些學(xué)者采用地球物理方法，如電透視法、微震法監(jiān)測壓裂效果，取得了一定成果[7-9]，但目前實(shí)際應(yīng)用還很少，主要原因在于煤層氣壓裂鉆孔經(jīng)常施工在未開發(fā)的煤層區(qū)域內(nèi)，周圍沒有巷道或工作面形成，而常規(guī)的電透視法、微震法等需要將裝置布設(shè)在壓裂區(qū)域周圍，盡量對壓裂區(qū)域形成全包圍，才能取得較好效果，而對于區(qū)域內(nèi)僅有壓裂鉆孔的情況無法開展工作。

瞬變電磁方法對水體反應(yīng)敏感，適用于煤層氣水力壓裂效果檢測[10-11]，尤其是現(xiàn)在可在鉆孔中施工，探測鉆孔徑向一定范圍內(nèi)的低阻異常分布，更有利于井下的煤層氣水力壓裂效果檢測，但已有的巷-孔瞬變電磁方法主要是針對掘進(jìn)工作面隱伏水害超前探測問題研發(fā)的，因發(fā)射能量衰減問題，測量孔深有限，由于發(fā)射線框方向固定，對于不直的、有較大弧度變化的鉆孔也不適用[12-14]。因此，針對井下鉆孔的煤層氣水力壓裂效果檢測問題，需要使用孔內(nèi)發(fā)射孔內(nèi)接收的鉆孔瞬變電磁工作裝置。

現(xiàn)有的孔內(nèi)收發(fā)瞬變電磁技術(shù)主要是中國礦業(yè)大學(xué)劉盛東提出一種對偶雙發(fā)射、徑向6個(gè)垂直分量分別接收的工作裝置，研究了相應(yīng)的信號(hào)特征，提出一種異常位置“氣泡圖”的解釋方法，但由于僅能通過6個(gè)方向的數(shù)據(jù)插值定位，異常位置定位精度較低，同時(shí)信號(hào)幅值較弱，有效信號(hào)的處理主要還以多測道圖定性分析為主，可解釋徑向距離較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足煤層氣水力壓裂效果檢測的需求[15-16]。

筆者提出一種孔內(nèi)多匝極小線圈發(fā)射、磁探頭接收，2者位置相對固定的動(dòng)源動(dòng)接收瞬變電磁工作方法，研究了收發(fā)裝置不同組合測量數(shù)據(jù)的差異，選定了一種最優(yōu)裝置組合，針對其三分量數(shù)據(jù)特征研究了資料處理技術(shù)，并開展了其用于煤層氣水力壓裂效果檢測的試驗(yàn)研究。

1 施工裝置

1.1 工作方法

筆者提出的基本工作裝置如圖1所示，在鉆孔中布置一孔中三分量接收探頭和1個(gè)中心法線方向指向鉆孔延伸方向的多匝小線圈發(fā)射源，2者的相對位置及形態(tài)保持不變，工作時(shí)沿鉆孔按一定點(diǎn)距(如2 m)向孔中推送該收發(fā)系統(tǒng)并逐點(diǎn)進(jìn)行二次場測量，直至孔底。

圖1 基本施工裝置

對于單個(gè)鉆孔可觀測三分量數(shù)據(jù)，通過垂直(Z)分量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演成像，水平(X,Y)分量對異常體中心進(jìn)行定位;對于多個(gè)鉆孔，可以通過對不同鉆孔的垂直分量反演成像結(jié)果進(jìn)行綜合分析，聯(lián)合解釋地質(zhì)異常體位置。

1.2 收發(fā)系統(tǒng)選取

因接收裝置使用了磁探頭，具有一定的長度，且整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的尺寸較小，所以發(fā)射線圈與接收裝置的相對位置關(guān)系對數(shù)據(jù)質(zhì)量和形態(tài)影響很大，為選取耦合情況最優(yōu)的收發(fā)系統(tǒng)，開展了不同收發(fā)系統(tǒng)的對比物理模擬試驗(yàn)。

