第 37 2018 卷第 年 10 10 期 月 煤 炭 技 术 Coal Technology Vol.37No.10 Oct. 2018 doi:10.13301/j.cnki.ct.2018.10.079 煤层水力压裂不同阶段电法反演模拟研究 * 中国矿业大学 安全工程学院 ， （1. 郑向欣 1， 江苏 徐州 赵恩来 1.2， 221116； 2. 中国矿业大学 资源学院 221116； 3. 江苏 徐州 ， 刘贞堂 1,2， 中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室 邱黎明 1， 杨海平 3 江苏 徐州 ， 结果表明 视电阻率法的反演结果和水力压裂过程的 ： 偶极布极方式的反演模拟 偶极布极方式的反演结果更加准确 ， ， 221116） 但其动态演化过程的监测缺乏好 建立了水力压裂视电阻率法反演模型 个阶段 ， 压裂过程的水平位置及范围与 现场测试 故应优先选择 3 ， , ， 。 摘 要 水力压裂是高突煤层所采用的主要防突措施之一 ： 基于水力压裂过程的煤岩体视电阻率的响应原理 。 的手段 对水力压裂过程进行了反演模拟 具有很好的一致性 模型基本一致 结果验证了赤道偶极 温纳 误差较小 ； ， 。 和赤道偶极 α 赤道偶极 - - 。 - 水力压裂 偶极布极方式的有效性 数值模拟 视电阻率 。 ； ； 文献标志码 关键词 中图分类号 ： 反演 ； 文章编号 ： P631. 3 ： A ： 1008 － 8725（2018）10 － 0213 － 04 Study on Inversion of Electric Law in Different Stages of Hydraulic Fracturing of Coal Seam ZHENG Xiang-xin1, ZHAO En-lai1,2, LIU Zhen-tang1,2, QIU Li-ming1, YANG Hai-ping3 (1. School of Safety Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2. Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines, Ministry of Education， China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 3. School of Resources, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China) Abstract: Hydraulic fracturing is one of the main measures to prevent outburst in the high-profile coal seam.However, the monitoring of its dynamic developmental evolution lacks a good means.Based on the response principle of apparent resistivity of coal and rock mass in hydraulic fracturing process, an inversion model of apparent resistivity method for hydraulic fracturing is established to inversely simulate the hydraulic fracturing process.The results show that the apparent resistivity inversion results are in good agreement with the three stages of the hydraulic fracturing process.For the inversion simulation of Wynner α and equatorial dipole -dipole polar approach, the horizontal position and the range of fracturing process are basically the same with the model, with small error.The equatorial dipole-dipole polar inversion is more accurate, so it should be given priority. Field test results verify the validity of the equatorial dipole-dipole mode. 0 。 。 。 ， ， ， ， 前苏联曾做过大量试验 煤矿瓦斯涌出量越来越大 Key words: hydraulic fracturing; apparent resistivity; numerical simulation; inversion 引言 随着煤炭生产的高效集 约 化 和 矿 井 开 采 深 度 煤与瓦斯突出 的增加 国内外专家学者针对煤与瓦斯 威胁也越来越严重 提出了很多治理方 突出防治进行了大量研究工作 ， 发现当注水压力达到 法 高压水可使煤体沿内部的固有裂隙起裂 一定值时 提高了瓦斯的抽 和扩展 采效率 水力压 裂技术应用过程中最关键的是压裂过程 变 化 的 确 定 实时监测其动态发育演化过程对于煤矿 瓦斯抽采方案的实施及突出预测都是至关重要的 ， 从而提高煤层的渗透性 ， 从而达到较好的抽采及防突效果 传统的矿井监测方法目前主要用于煤矿含 受其设备影响和使用方式影响 需要通过人工不断改变供电电极之间的距离 视电阻率法采用一次布 多次 有利于实时探 的成效 水构造的探测方面 较大 进行测量 设全部电极后进行多种装置形式测量的方法 测量时电极接地条件的变化影响小 测煤层水力压裂的动态发育过程 利用视电阻率法对水力压裂过程不同 偶 阶段进行反演模拟 极布极方式的反演模拟结果和现场测 试 效 果 进 行 得出水力压力过程中不同阶段电阻率的响应 分析 规律 研究结果对于现场水力压裂的实时监测其动 态演化过程和瓦斯抽采具有重要指导意义 极为费时费力 和赤道偶极 对通过温纳 视电阻率法相对传统的矿井监测方法来说 鉴于此 因此 α - ， ， ， ， ， 。 ， ， ， ， ， 。 。 。 。 。 电阻率法具有抗干扰能力强 在采空区探测 。 视 ， 测试范围广等优点 ， 富水区位置确定等方面取得了显著 、 、 国 家 自 然 科 学 基 金 * （2016YFC0801404）； （ 51504244 ） ； “ 江苏高校优势学科建设工程资助项目 ” 十 三 五 国 家 重 点 研 发 计 划 （PAPD） 213 基本原理 1 1.1 视电阻率法原理 视电阻率法最初借鉴于阵列的思想 于岩土导电性差异的勘探方法 。 是一种基 电阻率法勘探首先 ， 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

Vol.37No.10 利用供电电极 读取测量电极 的视电阻率 A、B M、N 向地下供以稳定的电流 间的电势差 之后 以此求出介质 I， ΔU， ρs=K ΔU I （1） 式中 1.2 ，A； I——— ΔU——— 供电电流 测量电极间的电势差 电极系数 ， 置方式有关 反演模拟计算方法 选用平滑约束最小二乘法作为反演方法 其值与供电 K——— ，V； 、 。 测量电极的布 这种方法计算速度快 和平滑滤波因子 大型数据组 通过调整阻尼系数 模型相匹配 ， μ 。 介质电阻率参数 ， 占用内存小 对于 可 使其与不同 ， ， f (ATA+λCTC)ΔP=ATΔg （2） 式中 ； ； ； ； λ——— C——— A——— 雅克比矩阵 衰减因子 平滑滤波器 参数修正量 残差向量 水力压裂数值模拟 水力压裂过程中 ΔP——— Δg——— 。 2 ， ， 卸压范围即为裂隙发育的深度 钻孔周围煤体产生了裂隙并 高 使得流经区域煤体的视 利用直流电法仪监测视电阻率的 为了 并 由近向远扩展 压水和气体沿着裂隙流动 电阻率发生变化 变化 。 便于计算与处理 研究单孔水力压裂的过程变化 且假定压裂过程中主裂纹只沿着水平方向扩展 能够得出煤体在压裂过程中的演化规律 。 ， ， ， ， ， 水力压裂是利用高压水射流冲击煤岩体密闭孔 通常可以将水力压裂划分 个阶段是主裂纹出现阶 在 并排出煤与瓦斯的过程 为 段 。 第 个阶段进行研究 3 当向压裂孔中注水时 1 剪应力分布基本均匀 。 。 ， ， ， 电阻较小 第 当水压不断增大时 ， ； 会沿着一个方向扩展 ， ， ， 含水率高 一个薄弱方向形成应力集中区 及周围充满水 次级裂纹出现阶段 裂并扩展 纹中水的渗透率高 尖端 剪应力较大 纹 第 时 水平方向 纹 裂纹渗透率小 阻很大 ， 裂纹尖端水的渗透率较小 个阶段是裂纹稳定阶段 3 压力达到最大值 电阻较大 ， 。 ， ， ， ， ， 。 次级裂纹方向不固定 ， ， 主裂纹和次级裂纹渗透率较高 ， 第 卷第 期 ； 。 ， ， 37 并逐渐扩张 形成主裂纹 ， 电阻比较小 10 裂纹孔 个阶段是 2 裂纹开始起 主裂 ， 在裂纹 出现次级裂 ， 电阻较大 形成裂隙 。 当裂隙到达模型边缘 主裂纹为近 三级裂 、 二 三级 电 且出现二 电阻小 ， ， ， ； ， 含水率高 ， 导致裂纹扩展较快 ， 、 在裂纹尖端形成裂隙 裂纹已扩展稳定 。 运用 煤体视电阻率设为 res2dmod 业 阻 率 设 为 ， 模拟软件 ， 结合实际水力压裂作 视电 视 电 阻 率 设 为 水为低阻体 ， 150 Ω·m； 裂 隙 为 高 阻 体 10 Ω·m； ， 根据煤层赋存条件 建立边长为 ， 60 m× 水力压裂孔洞的中心深度 建立水力压裂过 处 30 m ， 10 000 Ω·m。 10 m 为 程的计算模型如图 的煤岩体数值模型 ， 水平中心为 所示 位置 3 m ， 1 。 水力压裂反演数值模拟 不同布极方式的特性 赤道偶极 使用温纳 3 3.1 α、 温纳 ， 。 其中 模拟 α 水平方向的异常体 ； 较强的纵向分辨能力 行现场探测 ， 。 3.2 反演结果及分析 通 过 瑞 典 高 密 度 电 阻 率 - 适用于探测背景干扰大 偶极布极方式进行反演 主要为 偶极的特点是具有 可用其进 赤道偶极 当接地电阻较小时 - 、 ， 煤层水力压裂不同阶段电法反演模拟研究 郑向欣 等 ， ——— 赤道偶极 用温纳 - 的过程进行反演模拟 α、 偶极 2 反演结果如图 ， 所示 。 