0 引言
我国多数煤层为低透气性煤层，具有非均质、低渗透率特点，抽采难度大。煤层气抽采往往需要采用如深孔预裂爆破、密集钻孔、CO2相变致裂技术、水力化技术等强化措施，以达到增强煤层透气性和渗透率来提高抽采效率的目的。水力压裂技术是利用钻孔进行高压注水使煤层压裂增透区的煤体卸压，透气系数增大，增强煤层气抽放效果，降低瓦斯含量，一定范围内起到了消除煤与瓦斯突出危险和降低开采中煤尘的作用[1-2]。近年来，煤层气井下抽采中，水力化技术为提高煤层渗透性和抽采效率开辟了新途径，水力压裂技术得到了广泛应用[3-4]。为优化压裂设计和控制施工质量，需对压裂效果进行评价。目前，水力压裂效果评价一般是按照瓦斯抽采、防突等技术规范和国家现行相关规定及水力化技术施工经验进行评价，现场主要采用打检验钻孔的探查方式，存在工程量大、成本高、易造成压裂孔布置密集、抽采效率低的问题[5]。
诸多学者对压裂效果的检验方法进行了研究。骆大勇等[6]结合影响煤层注水效果的13个评价指标，运用模糊综合评价法对煤层水力压裂效果进行了评价，但评价结果受指标选取的准确性影响较大，且无法对具体的压裂范围进行划分。当前应用地球物理勘探方法来检验水力压裂效果的研究成果中，基本上都是选择矿井瞬变电磁法、微震法、矿井高密度电法、电磁波层析成像(Computerized Tomography，CT)等方法中的一种或多种方法综合探测的方式。李好[7]初步利用矿井瞬变电磁法对工作面顺煤层水力压裂效果进行了评价，该方法施工方便，但易造成划分的压裂范围偏大。范涛等[8]应用瞬变电磁虚拟波场成像法对井下煤层气水力压裂效果进行了数值模拟，并进行了应用试验，对提升探测精度有一定作用，但仍存在异常范围偏大和受现场金属干扰造成的“假异常”排除难度大等问题。王国义等[9]通过微地震同步监测了古交区块煤层气开发的水力压裂施工效果，该方法监测范围大，但实施复杂，监测结果受观测方式影响大。段建华等[10]综合利用微震和瞬变电磁法对煤层气水力压裂效果进行了监测，初步划定了异常范围，但煤层硬度、压裂压力的大小直接影响到接收的微震事件数，可能导致监测结果失准，且施工复杂，实施成本高。袁永榜[11]采用综合物探技术实现了井下穿层压裂钻孔的水力压裂区域划分，使多个物探方法优势互补，但综合物探存在测量参数多、施工工作量大等问题，且其中电法勘探要达到某一深度需巷道具有足够长度，巷道金属支护对探测效果影响大。电磁波CT技术是在工作面双巷间透视探测，对煤层的地质构造发育区、破碎带等具有一定规模的地质异常体的探测效果较好，对水力压裂造成的场强衰减响应较为强烈，但多采用单频探测方式，难以兼顾透视距离和高分辨率，还可能因频率选择不当导致探测失败。上述多种地球物理手段在水力压裂效果评价中的应用或尝试取得了一些效果，也说明利用物探方法进行压裂范围探测具有一定可行性，但大多数物探方法也存在分辨率偏低、实施复杂、成本偏高等问题，而电磁波CT法具有方法成熟、无损、施工简便、准确性相对较高的优势。为满足水力压裂效果检验的准确、高效、便捷要求，本文依据不同频率电磁波具有分辨率不同、穿透介质能力不同的特点，提出了基于多频同步电磁波CT技术的煤层水力压裂范围探测方法，利用多频电磁波CT法对水力压裂范围进行探测，一次探测可获取多个频率的数据，从不同分辨率综合分析压裂效果，大幅提升了探测准确性和效率，为水力压裂范围的检验提供了一种无损、施工便捷和准确性更高的物探手段。
1 电磁波CT探测水力压裂范围的物性基础
井下水力压裂技术是指采用高压、大流量的矿用乳化液泵组把水快速压入到煤层中，使煤层在外力作用下使其内部的各种弱面发生张开、延伸和扩展，形成内部分割，增加裂隙的空间体积和增强裂隙之间的连通，最终形成一种互相交织的多裂隙连通网络，从而使煤层的透气性增大，提高煤层气抽采效果，降低煤与瓦斯突出危险性[12-13]。电磁波CT探测技术建立在煤岩体的电性差异基础上，自然状态下的煤层属多孔隙、多微裂隙结构，含水率很低，一般呈现高电阻率特征。水力压裂在短时间内使煤岩裂隙、孔隙扩张，煤层压裂区的含水性增加，煤岩电阻率明显降低，这与压裂前具有明显的差异性，电磁波的衰减系数也会因水力压裂使煤层破裂、充水而增大，这是应用电磁波CT技术探测水力压裂范围的物性基础。