物理模擬試驗(yàn)測線基本布置如圖2所示，以接收探頭的一半長度處為測線中心，共布設(shè)7個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距0.5 m，異常體材質(zhì)為不銹鋼，形狀為圓柱形，直徑0.40 m，高0.75 m，異常距離收發(fā)系統(tǒng)距離2 m。為保證測量環(huán)境不發(fā)生變化，固定收發(fā)系統(tǒng)不動(dòng)，每次測量挪動(dòng)異常體。物理模擬的發(fā)射參數(shù)統(tǒng)一設(shè)置為發(fā)射頻率6.25 Hz，疊加次數(shù)100次。

圖2 物理模擬模型示意

圖3 不同收發(fā)系統(tǒng)示意

用于對比的不同收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4種，如圖3所示。A裝置為一共軸偶極裝置，發(fā)射線圈位于接收探頭后方，二者不重合;B裝置介于共軸偶極裝置與中心回線裝置之間，發(fā)射線圈與接收探頭的頭部重合;C裝置近似于一中心回線裝置，發(fā)射線圈與接收探頭中部重合;D裝置介于A,B裝置之間，發(fā)射線圈與接收探頭的尾部重合一半。

對比4組數(shù)據(jù)的單點(diǎn)觀測曲線圖(圖4)可以看出，A裝置曲線幅值最小，在尾部出現(xiàn)一個(gè)“拱包”;B裝置曲線在電感影響段之后衰減趨勢與其他3種裝置均不同，非常平緩，但數(shù)據(jù)質(zhì)量較好;C裝置數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，曲線較為光滑，電感影響段之后的衰減趨勢與A,D裝置基本相同;D裝置曲線整體形態(tài)與C裝置相似，但幅值較小，電感影響段之后的曲線出現(xiàn)鋸齒狀抖動(dòng)。

圖4 單點(diǎn)實(shí)測曲線對比

將對異常反映較好的相同測道數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算，可得多測道對比圖(圖5)?？梢钥闯觯珻裝置數(shù)據(jù)幅值最強(qiáng)，B裝置次強(qiáng)，D裝置較弱，A裝置數(shù)據(jù)幅值最弱，說明信號(hào)強(qiáng)度與發(fā)射線圈與接收線圈的中心距離關(guān)系最大，當(dāng)2者中心重合時(shí)，測量信號(hào)強(qiáng)度最大;多測道曲線的對稱性也是C裝置最佳，B,D裝置的多測道曲線表現(xiàn)出明顯的不對稱，異常響應(yīng)最強(qiáng)點(diǎn)出現(xiàn)在發(fā)射線圈處，響應(yīng)次強(qiáng)點(diǎn)出現(xiàn)在接收探頭處，即同一個(gè)異常出現(xiàn)了2次反映，對資料的正確解釋會(huì)帶來干擾。

圖5 異常差值多測道對比

將對異常反映較好的相同測道數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行比值運(yùn)算，可得多測道對比圖(圖6)。顯然，仍然是C裝置的異常場相對背景場更為顯著，且響應(yīng)形態(tài)對稱，資料解釋難度低，異常定位精度高。

圖6 異常比值多測道對比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可確定近似中心回線裝置(C裝置)是單孔瞬變電磁的最優(yōu)收發(fā)系統(tǒng)組合。

1.3 發(fā)射參數(shù)選取

1.3.1發(fā)射線圈匝數(shù)選取

因鉆孔尺寸限制，使用線徑0.001 m的漆包線作為發(fā)射線圈，匝數(shù)分別為20，25，30，35，40，60，107匝，發(fā)射電流強(qiáng)度均為0.8 A。物理模型仍按照圖2所示進(jìn)行布設(shè)。

對比7組數(shù)據(jù)的單點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)圖和歸一化觀測數(shù)據(jù)圖(圖7)可以看出，發(fā)射線圈匝數(shù)<40匝的觀測數(shù)據(jù)電感影響段差別不大，而60匝和107匝數(shù)據(jù)的電感影響段則顯著增加，且隨著發(fā)射線圈匝數(shù)增加，電感影響段之后的觀測數(shù)據(jù)總場幅值增大，但歸一化幅值減小。