2 利 种布极方式对水力压裂 Res2dinvx64 软 件 ， 0.00 4.00 8.00 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 32.0 36.0 40.0 44.0 48.0 52.0 56.0 60.0 0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 0.00 4.00 8.00 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 32.0 36.0 40.0 44.0 48.0 52.0 56.0 60.0 主裂纹出现阶段 （a） 0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 0.00 4.00 8.00 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 32.0 36.0 40.0 44.0 48.0 52.0 56.0 60.0 次级裂纹出现阶段 （b） 0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 图 1 裂纹稳定阶段 （c） 水力压裂过程模型 214 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

第 37 卷第 10 期 煤层水力压裂不同阶段电法反演模拟研究 郑向欣 等 ， ——— Vol.37No.10 16.0 32.0 48.0 m. 0.0 0.25 1.77 3.34 4.96 6.62 8.34 10.1 Inverse Model Resistivity Section 129 132 134 137 140 143 145 148 16.0 主裂纹出现阶段 （a） 32.0 48.0 m. 0.0 0.25 1.77 3.34 4.96 6.62 8.34 10.1 149 （b） 次级裂纹出现阶段 32.0 48.0 m. Inverse Model Resistivity Section 68.9 77.0 85.9 95.9 107 119 133 16.0 0.0 0.25 1.77 3.34 4.96 6.62 8.34 10.1 Inverse Model Resistivity Section 77.5 85.3 93.9 103 114 125 138 图 2 152 温纳 稳定阶段 布极方式反演模拟 ， ， 2 α 可知 温纳 （c） α 布极方式反演模拟出的结 由图 电阻率的变化规律与水力压裂过程水的渗透率 反演结果中 ， 竖 ， 与模型是相符合的 。 低电阻率区域水平方向的范围为 果 和裂隙的发育程度有较好的一致性 水力压裂各个阶段水平中心位置均为 直方向中心位置均为 主裂纹出现阶段 3.5 m 30 m 处 处 。 ， 次级裂纹出现阶段为 ， 4.1 m， 稳定阶段为 7.8 m， 15.7 m， 图 3 。 与模型中水的渗透区域是相似的 直方向的范围与模型不一致 进行不断增加 反映出来 小 但低电阻率在竖 随着水力压裂过程的 模型中裂隙的发育程度没有很好的 是由于水力压裂过程中的裂隙发育规模较 。 ， 。 ， 偶极布极方式反演模拟出的结果如 ， 对电阻率的影响较小 赤道偶极 所示 - 。 16.0 32.0 48.0 0.0 0.25 3.34 6.62 10.1 13.2 16.4 19.8 23.3 Inverse Model Resistivity Section 125 129 132 136 140 144 148 152 16.0 （a） 0.0 0.25 3.34 6.62 10.1 13.2 16.4 19.8 23.3 Inverse Model Resistivity Section 主裂纹出现阶段 32.0 48.0 81.8 88.6 96.0 104 113 122 132 143 （b） 次级裂纹出现阶段 16.0 32.0 48.0 0.0 0.25 2.29 4.41 6.62 8.92 10.7 12.5 Inverse Model Resistivity Section 83.0 90.8 99.4 109 119 130 143 156 稳定阶段 （c） 偶极布极方式反演模拟 图 3 215 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