2 煤层水力压裂范围探测方法
2.1 电磁波透视法基本原理
电磁波在煤层中传播时，遇到断裂构造的界面、破碎带、软分层破坏带及富含水带等地质异常体将产生折射、反射和吸收，造成电磁波能量损耗，这就会形成透视阴影(异常区)。电磁波透视探测的场强为
(1)
式中：H为与发射点距离为r处的实测场强值，A/m；H0为初始场强值，A/m；β为介质吸收系数，Np/m；r为发射点和接收点之间的距离，m；sin θ为方向因子，θ为偶极子天线轴与观测点方向的夹角，一般取90°，即sin θ=1。
由式(1)可知，除了与距离r有关，H还取决于介质吸收系数β，而β值与介质的电阻率、介电常数、磁导率和角频率有关[14]。
(2)
式中：ω为角频率，rad/s；ε为介电常数，F/m；μ为磁导率，H/m；ρ为电阻率，Ω·m。
在辐射条件不随时间变化时，H0为常数，介质吸收系数β是影响场强幅值的主要参数，它的值越大，场强变化就越大。
当前电磁波透视仪实测场强都以分贝值显示，根据电压值与分贝值的关系，转换后探测仪器实测的透视场强为[15]
(3)
式中：
为仪器实测场强值，dB；β′为转换单位后的介质吸收系数，单位为dB时，β′=8.68β。
2.2 多频煤层水力压裂范围探测方法原理
电磁波CT技术中，低频电磁波具有穿透介质能力强，但对异常分辨率偏低的特点，高频电磁波具有分辨能力强的优势，但穿透能力弱。多个频率的电磁波CT结果互为参考解释，可有效提高探测结果的可靠性和精度，在钻孔布置相对密集的情况下，更有利于考察各孔的压裂效果。电磁波透视探测中，需切断工作面供电系统，以降低电磁干扰。常规电磁波透视法在一次探测施工中，往往仅选择某一种频率进行探测，可能导致频率选择不当而达不到所需探测效果，若要获取多频探测数据，则需要多次施工，费时费力，且较难保证探测环境的一致性。为此，笔者采用一种串行发射接收技术实现多个频率电磁波的同步探测，一次探测施工中获取多个频率的数据，可提高探测效率和准确性。探测采用WKT-0.03型无线电波透视仪，支持0.3，0.5，1.5 MHz三种频率或任意2种频率组合串行同步发收，接收灵敏度小于0.03 μV/m，其工作原理如图1所示。通过发射机主动授时，使得发射机与接收机的时序保持精准同步。在一个发射周期内，发射机按时序串行发射0.3，0.5，1.5 MHz三个频率电磁波，单个频率发射10 s后自动切换频率，接收机在对应时刻接收相应频率的场强值，在设定的时间段内完成测点的3个频率数据接收，再移动至下个发射点进行探测，实现一次施工获取3个频率的探测数据。
图1 多频电磁波同步探测工作原理
Fig.1 Working principle of multi-frequency electromagnetic wave synchronous detection
3 探测试验
3.1 试验概况
重庆某煤矿S1641对拉工作面开采M6煤层，平均煤层厚度为0.85 m，平均煤(岩)层倾角为12°。煤层瓦斯含量为18.54 m3/t，煤层具有煤与瓦斯突出危险，瓦斯突出现象与地质构造相关性较强，瓦斯突出现象多发生在羊叉滩背斜轴部。为提高抽采效率和保障回采安全，该矿采用顺煤层中压注水压裂技术治理瓦斯。本次试验的北工作面宽度为136.3 m，回采总长度为1 000～1 017 m，目标区为靠近S1641北工作面开切眼的A区。压裂钻孔布置如图2所示，其中h表示断层的断距。在北回风巷朝向工作面煤层共布置8个压裂钻孔(编号为1号—8号)，1号钻孔距离S1641北工作面开切眼40.6 m，钻孔间距为39 m，施工方位为180°，施工倾角为+3°，注水层位均为M6煤层，注水参数见表1，钻孔在煤层中开孔并沿煤层水平钻进。高压泵采用3ZSB-158/18型，额定压力为35 MPa，额定流量为80 L/min。