圖7 不同發(fā)射線圈匝數(shù)條件下單點(diǎn)實(shí)測曲線和歸一化曲線對比

將對異常反映較好的相同測道匝數(shù)歸一化數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算，可得歸一化異常差值多測道對比如圖8所示，除107匝曲線外，所有曲線對異常體均有良好響應(yīng)。60匝曲線盡管異常幅值較強(qiáng)，但出現(xiàn)了明顯的不對稱性。其他曲線則并未遵循發(fā)射匝數(shù)多異常幅值就大的單調(diào)規(guī)律，而是25匝曲線的異常響應(yīng)最強(qiáng)，30匝的異常響應(yīng)最弱。

圖8 不同發(fā)射線圈匝數(shù)條件下歸一化異常差值多測道對比

將對異常反映較好的相同測道匝數(shù)歸一化數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行比值運(yùn)算，可得異常比值多測道對比圖如圖9所示，圖9中所有曲線對異常體均有良好響應(yīng)，整體上呈現(xiàn)隨著發(fā)射線圈匝數(shù)增加異常比值變小的規(guī)律，但20匝與25匝差異不大。

圖9 不同發(fā)射線圈匝數(shù)條件下異常比值多測道對比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，最終認(rèn)為25匝作為發(fā)射線圈匝數(shù)是較為理想的選擇。

1.3.2發(fā)射線圈線徑選取

考慮到發(fā)射線圈線徑對觀測數(shù)據(jù)存在影響，使用線徑0.000 3，0.000 6，0.001 0 m的漆包線分別繞制25匝發(fā)射線圈，并按圖2所示模型開展對比試驗(yàn)，此時(shí)將發(fā)射電流強(qiáng)度限制在0.3 A。

對比3組數(shù)據(jù)的單點(diǎn)觀測曲線圖(圖10)可看出，3條曲線基本重合，說明發(fā)射線圈線徑變化較小的情況下，對數(shù)據(jù)幅值影響不大，電感效應(yīng)產(chǎn)生的影響也基本相當(dāng)。

將對異常反映較好的相同測道數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算，可得圖11，圖中所有曲線對異常體均有響應(yīng)，整體表現(xiàn)出異常響應(yīng)幅值隨線徑增大而增大的特征。

圖10 不同發(fā)射線圈線徑條件下單點(diǎn)實(shí)測曲線對比

圖11 不同發(fā)射線圈線徑條件下異常差值多測道對比

將對異常反映較好的相同測道數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行比值運(yùn)算，可得圖12，反映出的異常比值特征與異常差值特征基本相同。

圖12 不同發(fā)射線圈線徑條件下異常比值多測道對比

因此，選擇線徑0.001 m的漆包線作為發(fā)射線圈是較優(yōu)的選擇。

1.3.3發(fā)射電流強(qiáng)度選取

仍然采用圖2所示的物理模型，線徑0.001 m的漆包線作為發(fā)射線圈，發(fā)射電流強(qiáng)度分別為0.5，0.8，1.1，2.0 和3.0 A，發(fā)射線圈匝數(shù)25匝。

圖13 不同發(fā)射電流強(qiáng)度條件下單點(diǎn)實(shí)測曲線和歸一化曲線對比

對比5組數(shù)據(jù)的單點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)圖和歸一化觀測數(shù)據(jù)圖(圖13)可以看出，總場幅值整體與電流強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，發(fā)射電流越大，數(shù)據(jù)幅值越大;而歸一化數(shù)據(jù)則在電感影響段曲線基本重合，說明電感影響與電流基本無關(guān)，其后的數(shù)據(jù)幅值則與電流強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，發(fā)射電流越小，數(shù)據(jù)歸一化幅值越大。

同樣將對異常反映較好的相同測道電流歸一化數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算，可得圖14，圖中所有曲線對異常體均有良好響應(yīng)，其中0.8 A曲線異常幅值最強(qiáng)，3 A曲線異常幅值最弱。

圖14 不同發(fā)射電流強(qiáng)度條件下歸一化異常差值多測道對比

再將對異常反映較好的相同測道電流歸一化數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行比值運(yùn)算，可得圖15，圖中所有曲線對異常體也均有良好響應(yīng)，各曲線表現(xiàn)出的規(guī)律也與圖14相同。