Vol.37No.10 煤层水力压裂不同阶段电法反演模拟研究 郑向欣 等 ， ——— 第 ， ， 处 处 30 m 反演结果中 围有较好的一致性 。 水平中心位置均为 电阻率的变化规律与水力压裂过程水的渗透范 水力压裂各个阶段 竖直方向中心位置均为 低电 次级裂纹出现阶 与模型中水的渗透 但低电阻率竖直方向的范围与模型 模型 ， 各个阶段保持一致 3.5 m 阻率区域水平方向的长度为 段为 区域基本相符 不一致 中裂隙的发育程度也没有很好地反映出来 随着水力压裂过程的进行不断增加 主裂纹出现阶段 稳定阶段为 16.2 m， 7.6 m， 4.3 m， ， 。 ， 。 。 对图 图 进行分析 可以得到具体的反演结 。 果对比 ， 2、 如表 3 所示 。 1 ， 表 1 反演结果对比表 水力压裂 的不同阶段 水平 纵向 中心位置 / 反演 水平范围 水平 误差 /m 稳定阶段 主裂纹出现阶段 次级裂纹阶段 /% 7.5 5.7 1.9 2.5 2.5 1.2 视电阻率法在水平方向上对钻孔的 30/3.5 30/3.5 30/3.5 30/3.5 30/3.5 30/3.5 /m 4.3 7.6 15.7 4.1 7.8 16.2 主裂纹出现阶段 次级裂纹阶段 稳定阶段 反演 布极方式 / 钻孔模型 温纳 α 赤道偶极 偶极 - 综上所述 ， 分辨效果比在垂直方向上要好 - 极布极方式在水平方向上对钻孔的识别较为灵敏 α 。 和偶极 偶 温纳 响应的钻孔水平位置及范围与模型基本一致 的钻孔纵向深度与宽度均不同幅度地增大 α 布极方式对水力压裂模型形态特征的响应具有一定 。 ， 响应 。 温纳 卷第 期 10 37 反演结果水力 方向上对水力压裂的识别较为灵敏 ， 压裂的水平位置及范围与模型基本一致 ； 度与范围均不同幅度地增大 赤道偶极 方式的反演原理与水力压裂更为接近 偶极布极方式 应优先选择赤道偶极 。 ， - 其纵向深 偶极布极 故 误差较小 ， - 。 -20 -40 -60 -20 -40 -60 5 5 5 5 5 Borehole 6-2# Actual fracturing area 20 40 60 75 80 100 120 140 水力压裂前 （a） 视电阻率 /Ω·m 70 67 64 64 58 55 52 49 46 43 40 37 34 31 28 25 22 19 16 13 10 7 4 1 -2 -5 视电阻率 5 5 5 5 5 5 20 40 60 80 100 120 140 水力压裂后 （b） /Ω·m 70 67 64 64 58 55 52 49 46 43 40 37 34 31 28 25 22 19 16 13 10 7 4 1 -2 -5 现场水力压裂前后视电阻率云图 4 图 现场测试结果表明 赤道偶极 偶极布极方 （3） - 式能有效反映水力压裂前后的变化过程 ， 。 参考文献 王永祥 ［1］ ： 杜卫新 , . 煤与瓦斯突出机理研究进展 煤炭技术 ［J］. ,2008,27 (8):89-91. 袁 亮 . 低 透 高 瓦 斯 煤 层 群 安 全 开 采 关 键 技 术 研 究 岩 石 力 学 ［J］. 与工程学报 ,2008,27(7):1 370-1 379. 煤岩体水力致裂理论及其工艺技术框 黄炳香 ［3］ 程庆迎 刘长友 , , 采矿与安全工程学报 . , 等 架 ［J］. 王宏山 . 黄战峰 ［4］ ［5］ ,2011,28(2):167-173. 煤与瓦斯突出防治 煤炭技术 ［J］. ,2008,27(1):62-64. 任培良 , 张洛花 . 水力压裂技术提高低透气性煤层抽放效 , ， 果的应用分析 煤炭技术 ［J］. ,2011,30(5):104-106. 李贤忠 . ［6］ 高压脉动水力压裂增透机理与技术 ［D］. 徐州 ： 中国矿业 大学 ,2013. 刘鑫明 ［7］ 拟 ［J］. 刘树才 , , 煤矿安全 姜志海 等 , . 电阻率法监测煤层底板破碎带数值模 ,2013,44(1):39-42. 蒋鑫 . ［8］ 高密度电阻率法的正演数值模拟研究 ［D］. 长春 : 吉林大学 , 2013. 李美梅 . ［9］ 高密度电阻率法正反演研究及应用 ［D］. 北京 : 中国地质 大学 北京 ( 王凯 ),2010. 魏建平 李波 , . 采矿与安全工程学报 , , 作 者 简 介 ： 矿井安全监测 等 水力冲孔钻孔周围煤层透气性变化规律 ［J］. 郑 向 欣 ,2013,30(5):778-784. 山 西 吕 梁 人 （1994-）， 硕 士 研 究 生 研 究 方 ， ， 电子信箱 ， 责任编辑 ：1033713301@qq.com. 李景奇 收稿日期 ： ：2017－12－05 的优势 ， 但探测深度却比较浅 赤道偶极 ； - 方式的反演原理与水力压裂更为接近 ， 测深较深 且 ， 偶极布极 在水平和垂直方向上对水力压裂模型的分辨率都较 ［2］ 误差较小 高 ， 。 故在水力压裂勘探中 应优先选择赤 ， 道偶极 - 偶极布极方式 。 3.3 现场验证 根据数值模拟结果 利用两级布极方式在永贵 ， 能源新田煤矿进行了水力压裂电法反演测试实验 冲孔前后视电阻率云图如图 所示 。 4 由现场测试结果可知 ， 水力压裂后 局部煤体视 ， 电阻率显著减小 ， 煤体导电性增加 域即为水力压裂影响范围 因此 ， 。 视电阻率减小区 ， 利用两级布极方式 的反演视电阻率云图能有效反映水力冲孔的影响范围 。 结语 4 （1） 个阶段 3 定阶段 ； 视电阻率法的反演效果和水力压裂过程的 主裂纹出现阶段 ， 具有很好的一致性响应 、 次级裂纹出现阶段 稳 、 ［10］ 能够满足实际工作 ， 中对水力压裂的探测 。 温纳 α （2） 和赤道偶极 - 偶极布极方式在水平 向 : 216 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net