图2 压裂钻孔及测点布置
Fig.2 Layout of fracturing drillings and measuring points
表1 水力压裂钻孔参数
Table 1 Hydraulic fracturing drilling parameters
钻孔编号注水时间/min终孔深度/m注水主要参数主泵压力/MPa流量/(m3·h-1)注水量/m31号1106610～123.872号114676～184.283号1306712～184.294号506721～246.055号30667～229.04.56号16073185.3147号2306863.4138号6057177.07
3.2 测点布置
采用3种频率的电磁波进行同步透视探测，在南机巷、北回风巷内各布置71个测点，测点间距为5 m，考察北回风巷走向长度350 m范围内工作面施工的8个钻孔的水力压裂效果，测点布置如图2所示，图中浅灰色射线表示电磁波CT观测系统范围。采用定点法测量，即在1个发射点时，另一巷道内接收11个测点数据。为准确探查煤层水力压裂的影响范围，在水力压裂施工前进行第1次探测，压裂后立即开展第2次探测，此时水力压裂区域暂未处于失水状态，电磁波响应较强。利用压裂前后2次探测的电磁波衰减系数等值线图进行对比分析，划分出煤层压裂范围。
4 探测结果分析
为确保压裂前后的探测结果不受探测环境和人为因素影响，2次探测的试验条件力求保持一致，选取了相同参数进行数据处理，以便进行分析对比。将接收到的3个频率电磁波场强数据利用层析成像软件处理成像，将计算所得电磁波衰减系数绘制成等值线图，如图3—图5所示。水力压裂前后的衰减系数等值线填充采用统一色标，以方便对比分析。
4.1 不同频率探测结果分析
根据计算结果分析得到压裂前后不同频率电磁波衰减系数值，见表2。
从图3—图5的3个频率探测结果及表2可看出，煤层被压裂、裂隙充水后主要表现为衰减系数增大，据此可对煤层压裂范围进行划分。这里的衰减系数为相对值，随探测频率增高，衰减系数有一定程度增大。压裂范围的电磁波衰减系数普遍分布在该频率衰减系数的平均值附近，异常阈值和平均值的波动小于0.02 dB/m。压裂前定义异常划分阈值，压裂后用同一阈值进行判断，将衰减系数高于该阈值的区域划为异常区，再进行对比分析。
(a) 水力压裂前
(b) 水力压裂后
图3 0.3 MHz电磁波衰减系数等值线
Fig.3 Contour map of attenuation coefficient of 0.3 MHz electromagnetic wave
(a) 水力压裂前
(b) 水力压裂后
图4 0.5 MHz电磁波衰减系数等值线
Fig.4 Contour map of attenuation coefficient of 0.5 MHz electromagnetic wave
从图3及表2可看出，压裂后，0.3 MHz电磁波衰减系数最大值增大0.11 dB/m，最小值增大0.03 dB/m，平均值增大0.08 dB/m，整体衰减系数增大，衰减系数大于0.50 dB/m的高衰减异常区域分布于南机巷30～120 m段、北回风巷230～350 m段，呈现片状分布，分析为压裂影响范围。
从图4及表2可看出，压裂后，0.5 MHz电磁波衰减系数最大值增大0.04 dB/m，最小值增大0.02 dB/m，平均值增大0.03 dB/m。北回风巷40～80，240～340 m段显示为相对高衰减区域，分析为压裂影响范围。衰减系数整体增大，分布范围也有所增大，说明因水力压裂导致区域的电性差异增大，场强衰减更强。压裂前，北回风巷275，320 m巷道已揭露的2条小断层有一定程度的相对高衰减响应。