圖15 不同發(fā)射電流強(qiáng)度條件下異常比值多測道對比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為發(fā)射電流強(qiáng)度可確定為0.8 A。

1.4 接收參數(shù)選取

1.4.1接收線圈匝數(shù)選取

接收線圈匝數(shù)對觀測數(shù)據(jù)中電感效應(yīng)的影響很大，使用匝數(shù)125，188，250，375和500匝的相同規(guī)格漆包線按照圖2模型進(jìn)行了對比試驗(yàn)。

對比5組數(shù)據(jù)的單點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)圖和歸一化觀測數(shù)據(jù)圖(圖16)可以看出，總場幅值與接收線圈匝數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，電感影響段長度同樣與接收線圈匝數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而歸一化數(shù)據(jù)則在電感影響段之后的曲線基本重合，這些信息意味著在數(shù)據(jù)質(zhì)量相當(dāng)時(shí)，減少接收線圈匝數(shù)有利于獲取更多的早期有效數(shù)據(jù)。

圖16 不同接收線圈匝數(shù)條件下單點(diǎn)實(shí)測曲線和歸一化曲線對比

將對異常反映較好的相同測道接收匝數(shù)歸一化數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算，可得圖17，其中500匝對應(yīng)數(shù)據(jù)整體無法發(fā)現(xiàn)異常響應(yīng)，其余匝數(shù)對應(yīng)曲線對異常體均有良好響應(yīng)，且與接收線圈匝數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

圖17 不同接收線圈匝數(shù)條件下歸一化異常差值多測道對比

再將對異常反映較好的相同測道接收匝數(shù)歸一化數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行比值運(yùn)算，可得圖18，圖中除500匝外的其余曲線對異常體也均有良好響應(yīng)，但375匝曲線的異常響應(yīng)明顯較弱。

圖18 不同接收線圈匝數(shù)條件下異常比值多測道對比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合考慮，可將接收線圈匝數(shù)設(shè)為125匝。

1.4.2接收線圈線徑選取

考慮到接收線圈線徑對觀測數(shù)據(jù)存在影響，使用線徑0.000 3，0.000 6和0.001 0 m的漆包線分別繞制250匝接收線圈，并按圖2所示模型開展對比試驗(yàn)。

對比3組數(shù)據(jù)的單點(diǎn)觀測曲線圖(圖19)可以看出，電感影響段之后的曲線基本重合，說明地層產(chǎn)生的二次場受接收線圈線徑影響不大，但線徑0.000 3 m的曲線電感影響段最長，線徑0.000 6 m的曲線電感影響段最短，選用線徑0.000 6 m的漆包線能獲得更多的早期信息。

圖19 不同接收線圈線徑條件下單點(diǎn)實(shí)測曲線對比

圖20 不同接收線圈線徑條件下異常差值多測道對比

將對異常反映較好的相同測道數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算，可得圖20，圖20中所有曲線對異常體均有良好響應(yīng)，其中線徑0.000 3 m曲線異常幅值最弱，其他2組線徑曲線的異常幅值相當(dāng)。

再將對異常反映較好的相同測道數(shù)據(jù)與背景值進(jìn)行比值運(yùn)算，可得圖21，圖21中所有曲線對異常體也均有良好響應(yīng)，線徑0.000 3 m曲線異常反映仍為最弱，線徑0.000 6 m曲線的異常反映最強(qiáng)，且幅度遠(yuǎn)大于其他2組曲線。

根據(jù)以上結(jié)果，接收線圈線徑選擇0.000 6 m較為理想。

1.4.3磁芯長度選取

考慮到觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量和探管長度的要求，需要對磁芯長度進(jìn)行選型，同樣按照圖2模型，選擇磁芯長度0.17 m和0.34 m進(jìn)行對比試驗(yàn)。接收線圈線徑為0.000 6 m，匝數(shù)為125匝。

對比2組數(shù)據(jù)的單點(diǎn)觀測曲線圖(圖22)可以看出，磁芯長度較短時(shí)，雖然電感影響大幅減小，但晚期數(shù)據(jù)質(zhì)量也明顯降低，我們更關(guān)心反映深部信息的晚期信號(hào)，因此需要選用較長的0.34 m長度磁芯。

圖22 不同磁芯長度條件下單點(diǎn)實(shí)測曲線對比

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 垂直分量數(shù)據(jù)處理解釋方法

筆者提出的單孔瞬變電磁工作方法本質(zhì)上仍屬于中心回線裝置類型，其垂直分量實(shí)測數(shù)據(jù)曲線形態(tài)與礦井瞬變電磁探測數(shù)據(jù)曲線形態(tài)基本相同(圖23)，僅是因?yàn)榘l(fā)射線圈尺寸與匝數(shù)的原因而導(dǎo)致電感影響較大，因此數(shù)據(jù)處理方法可參考礦井瞬變電磁，采用文獻(xiàn)[17]中的預(yù)處理技術(shù)對電感影響進(jìn)行校正，對校正后的數(shù)據(jù)則可應(yīng)用多種反演成像方法進(jìn)行處理解釋，如“二分法”全期視電阻率計(jì)算方法[18-19]、Occam反演技術(shù)[20-21]和虛擬波場全波形反演方法[22-23]等。

圖23 不同磁芯長度下礦井裝置與鉆孔裝置實(shí)測曲線對比

2.2 基于水平分量數(shù)據(jù)的異常中心定位技術(shù)

2.2.1探頭姿態(tài)校正

孔中探頭在推送過程中必然會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，為保證實(shí)測數(shù)據(jù)中水平分量的方向與預(yù)先定義的坐標(biāo)系一致，需要對每一測點(diǎn)的水平分量進(jìn)行校正。設(shè)在孔口按照預(yù)定坐標(biāo)系放置的探頭工具面角為φ0，探頭在孔中第n號(hào)測點(diǎn)位置的工具面角為φn，則可按下式計(jì)算在該點(diǎn)處探頭相對預(yù)定坐標(biāo)系偏轉(zhuǎn)的角度

φn-0=φn-φ0

(1)

(2)

(3)

2.2.2異常場提取方法

地-井瞬變電磁利用水平分量進(jìn)行異常中心定位時(shí)，一般采用從實(shí)測數(shù)據(jù)中直接刪除異常區(qū)段數(shù)據(jù)，再使用Hermit插值辦法重構(gòu)被刪除區(qū)段數(shù)據(jù)形成一組背景場，再用實(shí)測數(shù)據(jù)減去該背景場從而獲取純異常場，最后利用該異常場求取異常中心方位。

但本文提出的井下孔中收發(fā)裝置體積較小、匝數(shù)較多，電感影響很大，垂直分量數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后尚能較好的反映異常，而水平分量中的異常響應(yīng)特征容易淹沒在電感產(chǎn)生的干擾背景中，難以直觀看到異常體造成的變號(hào)現(xiàn)象，進(jìn)而確定異常區(qū)段，另外經(jīng)過數(shù)值模擬驗(yàn)算，插值重構(gòu)得到的背景場與真實(shí)背景場差異還比較大，因此本文采用不需要預(yù)先確定異常區(qū)段的趨勢面分析技術(shù)構(gòu)建背景場和提取純異常場。

(4)

(5)

數(shù)學(xué)地質(zhì)中的趨勢面分析技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)從總地質(zhì)變量的觀測值中分離出趨勢變化和局部變化，對于孔中瞬變電磁數(shù)據(jù)來說，趨勢變化部分反映了鉆孔測點(diǎn)的規(guī)律性變化，即背景場;而局部變化部分則反映了地質(zhì)異常體引起的變化，即異常場。那么對測線每一點(diǎn)的同一測道進(jìn)行多項(xiàng)式擬合趨勢面分析，即可求得水平分量響應(yīng)的背景場，而每一點(diǎn)的殘差值即為水平分量純異常場。

b5t2+…+bL-1tP

(6)

式中，P為趨勢面的次數(shù);b0,b1,b2,…,bL-1為待定系數(shù);L=1/2(P+1)(P+2)為擬合系數(shù)的個(gè)數(shù)。

(7)