(a) 水力压裂前
(b) 水力压裂后
图5 1.5 MHz电磁波衰减系数等值线
Fig.5 Contour map of attenuation coefficient of 1.5 MHz electromagnetic wave
表2 压裂前后不同频率衰减系数值对比
Table 2 Comparison of attenuation coefficient values of different frequencies before and after fracturing
频率/MHz压裂状态衰减系数最大值/(dB·m-1)最小值/(dB·m-1)平均值/(dB·m-1)压裂前0.480.380.420.3压裂后0.590.410.50压裂前0.540.420.460.5压裂后0.580.440.49压裂前0.680.500.611.5压裂后0.740.500.63
从图5及表2可看出，压裂后，1.5 MHz电磁波衰减系数最大值增大0.06 dB/m，最小值不变，平均值增大0.02 dB/m。压裂后，整体衰减系数增大，衰减系数大于0.64 dB/m的高衰减区域分布于60～80，100～140，200～340 m段，高衰减区呈现条状分布，分析为压裂影响范围。压裂前，北回风巷275，320 m巷道已揭露的2条小断层有相对更强的衰减响应。
综合分析3个探测结果可看出：水力压裂后，3个频率探测结果均表现为电磁波场强值的高衰减特性。压裂区的电磁波衰减系数明显增大，衰减系数区间变宽，分析为水力压裂导致压裂区和非压裂区对电磁波的能量吸收差距变大；高衰减异常区分布范围有一定的对应性，主要分布在横坐标为40～90，100～140，210～350 m段，约占探测范围的65%；0.3，0.5 MHz的探测结果异常区基本呈现片状分布，而1.5 MHz电磁波对水力压裂区的响应更灵敏，呈纵向条带状分布，衰减也更强，相对其他2个频率的探测结果分辨率更高。对于落差较小断层，也具有较明显的衰减响应。多种频率探测结果可互相印证，得出较为可靠的解释。
4.2 响应特征及压裂范围分析
对比不同频率电磁波CT探测结果可知，不同频率电磁波对水力压裂施工均有不同程度异常响应，3个探测结果中的相对高衰减异常区域基本对应，但频率低的电磁波成像结果分辨率相对较差，能大致区分压裂区；频率越高的电磁波对各钻孔的压裂范围成像越精细。
采用多频同步电磁波CT技术探查工作面顺煤层水力压裂范围，以衰减系数阈值划分压裂有效范围。其中，2号，3号，6号—8号孔压裂效果较为显著，影响范围在钻孔周边15～25 m围岩范围内，本次压裂有效面积占预压裂区域的65%以上。考虑部分钻孔因漏水或裂隙发育压裂效果较差，建议对0～40，140～200 m补充二次压裂，并加密压裂孔距。单孔注水量分析结果及后期验证资料显示，探测结果和实际压裂范围较吻合，2号，3号，6号，7号钻孔压裂范围均在23 m以上。
5 结论
(1) 从试验工作面的8个压裂钻孔的电磁波CT结果来看，3个频率电磁波均能有效穿透S1641北工作面，根据电磁波场强的衰减系数阈值可划分出压裂有效范围。其中2号，3号，6号—8号钻孔的压裂效果较为显著，压裂范围为压裂钻孔周边围岩半径15～25 m，经验证较符合实际。
(2) 水力压裂后导致电磁波场强值发生高衰减现象，频率高的电磁波在水力压裂区的衰减幅度更明显，横向分辨率较好。注水量与电磁波场强衰减系数呈正相关变化，衰减系数随注水量增加而增大。
(3) 3个频率电磁波CT结果对压裂范围的异常响应基本对应。应用多频同步电磁波CT技术对比分析多个频率探测结果，并进行综合解释，更有利于提升探测的可靠性和精度。
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