根據(jù)極值定理，為使Q達(dá)到最小，對式(7)求導(dǎo)后求取線性方程組，即可求出式(6)的L個(gè)系數(shù)值。

根據(jù)圖24所示的模型，分別采用趨勢面分析方法和插值方法對X分量進(jìn)行了異常場提取，可以看出使用Hermit插值方法得到的異常場與理論值差別較大，而使用趨勢面分析方法得到的異常場則與理論值差別較小，精度更高(圖25)。

2.2.3異常體中心定位技術(shù)

水平分量異常場形態(tài)組合如圖26所示，由圖26可以看出，水平分量異常場形態(tài)與地-井瞬變電磁相似，可歸結(jié)為“正弦”與“反正弦”形態(tài)的組合，因此可根據(jù)圖26判斷異常體所在象限。

圖25 異常場提取效果對比

圖26 水平分量異常場形態(tài)組合

再根據(jù)3.2.2節(jié)得到的兩組水平分量異常場幅值之間的三角函數(shù)關(guān)系(圖27)，按照式(8)計(jì)算出異常體在該象限內(nèi)的偏轉(zhuǎn)角度θ,即

(8)

圖27 異常體偏轉(zhuǎn)角度

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 充水裂縫三維立體成像技術(shù)

經(jīng)過2.1與2.2節(jié)的數(shù)據(jù)處理，得到了鉆孔旁側(cè)異常體除厚度外的絕大部分地質(zhì)信息，考慮到充水裂縫可以忽略其厚度，此時(shí)已可以對異常體進(jìn)行三維立體成像。

立體成像可以依靠Suffer和Voxler軟件現(xiàn)有的功能實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下:

(1)將2.1節(jié)由Suffer軟件生成的視電阻率成像圖輸出為bln文件，文件中包含等值線的深度和徑向距離信息。

(2)根據(jù)的視電阻率分布劃分出幾個(gè)明顯的異常區(qū)段，標(biāo)記為主裂縫。

(3)每一區(qū)段通過3.2節(jié)的方法計(jì)算的有異常中心方位，根據(jù)該方位角利用三角函數(shù)運(yùn)算將bln文件中對應(yīng)區(qū)段的徑向距離轉(zhuǎn)換為水平坐標(biāo)X,Y值，轉(zhuǎn)換公式為

X=Rcosα

(9)

Y=Rsinα

(10)

式中，R為徑向距離。

(4)將轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后的bln文件另存為dat表格文件，導(dǎo)入Voxler軟件，繪制ScatterPlot圖件，即可實(shí)現(xiàn)對煤層氣水力壓裂主要裂縫的三維立體成像。

3 徑向探測能力測試

文獻(xiàn)[11]通過井下現(xiàn)場物理模擬試驗(yàn)檢驗(yàn)了巷-孔瞬變電磁法的探測距離在40 m左右，單孔瞬變電磁與巷-孔瞬變電磁原理相通，可以通過在同一鉆孔中的對比探測測試其探測距離。

選擇陜西黃陵某礦一鉆孔內(nèi)開展2種方法的對比探測試驗(yàn)，對巷-孔瞬變電磁資料采用文獻(xiàn)[11]中的二維擬地震方法處理，對單孔瞬變電磁資料采用本文方法進(jìn)行處理，垂直分量視電阻率成像對比結(jié)果如圖28所示。由圖28可以看出，由標(biāo)志低阻層位可判斷單孔瞬變電磁的徑向探測能力約為巷-孔瞬變電磁最大徑向探測距離的一半左右，結(jié)合文獻(xiàn)[11]和本文方法的多次探測結(jié)果，可以推測根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件的不同，巷-孔瞬變電磁最大徑向探測距離為30～60 m，單孔瞬變電磁徑向探測距離為15～30 m。

圖28 探測距離對比

4 探測實(shí)例

陜西韓城某煤礦3309工作面開展瓦斯抽采工作，沿煤層頂板布設(shè)了長距離定向鉆孔進(jìn)行水力壓裂。為檢測壓裂效果，采用本文提出的單孔瞬變電磁方法對鉆孔的60～110 m區(qū)間進(jìn)行了壓裂前后的探測工作。施工區(qū)間如圖29中紅色線框所示，測點(diǎn)距2 m，每個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行三分量數(shù)據(jù)采集，實(shí)際施工測點(diǎn)26組，數(shù)據(jù)點(diǎn)78個(gè)。

圖29 施工區(qū)段

表1 壓裂區(qū)段

圖30 視電阻率成像結(jié)果

圖30為壓裂前后的鉆孔瞬變電磁垂直分量處理結(jié)果，其中圖30(a)為壓裂前的處理結(jié)果，圖30(b)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。從圖30(a)可以看出，壓裂前的視電阻率等值線分布呈層狀，且比較均勻，在測區(qū)內(nèi)沒有明顯圈閉低阻區(qū)，僅在90 m和100 m附近等值線有較小幅度的抬升，因此，分析認(rèn)為壓裂前，測區(qū)內(nèi)圍巖的視電阻率分布比較均勻、規(guī)律，沒有明顯的低阻異常區(qū)。

從圖30(b)可以發(fā)現(xiàn)，測區(qū)中出現(xiàn)了5個(gè)較為明顯的條帶狀的低阻異常，分別為:1號(hào)異常位于孔深67～72 m，徑向延伸至28 m;2號(hào)異常位于孔深75～79 m，徑向延伸至22 m;3號(hào)異常位于孔深87～92 m，徑向延伸至30 m;4號(hào)異常位于孔深97～102 m，徑向延伸至18 m;5號(hào)異常位于孔深102～108 m，徑向延伸至30 m。在5組異常中，1號(hào)、3號(hào)和5號(hào)異常中心距離鉆孔距離較遠(yuǎn)，2號(hào)和4號(hào)異常發(fā)育距離相對較短。

為了更清楚的識(shí)別異常分布與發(fā)育情況，將壓裂前的探測成果當(dāng)做背景場，在壓裂后的探測成果中減去背景場，提取出純異常場，計(jì)算成果如圖30(c)所示，圖中藍(lán)、綠色部分為低值異常區(qū)，顏色越深表明電阻率向低值變化越大，白色區(qū)域?yàn)殡娮杪首兓^小區(qū)域。通過對純異常的提取，可以看出鉆孔徑向距離0～30 m內(nèi)整體存在明顯的低值變化，主要變化范圍在孔深68～100 m，與表1中第4壓裂段范圍基本吻合。此外，圖30(b)中的5個(gè)低阻異常的分布情況表現(xiàn)得更為明顯，有利于圈定主要裂縫的分布范圍。

根據(jù)圈定的主要裂縫范圍，對水平分量數(shù)據(jù)進(jìn)行了定位處理，并通過Voxler軟件進(jìn)行三維成像如圖31所示。由圖31可以看出，5個(gè)異常的方位均位于鉆孔的下方，該處理結(jié)果與頂板壓裂孔，裂隙向下方煤層發(fā)育的情況吻合較好。

圖31 主要裂縫立體成像結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)在距離異常體較近位置激發(fā)和觀測可獲得更強(qiáng)的異常體響應(yīng)，極小線圈動(dòng)源動(dòng)接收單孔瞬變電磁工作裝置有利于提高低阻異常體的探測精度，且垂直分量測量曲線與常規(guī)礦井瞬變電磁曲線特征基本相同，視電阻率成像難度較低。

(2)經(jīng)過大量物理模擬試驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)發(fā)射頻率為6.25 Hz時(shí)，孔中發(fā)射裝置應(yīng)采用線徑0.001 0 m的漆包線繞制25匝，發(fā)射電流強(qiáng)度控制在0.8 A，可在電感影響和地質(zhì)異常響應(yīng)之間取得平衡，孔中接收探頭應(yīng)選用長度0.34 m、直徑0.032 m、磁導(dǎo)率2 000 H/m的磁芯，外繞線徑0.000 6 m的漆包線125匝，可獲得異常特征明顯、純異常響應(yīng)強(qiáng)的觀測數(shù)據(jù)。

(3)井下試驗(yàn)測試了單孔瞬變電磁方法與巷-孔瞬變電磁方法在鉆孔徑向探測距離上的差異，可推測單孔瞬變電磁的徑向探測能力為15～30 m。